本文展示了X射线衍射和差示扫描量热法作为研究基于脂质的辅料（LBEs）固态特性的金标准方法。理解LBEs中固态的变化及其对相应药品性能的影响，是制备稳定的脂质基制剂的关键因素。
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摘要
摘要
基于脂质的辅料（LBEs）具有低毒性、生物相容性且来源于天然，其应用有助于制药生产的可持续性。然而，主要挑战在于其固态不稳定，从而影响药品的稳定性。脂质在加工过程中的关键物理性质——如熔点、黏度、流变性等——与其分子结构和结晶度密切相关。在制造过程中涉及的添加剂以及热力和机械应力均会影响脂质的固态，进而影响相应药品的性能。因此，理解固态变化至关重要。本文介绍了粉末X射线衍射与差示扫描量热法（DSC）联用作为表征脂质固态的金标准。X射线衍射是筛选多晶型和晶体生长的最有效方法。多晶型排列和片层长度分别通过X射线衍射的广角和小角区域进行表征。小角X射线散射（SAXS）区域可进一步用于研究晶体生长，并可指示相变与相分离现象。DSC用于评估脂质的热行为，估算添加剂和/或活性药物成分（API）在脂质基质中的混溶性，并提供相图。本文展示了四个案例研究，其中LBEs分别用作包衣材料或包封基质，以制备脂质包衣多颗粒系统和脂质纳米混悬液。研究考察了脂质固态及其在储存期间可能发生的改变，并将其与API释放行为的变化相关联。偏光显微镜和扫描电子显微镜等定性显微方法是研究微尺度结晶的辅助工具。应根据所选的制造工艺补充其他分析方法。为设计出稳健且稳定的脂质基药品，必须深入理解结构-功能-可加工性之间的关系。
引言
脂质是一类含有长链脂肪族烃及其衍生物的物质。其化学结构多样，包括脂肪酸、酰基甘油、甾醇和甾醇酯、蜡、磷脂以及鞘脂1自1960年起，脂质作为药用辅料被用于将药物包埋于蜡质基质中，以制备缓释制剂。2自那时起，基于脂质的辅料（LBEs）因其在药物缓释、掩味、药物包封以及提高药物生物利用度等方面的多样化应用而受到广泛关注。LBEs 可应用于多种药物剂型中 通过 多功能制造工艺，包括热熔包衣、喷雾干燥、固体脂质挤出、3D打印、压片和高压均质等。由此制得的剂型包括片剂、口服速溶膜、多颗粒系统、纳米和微粒、丸粒以及3D打印剂型2,3,4.
LBEs 具有"公认安全"的特性，毒性低，生物相容性良好，且能提高患者的耐受性。其天然来源和广泛可得性使其能够推动绿色和可持续的药物制造。然而，LBEs 的使用常与剂型不稳定相关。脂质基产品在储存后性质发生改变的情况已有大量报道。LBEs 的固态特性以及脂质多晶现象的存在被认为是导致脂质基剂型不稳定的主要原因5,6,7,8。
脂质的机械和物理性质与其结晶特性及晶体网络结构密切相关，而晶体网络结构表现出明显的层级组织结构。在制药产品生产过程中使用脂质时，工艺参数（如温度、有机溶剂、剪切力和机械力）会影响其晶体结构，进而影响药品的性能5,7,9,10,11,12。为了理解这种结构与功能之间的关系，了解脂质结晶和晶体结构的基本原理以及相应的分析筛选方法至关重要。
在分子水平上，脂质晶体的最小单元称为"晶胞"。晶胞在三维空间中规则重复排列，形成晶体晶格，其侧向分子间作用力强于纵向作用力，从而解释了脂质晶体的层状结构。烃链重复的横截面排列方式被称为亚晶胞1,12,13（图1）。片层（lamellae）是指脂质分子的侧向堆积结构。在晶体堆积中，不同片层之间的界面由甲基末端基团构成，而极性的甘油基团则位于片层内部14。为了区分片层中每条脂肪酸链，引入了“单层”（leaflet）这一术语，它代表由单一脂肪酸链组成的亚层结构。酰基甘油可排列成双层（2L）或三层（3L）的单层链长度14。片层的表面能驱动其发生外延堆叠，从而形成纳米晶粒。不同的加工因素（如冷却温度和冷却速率）会影响堆叠片层数量，进而影响晶粒的厚度（约10–100 nm）。晶粒的聚集形成微米尺度的球晶，而球晶的进一步聚集则构成了脂质基质材料（LBEs）的晶体网络，赋予其明确的宏观特性13。
固态转变始于分子水平。一种亚晶胞向另一种亚晶胞的几何结构转变称为多晶现象。在酰基甘油中通常存在α-、β'-和β-型三种主要的多晶型物，其稳定性依次增强。在多晶型转变过程中，片层相对于端基会发生倾斜1,13。LBEs会经历储存诱导和熔融介导的多晶型转变。当亚稳态形式在低于其熔点的温度下储存时，会发生储存诱导的转变；而当温度升高至亚稳态形式的熔点以上时，则发生熔融介导的转变，导致该形式熔化，并继而结晶为更稳定的形态。
此外，还可能发生相分离和晶体生长。相分离由初始的多相结晶及一相或多相的生长所驱动。颗粒间的相互作用，包括烧结、分子间相互作用、微观结构特征以及外来组分，也可能引发晶体生长1,5。
监测LBEs的固态转变及其对剂型性能的影响具有重要意义。其中，差示扫描量热法（DSC）和X射线衍射，特别是同步小角与广角X射线散射（SWAXS），是评估脂质固态的两种金标准方法。
差示扫描量热法（DSC）常用于测量感兴趣材料在随时间与温度变化的热流作用下发生的焓变。该方法广泛应用于脂质热行为的筛选，例如可能的熔融和结晶途径、不同多晶型态对应的温度和焓值，以及脂质组成中主要和次要组分的分析。这些数据可用于描述脂质的异质性、多相性及多晶现象5,7,13。
X射线衍射技术是测定固态结构最强大的方法。脂质晶体具有由重复片层构成的有序纳米结构，其对X射线束的反射可用布拉格定律进行研究：
d = λ/2sinθ （公式 1）
其中，λ 是 X 射线波长（1.542 Å），θ 是散射束的衍射角，d 为重复层之间的晶面间距，在脂质中定义为片层长度。X 射线的小角区域（1–15°）非常适合用于检测长间距模式并计算片层长度（d）。由于 d 与 sin θ 成反比，重复距离 d 越大，散射角越小（1–15°，小角区域）。脂质的亚细胞排列则可通过 X 射线衍射的广角区域中的短间距模式进行表征。脂质的长间距和短间距模式（即片层长度和亚细胞排列）均可用于指示单变性多晶型转变。例如，由于分子链倾斜角度的变化，α 型（六方晶系）可转变为 β 型（三斜晶系），同时伴随片层长度的变化（小角区域的长间距模式，1–15°）以及横截面堆积方式的变化（广角区域的短间距模式，16–25°）（图 2）。
通过测量晶体厚度（D），可进一步利用SAXS区域获得的信息来研究晶体生长 通过 谢乐公式15:
D = Kλ/FWHMcosθ （公式 2）
其中，FWHM 是指衍射峰在背景与峰顶之间半高处测得的以弧度为单位的宽度，通常称为半高宽（full-width at half-maximum，FWHM）；θ 为衍射角；λ 为 X 射线波长（1.542 Å）；K（Scherrer 常数）是一个无量纲数，可提供有关晶体形状的信息（在缺乏详细形状信息的情况下，K = 0.9 是一个良好的近似值）。请注意，Scherrer 公式可用于估算最大约 100 nm 的平均晶体尺寸，因为峰展宽与晶粒尺寸成反比。因此，该方法适用于测定纳米片层的厚度，并间接推断聚集的片层数量。在药物制剂开发中利用这一广为人知的方法筛选脂质晶体特性及其对产品性能相应不稳定性影响的示例，可参见文献5,12,16,17,18。
通过成熟可靠的分析技术监测LBEs在各个发育阶段的固态特性，为设计高性能的生产工艺和稳定的脂质基药物产品提供了一种有效策略。
本出版物重点介绍了对脂质包衣活性药物成分（API）晶体为基础的多颗粒系统，采用全面的固态分析方法对液态脂质载体（LBEs）进行关键性应用，以监测其固态变化及其与药物剂型中活性药物成分释放行为改变之间的关联。 通过 热熔包衣，以及产生的纳米脂质悬浮液 通过 以高压均质化为案例进行研究。本文重点探讨粉末X射线衍射和差示扫描量热法作为分析工具的应用。前两个示例分别展示了多晶型转变和晶体生长对包衣样品中活性药物成分释放特性的影响。最后一个示例揭示了脂质在固态下的稳定性与其在脂质包衣多颗粒系统及纳米脂质悬浮液中制剂性能稳定性之间的关联。
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方案
1. 差示扫描量热法（DSC）
- 仪器准备
- 使用配备有内冷却器、自动进样器以及用于仪器控制和数据分析软件的差示扫描量热仪。
- 打开氮气供应，将压力调节至0.2–0.5 bar，并启动DSC仪器和自动样品更换装置。
- 打开软件，点击是按钮激活待机模式。让设备平衡至少一小时。
- 用氮气吹扫炉膛，点击“新建方法”图标并进入方法定义界面。在概览窗口中激活温度调制选项。 进入标题选项卡，通过点击“样品”来选择方法。
- 进入“温度程序”选项卡，选择Purge 2 MFC和Protective MFC，两者流速均设为50 mL/min。
- 输入以下测量方法：在20 °C下待机，以5 K/min的升温速率从20 °C加热至脂质熔点以上，于该温度下恒温保持5分钟，再以5 K/min的冷却速率从该温度冷却至-20 °C，紧急复位温度设为程序中最高温度以上10 °C，最终待机温度为20 °C。
- 进入校准选项卡，选择合适的温度和灵敏度文件。保存该方法。
- 样品制备与测量
- 将每种样品3–4 mg称量至铝坩埚中。记录每个坩埚中的精确质量，并用带孔盖密封铝坩埚。
- 将坩埚放入自动进样器托盘中，在软件中启动自动进样模式，并为每个样品加载相应的方法。
- 在“样品托盘视图”窗口中填写每个样品的位置、样品名称、重量以及参比坩埚的位置，然后开始测量。
- 数据分析
- 使用数据分析软件打开原始数据，点击“X-时间 / X-温度”按钮，绘制温度与热流的关系图。
- 在弹出的窗口中，点击“隐藏等温段”。在屏幕左侧仅选择需要分析的曲线（例如，取消勾选“附加”数据）。
- 根据温度变化，分别以吸热和放热事件的形式检查脂质的热行为，即吸收或释放热量所对应的能量变化。
- 点击曲线，随后选择“评估”和“面积”，计算熔融焓，即吸热峰曲线下面积。
- 通过移动垂直线，将积分边界设定在峰起始点和终点前后约2至3 °C范围内。
- 为峰积分选择线性基线。曲线与基线之间的面积与焓变呈正比。点击“应用”完成计算。类似地，通过计算放热峰曲线下面积得到结晶焓。
- 通过点击待分析曲线，然后选择“评估”和“起始点”，确定熔融起始温度（To）。
- 通过移动垂直线至曲线上最平直的部分来设定定量分析边界。通常位于峰前后5–10 °C范围内。然后，点击待分析曲线，选择“评估”和“峰”，确定熔融温度。所得数值为峰的最大值。
2. 小角与广角X射线散射（SWAXS）
- 仪器准备
- 使用一台X射线散射系统，该系统由固定在封闭式X射线发生器上的点聚焦相机组成，并配备控制单元及相关软件。
- 使用铜靶（λ = 1.54 Å）作为X射线源，工作条件为50 kV和1 mA，并采用两个线性排列的高灵敏度探测器，以同时覆盖小角和广角X射线散射区域。
- 确保安全要求，以防止受到X射线辐射。
- 打开控制单元上的冷却水系统、真空泵、气体阀门以及电源和安全控制系统。
- 打开检测器的电压控制和吹扫阀，调节气体流速至10–20 mL/min。
- 打开X射线管和待机选项，等待约10分钟。关闭待机模式，将X射线管功率升至满功率（>50 kV）并等待至少30分钟。
- 启动控制软件，点击“RESET TPF”。选择钨滤光片并设置位置，然后进入“Position”以固定钨滤光片的位置。
- 样品制备与测量
- 确保样品呈细粉状。如有必要，可在低温条件下轻轻研磨样品，以获得细粉。
- 将样品填充至外径约为2 mm的专用玻璃毛细管中，避免毛细管内混入气泡。用石蜡密封玻璃毛细管，并小心放入毛细管架中。
- 打开样品旋转电机，关闭真空阀，直至压力低于5 mbar。
- 在软件中，通过选择1024的位置分辨率来固定测量设置。将曝光时间固定为1200 s。
- 通过点击工具选项卡，然后点击能量和分辨率，再点击重启来设置能量范围。将能量范围设置为400-900之间的合适数值。
- 打开安全快门并开始测量。确保测量窗口显示的计数每秒不超过80次。若未满足此条件，需调整滤光片位置。
- 数据分析
- 将数据导出为 p00 文件。数据包含透射和吸收强度随通道号及衍射角的变化。
- 将数据转移至统计分析软件，并利用钨滤光片测得的散射质量对强度进行归一化校正。
- 绘制归一化强度与两倍衍射角（2Θ）的关系图。
- 使用“屏幕阅读器”功能在SAXS和WAXS区域中寻找衍射峰。
- 将布拉格方程应用于计算WAXS和SAXS区域中分别对应短和长d间距的最强衍射峰。
- 通过计算SAXS区域峰位的比值，确定脂质的晶体对称性（如层状、六角状、立方状）。
- 利用SAXS区域的主衍射峰来量化晶粒厚度（D）。将该峰拟合为高斯函数 通过 经典最小二乘法，通过点击“分析”、“峰与基线”、“峰分析器”、“打开对话框”来获取半高宽（FWHM）。
- 在弹出的窗口中，选择“Fit Peaks Pro”选项。选择 y = 0 的恒定基线，然后选择 SAXS 区域的主衍射峰，单击“Fit control”以设置峰拟合参数。
- 选择 GaussAmp 函数。将参数 y_0、xc_1 和 A_1 设为固定值，通过拟合得到半高全宽（FWHM）。利用 Scherrer 方程计算晶粒厚度。
3. 溶出度测试
- 包衣多颗粒系统中的API释放
- 使用USP装置2（桨法）进行溶出度研究。
- 将溶出度测试容器中加入 pH 6.8 的磷酸盐缓冲液，并加热至 37 °C。
- 称取三份相当于单剂量活性药物成分（API）的包衣颗粒样品，分别置于溶出度测试容器中。
- 以100 rpm的转速启动搅拌桨。
- 将自动进样器设置为在以下时间点采集1 mL样品：30 min、60 min、90 min、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、18 h和24 h。
- 分析样品 通过 一种合适的高效液相色谱方法5,7,17.
- 通过绘制累积API释放量随时间变化的曲线来分析数据。
- 在长期（25 °C，60% 相对湿度）和加速（40 °C，70% 相对湿度）条件下对储存样品进行实验。
- 固体脂质纳米粒中活性药物成分的释放
- 通过将0.02%（w/w）的二棕榈酰磷脂酰胆碱溶解于杜氏磷酸盐缓冲液（D-PBS）中制备模拟肺液（SLF），其成分为：KCl（2.683 mM）、KH2PO4 （1.47 mM），NaCl（136.893 mM），Na2HPO4·2H2O（8.058 mM），CaCl2·2H2O（0.884 mM）和 MgCl2·6H2O（0.492 mM）。在37 °C下预热。
- 每个样本使用三份截留分子量为7,000 Da的纤维素透析袋。
- 为每个采样时间点分配一个透析盒：0.5 h、1.5 h、3 h、5 h、7 h 和 24 h。将透析盒浸入 SLF 中 2 min 以充分水化。然后用柔软的纸巾小心擦干其表面。
- 向每个卡盒中注入3 mL样品（脂质纳米混悬液），相当于600 µg的地塞米松。
- 将每个样品盒浸入200 mL SLF中，于37 °C（沉降条件）下以125 rpm转速搅拌系统。
- 在每个预定的采样时间点，使用注射器从盒内取200 mg样品。
- 使用所建立的HPLC-MS方法测定API含量18.
- 根据质量平衡法计算SLN释放的API量18，简而言之，即SLN中API的总量与取样后剩余API量之间的差值。
- 对储存的样品重复该步骤。
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结果
脂质多晶型转变与包覆型活性药物成分晶体释放行为的相关性：
甘油单硬脂酸酯包衣的API晶体的测定 通过 DSC 和 X 射线在涂层后立即检测以及加速储存条件下保存 3 个月后检测40 °C，75% 相对湿度）7单硬脂酸甘油酯是一种多相体系，含有40%-55%的单甘油酯、30%-45%的二甘油酯和5%-15%的甘油酯，主要为三硬脂酸甘油酯19单硬脂酸甘油酯的亚-α、α、β' 和 β 多晶型已被报道20三硬脂酸甘油酯和1,2-二硬脂酸甘油酯均呈现α、β'和β三种多晶型态14.
T0 样品及在加速条件下储存的样品的 DSC 数据如图 3A所示。T0 样品的加热循环显示出一个宽的吸热事件，持续至 10 °C，可归因于文献中报道的 1-单硬脂酸甘油酯和 1-单棕榈酸甘油酯的可逆亚α/α相...
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讨论
粉末X射线衍射和差示扫描量热法在本文中被描述为液态生物提取物固态分析的金标准。粉末X射线衍射在测量处理方面具有显著优势 原位，且在测量过程中对样品的固态操作最少。此外，同一批填充的毛细管在初始测量后可在不同条件下储存，以研究储存期间的固态变化。本研究聚焦于X射线的广角和小角区域，使我们能够获得尺寸高达约100 nm的结构数据。
超小角X射线散射（USAXS）可用于追踪晶粒纳米片（CNP）在较大尺度下的聚集行为和晶体生长过程。该方法已在特定体系中成功应用于分析尺寸约为100至1,000 nm范围内的CNP15,26,27。对液体体系中脂质晶体的表征需要更高的分辨率，通常采用同步辐射并提供更高强度的X射线通量来实现此类表征28。同步辐射X射线衍射和小角中子散射（SANS）是表征液晶及多层自乳化体系（如脂质体）的有力工具，但这些内容不在本...
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披露
作者公开所有利益冲突。
致谢
研究型制药工程中心（RCPE）由奥地利联邦气候保护、环境、能源、交通、创新和技术部（BMK）、联邦数字和经济事务部（BMDW）、施蒂利亚州政府以及施蒂利亚促进基金会（SFG）通过COMET——卓越技术 Competence Centers 计划资助。COMET 计划由奥地利科研促进署（FFG）负责管理。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CaCl2·2H2O | Sigma-Aldrich | 223506 | |
| 截留分子量为7000 Da的纤维素膜透析袋，Thermo Scientific Slide-A-Lyzer 7K | Fisher Scientific Inco, 美国 | ||
| X射线系统控制软件 | HECUS 专用房屋设备 | ||
| X射线系统控制单元 | HECUS 专用房屋设备 | ||
| 差示扫描量热仪（DSC）铝制坩埚和盖子 | 德国耐驰 | ||
| 差示扫描量热仪 DSC 204 F1 Phoenix（NETZSCH，德国） | 德国耐驰 | ||
| 二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC） | Sigma-Aldrich | 850355P | |
| 溶解度桨法装置 II，Erweka DT 828 LH | 德国朗根，Erweka GmbH | ||
| Dynasan 116 | IOI OLEO | 三棕榈酸甘油酯 | |
| 格尔油 | 加特福斯 | 单硬脂酸甘油酯 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | 529552 | |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P0662 | |
| Kolliphor P 188 | BASF 化学品贸易 | 泊洛沙姆 188 | |
| MgCl2·6H2O | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| Na2HPO4·2H2O | Sigma-Aldrich | S9763 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Netzsch DSC 204F1 软件版本 8.0.1 | 德国耐驰 | 6.239.2-64.51.00 | |
| Origin Pro（OriginLab，Northampton，MA）（统计软件） | OriginLab，马萨诸塞州北安普顿 | ||
| Proteous Analysis Software | 德国耐驰 | ||
| Tween 65 | 聚山梨酯65 | ||
| Witepsol PMF 1683 | IOI OLEO | 硬脂酸/棕榈酸部分酯化的甘油三酯 | |
| Witepsol PMF 282 | IOI OLEO | 硬脂酸二甘油酯 | |
| 由点聚焦相机和两个线性排列的灵敏探测器组成的X射线HECUS系统 | HECUS 专用房屋设备 |
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