2022, Vol. 57
2. 浙江大学化学系, 浙江 杭州 310028
2. Chemistry Department, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China
“热胀冷缩”是自然界中常见的一种现象, 被认为是物质的一种基本属性。但是该现象是现代许多应用领域公认的一个缺点, 例如, 在电子电路领域, 电子元器件中的芯片和印制电路板在冷热交变环境中运行会因异质材料热响应的不匹配, 而出现焊点开裂失效[1, 2]; 在航空航天领域, 材料的热胀冷缩导致卫星相机精度的严重损失, 也会对空间望远镜中光的传输精度和光路的准直产生影响[3, 4]。因此, 材料的热膨胀性能成为材料设计中重点关注的因素。近年来, 学者们发现有一小部分材料出现反常的“热缩冷胀”现象, 称之为“负热膨胀材料”[5]。负热膨胀材料的出现为消除材料热膨胀在实际应用方面带来的影响提供了解决方案[5, 6]。
然而大多数热膨胀研究都集中在无机化合物和金属氧化物, 对纯有机化合物的研究相对较少[7-11], 在制药领域, 对活性药物成分(active pharmaceutical ingredient, API) 的热膨胀研究更是鲜有提及。晶型药物中晶体结构及分子堆积方式的不同导致了不同晶型间分子相互作用强弱、晶面间距和晶面附着能等参数的差异[12], 导致晶体粒子在受到热刺激时发生不同程度的晶面滑移、错位移动, 表现出不同热膨胀特性, 其中, 沿着特定的滑移面产生相对滑移是晶体热膨胀的重要原因[13]。“黏冲”现象是在大规模片剂制造过程中经常遇到的一个难题, 从微观角度, 黏冲的典型理论是“黏附力比内聚力要强”[14], 即API制成的颗粒与冲头表面黏结力大于API与API、API与辅料之间的黏结力。药物晶体显著的热膨胀性对片剂开发过程有着深远的影响, 尤其是高剂量药物, 在长期高速压片过程中, 晶体粒子可能处于非等温制造环境, 对于热膨胀显著的晶体粒子, 当热刺激消失后, 晶体发生收缩并回到热刺激前的状态, 晶体粒子间的内聚力(或结合力) 降低, 表现出“黏冲”、“麻面”、“缺边”等较差的可压性。通常, 制剂研究人员从两方面尝试改善黏冲现象, 一方面是减小API和冲头之间的作用力, 例如, 增加润滑剂的用量, 延长混合时间, 改变冲模表面的涂层材料等; 另一方面是增加API与API、API和辅料之间的作用力, 例如, 选择黏性较好的黏合剂或增加其比例, 增加润滑剂用量等。通过深入理解黏冲的分子机制(晶体的机械性质与表面化学) 将有助于采用更为高效的方法来解决“黏冲”现象[15]。因此, 对晶型药物的晶体热膨胀研究需要引起广泛的关注和足够的重视。
布瓦西坦(brivaracetam, 图 1) 为左乙拉西坦结构衍生物, 是一种钠通道拮抗剂, 由比利时优时比公司研发, 主要通过与突触囊泡糖蛋白2A结合发挥抗癫痫作用[16]。2016年, 欧盟委员会和美国FDA批准布瓦西坦用于16岁及以上年龄的癫痫部分发作(伴或不伴继发性全身性发作) 患者的辅助治疗, 为使用目前治疗药物后仍经历癫痫发作的患者提供一种新的治疗选择[17]。
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Figure 1 The chemical diagram of brivaracetam |
布瓦西坦存在多晶型现象, 包括晶型Ⅰ、晶型Ⅱ、晶型C和倍半水合物晶型, 其中, 晶型Ⅰ是稳定晶型, 作为药用晶型应用于临床[18-20]。专利CN 201080005399指出, 布瓦西坦是极为黏性的化合物(黏附能力)[21]。作者在研究过程中也发现, 布瓦西坦晶型Ⅰ的粉末流动性很差, 在压片过程中极易引发“黏冲”现象[22]。针对这一现象, 本文采用X射线单晶衍射和变温X射线粉末衍射技术对布瓦西坦晶型Ⅰ的热膨胀特性进行了研究, 对不同温度下晶胞堆积结构及其与热膨胀特性之间的关联展开了分析, 探讨了晶体结构对其热膨胀行为的影响机制, 以期从分子层面解释布瓦西坦的“黏冲”现象, 为晶型药物的热膨胀性能研究提供基础数据。
材料与方法试药 布瓦西坦(批号: 1902221, 纯度＞99.0%), 浙江京新药业股份有限公司; 异丙醚(批号: 20190701, 分析纯), 天津永大化学试剂有限公司。
样品制备 将布瓦西坦100 g加入600 mL异丙醚中, 加热至50 ℃搅拌至溶清后, 搅拌0.5 h, 缓慢降温至0~10 ℃, 过滤, 湿品于35 ℃下真空干燥过夜, 得到布瓦西坦晶型Ⅰ。将适量的布瓦西坦溶解在异丙醚中配成近饱和溶液, 置于室温下数天后获得大小合适的单晶。
变温X射线粉末衍射(variable temperature X-ray powder diffraction, VT-PXRD) 将样品置于玻璃样品板上制样, 在SmartLab X射线粉末衍射仪(日本理学Rigaku公司) 上以CuKα射线(λ = 1.540 59 Å) 为辐射源进行数据采集。使用一维阵列探测器, TTK60中低温原位样品台, 管电压40 kV, 管电流180 mA, 2θ扫描范围在3~30°, 步宽0.02°, 扫描速度为5°·min-1。变温程序为: 从298 K开始进行第一次扫描, 然后升温至323 K扫描一次, 再分别降温至298、273、223、173和123 K扫描一次, 再升温至298 K扫描一次, 每次扫描前保温2 min, 整个过程的升降温速率控制在10 K·min-1。从所得数据用MDI-Jade version 7.5.1软件处理。
X射线单晶衍射(X-ray single crystal diffraction, SXRD) 取尺寸大小为0.50 mm × 0.20 mm × 0.30 mm的布瓦西坦单晶, 置于Bruker APEX-Ⅱ CCD单晶X射线衍射仪(德国Brucker公司)上, 分别在170、223和296 K温度下用Mo Kα射线(λ = 0.710 7 Å) 进行数据采集。用ShelXT 97和ShelXL 97软件进行结构解析和修正[23, 24]。用Olex2[25]和Mercury[26]软件获得结构图。用PASCal[27]程序计算了热膨胀系数和主膨胀轴的方向。
理论计算 采用CrystalExplorer 21.5软件[28], 以B3LYP/6-31G(d, p) 波函数水平, 指定一个布瓦西坦分子, 将该分子周围3.8 Å距离内所有分子作为相互作用能量分析对象, 进行相互作用能的计算和分析, 可以得到的相互作用能主要包括4种: 静电能(Eele)、极化能(Epol)、色散能(Edis) 和排斥能(Erep)。总相互作用能(Etot) 可由如下公式计算: Etot = keleEele + kpolEpol + kdisEdis + krepErep。其中kele = 1.057, kpol = 0.740, kdis = 0.871, krep = 0.618[28, 29]。最后, 通过圆柱体表示分子间相互作用能(圆柱体半径与作用能大小成正比), 构建布瓦西坦晶型Ⅰ晶体结构“能量框架”。能量框架中比例因子为100, 相互作用能量小于2 kJ·mol-1被忽略。
结果与讨论 1 VT-PXRD分析基于VT-PXRD技术, 对布瓦西坦晶型Ⅰ进行变温扫描, 结果如图 2所示。从图 2中可以看出, 随着温度升高, bc方向的衍射峰向低角度方向偏移, 而且各个晶面偏移的程度各不相同, 其中以(10-2) 晶面所对应的衍射峰位移最显著, 在123~323 K的升温过程中(10-2) 晶面向低角度偏移了约0.57°, 晶面间距d值由4.52 Å变为4.65 Å。其他偏移比较明显的衍射峰为(001) 晶面及其二级衍射(002) 晶面、三级衍射(003) 晶面, (011) 晶面及其相关的(012) 晶面和(013) 晶面, d001由9.86 Å膨胀至9.98 Å, d011由5.86 Å增大至5.90 Å; 说明晶体在温度变化过程中, b轴和c轴方向发生热膨胀。但随着温度升高(由123 K升至323 K), 在a方向发生负膨胀, d100由8.93 Å收缩至8.81 Å。当晶体温度重新回到298 K后, 布瓦西坦晶型Ⅰ的衍射图谱与原始图谱一致, 说明布瓦西坦晶型Ⅰ具有可逆的热膨胀特性。晶体在升降温的过程中除了衍射峰沿特定方向偏移外, 没有发生其他变化, 说明布瓦西坦晶型Ⅰ在123~323 K的热作用下没有发生晶型转变, 仅是晶胞发生了热膨胀和收缩。这一结果也与差示扫描量热法检测结果一致, 低于该熔点温度时, 布瓦西坦晶型Ⅰ具有良好的稳定性, 不发生吸热、放热现象。
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Figure 2 Variable temperature X-ray powder diffraction (VT-PXRD) diagram of brivaracetam form Ⅰ |
SXRD分析表明, 在不同温度下, 布瓦西坦晶型Ⅰ都属于单斜晶系, P21空间群, 其最小不对称单元中含有1个布瓦西坦分子(图 3A), 分子间通过N-H···O氢键连接, 形成沿ab方向无限延伸的二维氢键网络(图 3B)。这样的氢键网络在三维空间进行无限堆叠, 相邻的分子层之间没有典型的氢键链接, 只靠分子间作用力堆积而成(图 3C、D), 整体构成一个典型的层状结构。
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Figure 3 The asymmetric unit of brivaracetam form Ⅰ (A), two-dimemsional hydrogen-bond networks (B) and crystal packing of brivaracetam form Ⅰ, looking down from b-axis direction (C) and a-axis direction (D) |
将不同温度下的晶胞参数值(结晶学参数表见表 1), 以温度为函数作图, 并进行拟合, 结果如图 4所示。从图中可以明显地观察到, b轴和c轴随着温度的增加而明显的增加, 表现为线性正膨胀, 而a轴随着温度的增加而明显减小, 表现为线性负膨胀。通过X射线单晶衍射法测定不同温度下晶体的晶胞参数, 进行拟合计算, 可以得到最准确的热膨胀系数。本文中将布瓦西坦晶型Ⅰ的晶胞参数值用PASCal程序计算得到了最准确的热膨胀系数和主膨胀轴方向(表 2), 结果显示, 膨胀轴方向基本与晶胞轴方向保持一致, 具有显著的各向异性热膨胀(图 5)。整体的晶胞体积则表现出线性正膨胀的特性, 体积热膨胀系数为2.021 7×10-4 K-1, 晶体密度降低了0.028 g·cm-3。
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Table 1 Crystallographic data of brivaracetam form Ⅰ. a, b, c: Crystallographic axes; CCDC: Cambridge crystallographic data centre |
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Figure 4 Change of crystallographic axes with temperature |
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Table 2 Principal coefficients of thermal expansion and corresponding principal axes determined for brivaracetam form Ⅰ. Xi (i = 1, 2, 3): Principal axes of thermal expansion. V: Volume thermal expansion. α: Coefficients of thermal expansion |
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Figure 5 Expansivity indicatrix along the principal axes X1, X2 and X3. Negative thermal expansion is shown in red and positive thermal expansion is in green |
利用CrystalExplorer 21.5软件从理论上系统地分析布瓦西坦晶型Ⅰ中分子间的作用方式和作用能大小。结果显示, 布瓦西坦晶型Ⅰ晶体结构中单个布瓦西坦分子周围存在7种不同的相互作用能, 其中, 布瓦西坦分子与最接近的分子由于酰胺基团间形成较强的氢键(N1-H1A···O1和N1-H1B···O2) 而具有最大的总相互作用能, 且随着温度的升高, 相互作用能从170 K的-54.4 kJ·mol-1下降至296 K的-42.7 kJ·mol-1, 说明氢键随着温度的升高有所减弱。经过CrystalExplorer 21.5软件综合分析, 在296 K时布瓦西坦晶体结构中单个布瓦西坦分子与周围分子的总相互作用之和为-232.8 kJ·mol-1, 而在170 K时, 增加至-280.0 kJ·mol-1, 说明晶体结构的相互作用能随着温度的升高而降低。
应用CrystalExplorer 21.5软件能量框架模块, 将布瓦西坦分子间相互作用能按一定比例圆柱体表示, 得到布瓦西坦晶型Ⅰ的能量框架图 6。整体能量框架显示为平行的层状空间结构, 同一层的分子间作用能较大(框架中圆柱体半径处于较大水平), 联系紧密; 但是平行层间的相互作用能处于较“薄弱”状态(圆柱体半径处于较小), 层与层之间极不稳定。在晶体受热时, 平行层间容易发生滑移膨胀。能量框架使晶体结构中的作用关系可视化, 更加有效和便捷的探究药物晶体结构中的分子间能量关系[29]。
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Figure 6 Energy framework diagram of total interaction energies and thermal expansion mechanism of brivaracetam form Ⅰ |
为了进一步解释其膨胀机制, 对布瓦西坦晶型Ⅰ分子间氢键随温度的变化进行了分析。在晶体结构中只有2种氢键, 分析结果见表 3。从表 3中可以看出, 这两个氢键的电子给体和受体之间的距离随着温度的升高而逐渐增长, 而键角则随着温度的升高而逐渐减小, 导致a轴方向分子间距离发生压缩, 呈线性负膨胀, b轴方向拉伸, 呈线性正膨胀。在c轴方向, 没有典型和非典型(如C-H···O) 的氢键, 当晶体受到热刺激, 分子的振动会随着温度的升高而加剧, 导致c轴呈显著的线性正膨胀。
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Table 3 Changes of hydrogen-bond in brivaracetam form Ⅰ at different temperatures. Symmetric relation: (i) -z, y +1/2, -z |
材料的热膨胀性能是电子、光学、航空、光纤通讯和集成电路等许多领域都必须面临的问题。API在非等温制造过程下产生的热膨胀可能影响粉末造粒、压片或包衣性能[30], 因此, API的热膨胀性能也是制药领域所面临的问题, 也需要引起广泛的关注和足够的重视。
测定热膨胀系数的方法主要有: 热膨胀仪法、X射线单晶衍射法、X射线多晶衍射法和计算机模拟法[31, 32]。其中, 利用X射线单晶衍射法测定不同温度下晶体的晶胞参数, 再进行拟合, 可以得到最准确的热膨胀系数。但是实验首先需要培养单晶, 然后精修单晶结构, 实验过程过于繁琐。变温X射线粉末衍射法测量不同温度下样品的XRD图, 利用Rietveld结构精修法对XRD图谱进行全谱拟合获得晶胞参数, 然后对不同温度下的晶胞参数进行线性拟合, 得到的热膨胀系数也具有较高的准确度。
本研究采用X射线单晶衍射法结合变温X射线粉末衍射技术, 获得了抗癫痫新药布瓦西坦晶型Ⅰ的热膨胀特性, 结果表明, 布瓦西坦晶型Ⅰ表现为可逆各向异性膨胀, 其中X1膨胀轴表现出负膨胀的特性, 但是X2、X3膨胀轴的膨胀程度远大于X1膨胀轴的压缩程度, 因而, 布瓦西坦晶型Ⅰ的晶胞体积仍表现为正膨胀。通过对分子间作用力和相互作用能的分析解释了布瓦西坦晶型Ⅰ的热膨胀机制。
布瓦西坦晶型Ⅰ显著的热膨胀性能极有可能是压片过程中引发“黏冲”现象的根本原因。在长期高速压片过程中, 产生的热量使得布瓦西坦晶体产生显著的热膨胀现象(尤其是在X3膨胀轴方向), 与辅料的热响应不匹配, 导致“黏冲”现象的发生。
晶体热膨胀机制的理解也为减轻或避免热膨胀的现象提供了有效的解决思路和方法。布瓦西坦晶型Ⅰ在c轴方向具有显著的热膨胀, 在b轴方向只有较小的热膨胀性, 而在a轴方向更是出现了负热膨胀性, 因此, 在制备布瓦西坦晶型Ⅰ时, 可以通过结晶工艺的控制, 抑制c轴方向的晶体生长, 促进a轴和b轴方向成为晶体的优势生长面, 从而控制晶体的热膨胀性能, 改善压片性能, 该结果也在专利CN 111943880A中得到初步验证[22]。这也是晶型药物的晶习(也称晶癖) 研究范畴。片剂制备过程中黏冲是一种很常见的现象, 制剂研究者需要适当关注晶型药物的机械性质与表面化学对药物黏冲性的影响, 特别是当有机药物晶体某一方向的线性热膨胀系数显著高于另外两个方向时。
综上所述, 本文采用X射线单晶衍射结合变温X射线粉末衍射技术, 揭示了布瓦西坦晶型Ⅰ的热膨胀机制, 从分子层面解释了在压片过程中“黏冲”现象的原因, 并提供了解决思路和方法, 为晶型药物的热膨胀性能研究提供基础数据。
作者贡献: 周新波负责样品制备、结果分析、文章撰写及修改; 刘继永负责X射线单晶衍射实验; 俞卡茜负责变温X射线粉末衍射实验; 胡秀荣负责文章选题及论文修改、审阅。
利益冲突: 所有作者均声明不存在利益冲突。
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