掃描電鏡對于藥物分析的重要性

發(fā)布時(shí)間： 2021-11-26　　點(diǎn)擊次數： 1567次

藥物的合成與工藝的選擇是藥物研發(fā)的關(guān)鍵流程，合格的藥物在初篩階段，便需要一系列的表征。而在所有藥物中，超過(guò) 80% 的藥物活性組份 API（原料藥）及其藥物產(chǎn)品是以固態(tài)形式開(kāi)發(fā)的，原料藥需要與輔藥結合才能獲得最終的藥物制劑。掃描電鏡技術(shù)近年來(lái)已被廣泛應用于材料，生物等科研及工業(yè)領(lǐng)域的研究，用于解析物質(zhì)微觀(guān)結構與性能的關(guān)系。掃描電鏡采用電子束作為信號源，可以提供納米級的分辨率，較為真實(shí)的反映藥物制劑的微觀(guān)結構以及成分分布信息。

隨著(zhù)臺式掃描電鏡的普及與發(fā)展，傳統電鏡體積大，操作復雜的缺點(diǎn)得到克服，藥物分析的方案也更有針對性。飛納電鏡一直致力于推廣臺式掃描電鏡，在 2018 年推出了臺式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，在 2020 年推出了全新的第六代 UI 界面，將電鏡性能以及便捷性都提升到更高的 level。更是在 2021 年參與國家藥典委員會(huì )藥品標準修訂四部相關(guān)研究：理化分析掃描電子顯微鏡法，讓掃描電鏡在藥物分析中得到更多的應用。

藥物制劑一般由原料藥（API）和原料輔藥組成，二者的有效結合是決定藥物吸收效果的關(guān)鍵。一般而言，原料藥既需要足夠的吸附性與分散性，也要保證在使用環(huán)境下能夠及時(shí)釋放脫附。因此，通過(guò)對藥物進(jìn)行掃描電鏡分析，不僅可以對藥物顆粒粒徑及形貌進(jìn)行分析，更可以判斷輔料對 API 顆粒的吸附效果。

利用掃描電鏡分析輔料和有效成分藥物結合情況

藥物制劑吸附效果評估（案例）

以吸入干粉制劑（dry powder inhalation，DPI）為例，DPI 指微粉化藥物或載體以膠囊、泡囊或多劑量貯庫形式，采用特制的干粉吸入裝置，由患者主動(dòng)吸入霧化藥物至肺部的制劑。而制劑的關(guān)鍵在于實(shí)現藥物有效成分與載體形成微妙的平衡，即足夠的吸附力以及及時(shí)的脫附。

· 表面結構對于吸附的影響

首先，載體藥物表面結構可能差異較大，有效成分與載體的結合既要考慮物理化學(xué)吸附模型，也要研究載體表面結構對于吸附的影響。一般而言，表面較為粗糙，凹陷的表面更有利于大量藥物的吸附與停留，復雜的表面結構很難用理想吸附模型評估。以乳糖載體為例，顆粒易結晶，形成不規則的顆粒，對于藥物載量會(huì )有較大影響，下圖展示了同批次樣品中兩種形態(tài)不同的載藥乳糖顆粒，在尺寸相近的情況下，不規則顆粒表面凹陷較少，因此載藥量明顯比球型顆粒少。

乳糖載體結構對于藥物負載量的影響（球型以及不規則顆粒表面藥物的分布）

· 元素分析

載體輔藥表面復雜的溝道不僅影響有效成分的負載量，也會(huì )影響其分布，根據載藥與載體成分的差異，利用能譜分析技術(shù)可以在掃描電鏡中直接獲得有效成分在載體表面的分布信息。如下圖案例，某種原料藥含有 N，P 元素，而載體沒(méi)有，因此在使用掃描電鏡進(jìn)行元素分析后，可以得到原料藥在載體表面的分布情況。從測試結果可知，紅色的 N 元素集中分布在載體的部分區域，根據電鏡高倍觀(guān)察結果，可說(shuō)明凹陷區域更容易負載藥物。

原料藥在輔藥表面的凹陷區域分布更密集

· API 脫附模擬

在 DPI 作用的過(guò)程中，有效成分會(huì )被載體運載至特定的位置后脫附釋放，因此，可以簡(jiǎn)單的利用高速氣流模擬脫附條件，再利用掃描電鏡進(jìn)行觀(guān)察，判斷有效成分在表面的吸附效果，結合力過(guò)強或過(guò)弱都不利于發(fā)揮最佳效果。從下圖的結果可知，高速氣流吹掃后，有效藥物成分在微球表面的吸附明顯減少，證明發(fā)生了良好的脫附釋放，有利于藥效釋放。

氣流脫附后對比有效成分的吸附情況

包衣層分析（案例）

包衣是片劑以及成品藥*的部分，而包衣的厚度，均勻性以及包裹情況都會(huì )影響制劑的最終效果。而在飛納場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下，可獲得包衣層厚度信息以及包裹效果，利用電鏡自帶的標尺功能，可以對包衣層厚度的均勻性進(jìn)行測量。對于仿制藥的追蹤與還原，電鏡分析也是必要的步驟。

包衣層不同區域的厚度分析

藥物顆粒統計分析

粒度分析儀只能間接獲得粒度分布信息，而飛納電鏡的粒度分析功能可以直接對樣品中的顆粒進(jìn)行分析統計，輸出完整的粒度分布及形貌，成分信息。這對于分析藥物性能與顆粒性質(zhì)之間的關(guān)系具有深遠意義。

藥物顆粒的統計分析

對于包覆處理的藥物，由于包覆成分與未包覆藥物有較大差異，在背散射模式下會(huì )有明顯的亮度對比度差別，因此利用顆粒分析統計系統可有效識別包覆程度。

包覆顆粒會(huì )被顆粒識別系統自動(dòng)識別

不噴金低電壓觀(guān)察（案例）

傳統方案的弊端：由于藥物成分大多為有機化合物，導電性差，通常的解決方案是利用離子濺射的方式在樣品表面噴金或鉑，增強導電性。但該方法產(chǎn)生的高能粒子可能會(huì )造成藥物損傷，改變表面形貌特征，但如果不進(jìn)行噴金，拍攝效果卻不盡如人意。此外，雖然高加速電壓是獲得較高分辨率的一個(gè)途徑，但高電壓下電子束較高的穿透性不利于觀(guān)察藥物表面粒徑只有 2-3 um 左右的小顆粒，且在不導電的樣品表面更容易產(chǎn)生電荷積累，導致拍攝效果不佳。因此，低電壓下拍攝是還原藥物表面真是形貌的必要條件，但傳統鎢燈絲很難提供令人滿(mǎn)意的低電壓拍攝效果。

鎢燈絲電鏡不噴金觀(guān)察導致樣品表面荷電

飛納電鏡方案：飛納電鏡的三倉分離技術(shù)可以有效降低樣品表面荷電效應，在不噴金的條件下也能得到較高的拍攝效果。這是因為飛納電鏡的 CeB₆ 晶體燈絲可以提供遠超鎢燈絲的亮度以及穩定性，即使在低電壓下也能獲得較好的分辨率。而飛納的臺式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡更可以提供 2.2nm 的分辨率，輕松實(shí)現不噴金低加速電壓拍攝。