粉体特性对定量灌装性能的影响

美国麦克仪器 2020-08-13 | 阅读：1677

粉雾剂（DPI）通过患者主动吸入的方式向肺部深处递送给定剂量的药物活性成分（API）。常用辅料为乳糖，与API混合制备得处方后经气流作用从胶囊、泡罩或装置中分散进入肺部，通常API小颗粒沉积于肺泡，乳糖大颗粒截留于喉部随后吞咽。在混合、填充和药物释放的过程中，乳糖特性很大程度上影响了DPI的性能。

确定粉体或混合物的特性，确保生产出质量均匀的胶囊，从而优化处方，在整个生产过程中避免操作涉及的成本和时间问题，有助于减少含量均匀度较差和重量变化较大的问题。

优化加工性能

通过定量器（Lab Dosator, 3P Innovation, Warwick, UK）灌装五种不同粒径分布的乳糖粉体，可以选用四种不同的出口（从定量器1到定量器4出口尺寸依次减小）。胶囊灌装的目标质量为50mg，理论相对标准偏差RSD<2%。每种乳糖与定量器组合的RSD值如表1中所示。

	D₅₀粒径范围，μm	定量器1	定量器2	定量器3	定量器4
乳糖1	180-250	2.27	2.4	2.06	0.89
乳糖2	110-155	3.77	1.54	1	1.08
乳糖3	70-110	1.84	0.85	0.79	0.56
乳糖4	40-70	1.34	2.02	2.13	4.41
乳糖5	4-11	3.76	7.05	7.59	8.32

表 1：五种乳糖样品在定量器中的性能表现，表示为%RSD。

FT4粉体流变仪™

FT4粉体流变仪™，作为通用粉体测试仪，提供全自动、可靠、全面的粉体性质表征。该信息可与加工经验关联，提高生产效率并且有助于质量控制。专注于测量粉体的动态流动特性，除此之外还提供了剪切盒，以及包含密度、可压性和透气性等整体性质的测试能力，从而全面表征与工艺相关的粉体性能。

动态测试采用独特的测量技术来确定粉体的流动阻力。特殊形状的桨叶沿着既定的路径穿越精确体积的粉体。当桨叶轴向移动和旋转时，作用于其的阻力和扭矩，组合产生总流动能值[1]。

充气：量化颗粒间粘结作用

充气测试评估了递增的气流速度对粉体流动性的影响，可以通过充气能（AE）来量化——即在给定的气流速度下，空气通过粉体时建立流动模式所需的能量。

图1：充气测试曲线说明充气的敏感性不同。

	充气能AE₂，mJ
乳糖1	2395 (±7%)
乳糖2	1500 (±1.7%)
乳糖3	725 (±6.1%)
乳糖4	180 (±3.5%)
乳糖5	410 (±5.6%)

表2：2mm/s气流速度下的充气能（AE2）

图1和表2所示数据表明，乳糖1对充气最不敏感，可能是乳糖本身的透气性较好。乳糖5的曲线说明粉体粘性较强，在10 mm/s的气流速度下仍然具有较高的流动能。然而，乳糖2到乳糖4的粘性都较小。乳糖1和乳糖5的AE2差异最大，下文将进一步分析。

比流动能：量化颗粒间摩擦和机械互锁

比流动能（SE）量化了颗粒在无约束状态下相对运动的阻力。形状不规则和表面粗糙的颗粒倾向于相互锁合，形成暂时的机械桥接。

较高的SE值表明机械互锁程度较大，降低了粉体在无约束条件下的流动能力，从而对于灌装操作产生影响。

图2：比流动能表明不同程度的机械互锁和颗粒间摩擦作用。

图2列出了五种乳糖粉体的比流动能结果。其中乳糖5的比流动能最大，乳糖2的比流动能最小。

工艺性能解释

针对上述参数的介绍都为不同定量器中表现的差异提供了清晰的见解。

定量器1：

• 乳糖3和乳糖4在最大的定量器中表现性能可接受（RSD<2%）。

• 两种粉体都产生了较低的AE2值，表明他们对充气更敏感，并且颗粒间粘结力较小。

• 虽然乳糖5的AE2值也在范围内，但SE值高得多，表明机械锁合程度更大。

• 对于该定量器，性能优异的粉体AE2和SE均较低。

定量器2和定量器3：

• 在这两种定量器中，乳糖2和乳糖3的性能最佳。

• 两种粉体的SE值最低，表明颗粒间摩擦和机械互锁程度最低。

• 乳糖1和乳糖4都表现性能可接受，但前者具有较高的AE2，后者具有较大的SE，也可能抑制其表现。这说明需要多元方法，单一性能难以决定加工行为。

• 与定量器1类似，具有较低SE和AE2的粉体性能也最佳，其中较低的SE是必需条件，定量器能够容忍较高的AE2。

定量器4：

• 乳糖1、2、3在最小的定量器中都表现性能可接受。

• 三种粉体均产生较低的SE值。

• 充气敏感性对该定量器性能的影响较小。

结论

为了确保最佳的定量灌装性能，必须根据所用粉体的特性选择适合的定量器。研究表明，不同乳糖粉体的定量性能随出口尺寸变化。通常情况下，SE和AE2值较低的粉体在过程中表现较好，但随着定量器的尺寸减小（从定量器1到4），AE2的影响减小，同时SE的影响增大。出口较大的定量器有助于出口处与空气最大程度地相互作用，减少物理作用的影响，并使得充气敏感性的影响加大。相比之下，出口最小的定量器与空气相互作用的机会较少，增加了物理相互作用，在这些情况下SE更具影响力。

FT4的多元测试方法适用于表征工艺相关的粉体性能，这些性能将影响不同定量器中粉体的剂量，通过测量与加工表现相关的性能得以实现。这一相关性可用于构建粉体性能的设计空间，并与加工工艺相关联，可用于预测加工行为，从而评估新配方以及输入和输出批次。

[1] Freeman R., Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders – A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell. Powder Technology, 25-33, 174, 1-2, 2007

关于麦克仪器公司

麦克仪器公司是提供材料表征解决方案的全球领导厂商，在密度、比表面积及孔隙度、粒度及粒形、粉体表征、催化剂表征及工艺开发等五个核心领域拥有仪器和应用技术。

麦克仪器公司成立于1962年，总部位于美国佐治亚州诺克罗斯，在全球拥有400多名员工。公司同时具备丰富的科学知识库和内部生产制造，为石油加工、石化产品和催化剂、食品和制药等多个行业，以及下一代材料例如石墨烯、MOF材料、纳米催化剂和沸石等表征提供高性能产品。公司设有Particle Testing Authority（PTA）实验室,可提供商业测试服务。

战略收购富瑞曼科技有限公司（Freeman Technology Ltd）和PID公司(PID Eng & Tech)，也反映公司一直致力于在粉体和催化等工业关键领域提供优化、集成的解决方案。