基于QbD理念优化抗骨增生片喷雾干燥工艺及其物理指纹图谱研究

蒋鑫铖，吴样明，刘紫璇，况弯弯，季巧遇，*（.江西中医药大学药学院，南昌 330004；.江中药业股份有限公司，南昌 330004）

抗骨增生片是由熟地黄、骨碎补（烫）、淫羊藿、肉苁蓉、鹿衔草、鸡血藤、莱菔子（炒）7味中药组成的成方制剂，具有补肾、活血、止痛的功效，常用于肥大性脊椎炎、颈椎病、跟骨刺、增生性关节炎及大骨节病的治疗[1-2]，该制剂收录于《中华人民共和国卫生部药品标准》[3]当中，目前拥有生产批准文号的厂家有百余家，且均已纳入医保目录当中，市场前景可期。

抗骨增生片浸膏原干燥工艺采用真空干燥，该方式干燥时间长，且需将干膏再次粉碎，过程对环境要求高且费时费力。喷雾干燥技术是将液体用雾化器分散成雾滴，并用热空气与雾滴直接接触的方式形成粉体的一种干燥过程[4]，该方法具有瞬间干燥、受热时间短、温度低、操作流程管道化等特点[5]，符合高效、节约工艺能耗生产的要求。中药浸膏粉是中药固体制剂过程中一种重要的中间体形式，其物理性质不仅影响制剂成型，而且直接或间接影响成品的质量。中药粉体物理指纹图谱是借鉴中药化学指纹图谱概念和SeDeM专家系统有关方法，对稳定性、堆积性、流动性、可压性和均一性等方面进行研究，从而实现中药粉体物理质量属性的整体表征[6]，近些年该方法在中药浸膏粉、中药破壁粉、中药颗粒及辅料的物理质量属性表征上均有较多应用[7-10]。

本实验基于质量源于设计（QbD）理念对抗骨增生片喷雾干燥工艺展开研究，建立该制剂喷雾干燥浸膏粉的关键质量属性（CQA）和关键工艺参数（CPP）的数学模型，并采用物理指纹图谱法对浸膏粉各项物理质量属性进行表征，为该制剂的生产及过程质量控制提供实验依据。

1 材料

1.1 试药

熟地黄购自江西樟树天齐堂中药饮片有限公司，鹿衔草、骨碎补（烫）、鸡血藤、肉苁蓉、淫羊藿、莱菔子均购自于江西江中中药饮片公司，经范崔生全国名老中医药专家传承工作室谢斌老师检验均符合2020年版《中国药典》下各项标准。

1.2 仪器

B290小型喷雾干燥仪（瑞士步琦公司）；MSA224-CE分析天平[赛托利斯科学仪器（北京）有限公司]；DMA4100M-Abbemat300密度折光联用仪（上海安东帕有限公司）；PT-X粉体综合测定仪（上海细川密克朗粉体器械有限公司）；V50 PLUS旋转蒸发仪（北京莱伯泰科仪器有限公司）；恒温磁力搅拌器（德国IKA公司）；微波水分测定仪（美国CEM公司）；BXS-400S恒温恒湿箱（上海博迅医疗生物仪器有限公司）；Mastersizer 3000型激光粒度仪（英国马尔文仪器有限公司）。

2 方法与结果

2.1 抗骨增生片浓缩液制备

取熟地黄204 g、鹿衔草136 g、骨碎补（烫）136 g、鸡血藤68 g、肉苁蓉136 g、淫羊藿136 g、莱菔子（炒）68 g分别提取3次（第一次10倍水提取2 h，第二次8倍水提取1 h，第三次6倍水提取1 h），合并滤过，提取液浓缩后即得抗骨增生片浓缩液。

2.2 喷雾干燥工艺优化

2.2.1 Box-Behnken响应面法 经过前期单因素实验考察，选定进风温度（A）、进料速度（B）、料液密度（C）为影响因素，以得粉率为评价指标，实验可知喷雾干燥过程中干燥塔上的浸膏粉颜色偏深，均一性差，收料桶中的粉质细腻均匀，故实验中只收集收料桶中浸膏粉计算得粉率，得粉率计算公式如下：

得粉率（%）＝收集浸膏粉质量/（料液质量×料液固形物含量）×100%

公式中固形物含量由微波水分测定仪直接测得。

优化实验采用Box-Behnken响应面法实验设计进行，设计采用3因素3水平5中心点实验共计17个实验点进行实验。因素水平见表1，实验设计及结果见表2。

表1 因素水平Tab 1 Factor level

表2 实验设计及结果Tab 2 Experimental design and results

运用Design-Expert.v 8.0.6.1软件对表中实验数据进行多元回归拟合，得到多元回归方程为：得粉率＝76.25－3.72A－2.00B－6.52C－0.01AB＋5.11AC＋2.93BC－6.19A2－3.63B2－12.66C2。

对结果进行方差分析[11]，结果如表3所示，实验所得模型P＜0.01，表明模型可靠，失拟项P＞0.05，表明模型与实际情况模拟较佳，未知因素影响小，故该回归方程计算结果可代替真实实验结果进行分析。回归模型中的1次项A、C对抗骨增生片的喷雾干燥工艺均影响显著；A、C两个因素间的交互作用显著；A2、C2极显著；综合以上分析可得3个因素对抗骨增生片喷雾干燥工艺的影响程度为料液密度＞进风温度＞进料速度。

表3 方差分析Tab 3 Analysis of variance

运用Design-Expert v8.0.6.1软件绘制得粉率与任意两个因素间的等高线图及响应曲面图，结果见图1。由图可知，当料液密度固定不变时，得粉率随着进风温度和进料速度的增加呈先增加后减小的趋势，但整体趋势变化较小，说明进风温度与进料速度的交互作用小；当进料速度固定不变时，得粉率随着进风温度和料液密度的增加呈先轻微增加后急剧减小的趋势，整体坡度较陡，说明进风温度和料液密度的交互作用较大；当进风温度固定不变时，得粉率随着进料速度和料液密度的增加呈先增加后减小的趋势，整体坡度由料液密度影响，说明进料速度和料液密度的交互作用较小，与表3方差分析结果一致。

图1 两因素交互作用影响的等高线图及响应曲面图Fig 1 Contour plot and response surface plot of the interaction between two factors

2.2.2 设计空间的建立与验证 运用Design-Expert v8.0.6.1软件建立具有显著影响因素A、C的设计空间（设置B为20%），要求响应值得粉率需大于75%，但因预测值和实际值存在一定误差，导致了设计空间有不确定性[12]，为避免设计空间的不确定性，对此在设计空间的设计上加入置信水平为0.05的置信区间，以期设计空间的准确性得到进一步提升。结果如图2所示，黄色区域为未设置置信区间的设计空间，亮黄色部分为加入置信水平为0.05的置信区间的设计空间，考虑到实际生产情况，非矩形设计空间不便于操作，故在保证目标要求符合的情况下确定抗骨增生片喷雾干燥的CPP为料液密度1.089～1.097 g·mL－1，进风温度124～127℃（图中亮黄色内矩形部分）。在此操作空间内，随机选取3个点进行验证，结果见表4，结果表明在此空间内操作均能满足预期目标，即得粉率大于75%。

表4 验证实验安排与结果Tab 4 Validation of experimental arrangements and results

图2 设计空间展示Fig 2 Design space display diagram

2.3 抗骨增生片浸膏粉物理指纹图谱研究

2.3.1 物理质量指标的确定 参考相关文献[13-14]，中药浸膏粉物理质量属性可分为稳定性、堆积性、流动性、可压性和均一性5个方面，可作为物理指纹图谱的一级指标，将含水率（MC）、引湿率（H）、松密度（Da）、振实密度（Dc）、豪斯纳比（IH）、休止角（α）、颗粒间孔隙率（Ie）、卡尔指数（IC）、50%通过粒径（D50）、粒径分布宽度（span）、粒径范围（width）作为二级物理质量指标，测定结果见表5。由表可知，抗骨增生片浸膏粉具有较强的引湿性，这可能是由于抗骨增生片浸膏直接水提浓缩，提取液中含有较多多糖、黏液质等吸湿性成分，导致干燥后浸膏粉具有较强的引湿性[15]。喷雾干燥粉体通常为球形结构且粒径较小粉体均匀，颗粒与颗粒间的孔隙率大，导致粉体堆密度较小。休止角越大说明微观颗粒间的摩擦力越大，粉体的流动性越差，一般生产上，α≤40°即可以满足对流动性的要求，因此抗骨增生片浸膏粉在后期工艺中需加入适当的助流剂改善其流动性。

表5 物理质量指标测定结果Tab 5 Measurement of physical quality indicators

2.3.2 物理质量指标的转化 由于各二级物理质量指标的量纲存在差异，为构建同一尺度下的各二级物理质量指标，需将测定的6批浸膏粉的11个二级物理质量指标值转化成同一尺度下的数值，参考《中国药典》与相关文献[13，16-18]，各个二级物理质量指标的转化方法见表6（其中x为物理指标测定值）。

表6 二级物理质量指标标准化转换方法Tab 6 Standardization conversion method of secondary physical quality indicators

2.3.3 物理指纹图谱的构建及相似度评价 将“2.3.1”项下测定结果依照“2.3.2”项下方法进行数值转化，转化后结果见表7，采用雷达图的方式以各个转化后的数值为半径，定量直观的展示抗骨增生片浸膏粉物理指纹图谱。利用Origin 2018软件绘制结果见图3。将所得的6批抗骨增生片浸膏粉物理指标转化值进行相似度评价，利用IBM SPSS Statistics软件中夹角余弦方法进行相似度分析，结果表明6批浸膏粉组间相似度均在99.6%以上，由结果可知各批次浸膏粉物理性质相近，质量差异小。综上可知，优化后的抗骨增生片喷雾干燥工艺稳定可行。

图3 抗骨增生片浸膏粉物理指纹图谱Fig 3 Physical fingerprint of Kanggu Zengsheng tablet extract powder

表7 物理质量指标转换后结果Tab 7 Results after the conversion of physical quality index

3 讨论

中药浸膏粉是现代中药固体制剂生产中一种重要的中间产物，其干燥方法主要有喷雾干燥、真空带式干燥、微波干燥等，喷雾干燥因干燥速度快、产出质量高、明显缩短生产周期等特点在食品药品生产中得到广泛应用，将该干燥方式运用于抗骨增生片干燥工艺中有利于生产高效化、稳定化。

QbD理念的运用关键在于设计空间的构建，设计空间的建立主要在于响应值、显著影响因素和因素水平的合理选取[19]，前期实验中考察了进风温度、进料速度、料液密度、雾化压力等因素对得粉率及浸膏粉中5-羟甲基糠醛、柚皮苷、淫羊藿苷、总黄酮含量的影响，结果发现各喷雾干燥工艺参数下所得浸膏粉中各成分含量均无较大差异（分析其原因可能为喷雾干燥受热时间短、干燥温度低，从而成分损失少[20]），最终实验选择得粉率作为响应值。本研究将QbD理念应用于抗骨增生片喷雾干燥工艺优化实验中，采用响应曲面法构建了浸膏粉的CQA与CPP的数学模型，并参照该模型得出设计空间，在此空间内确定抗骨增生片喷雾干燥的CPP为料液密度1.089～1.097 g·mL－1，进风温度124～127℃，在此条件内得粉率均可保持在75%以上，且通过物理指纹图谱研究可知粉体质量稳定。

中药固体制剂中间粉体质量评价主要有指标成分含量测定、液相色谱指纹图谱评价、普通粉体研究等，只注重化学属性的研究或只进行不全面的粉体研究易导致成型过程及成品的不稳定性，采用中药粉体物理指纹图谱从物理状态层面进行综合、全面的属性表征为中药粉体的全面质量评价提供了新方法。同时，现代中药制剂生产过程中检测指标不够全面，易导致成品的一致性不佳，因此，建立全面的物理属性、化学属性评价体系运用于生产当中对于成品一致性的提高有积极意义。