DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝優(yōu)化中的應(yīng)用
一、DOE概述
DOE(Design of Experimental)是一種安排和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法,通過對實驗的合理安排,能以較小的實驗規(guī)模和較少的試驗次數(shù),較短的試驗周期和較低的成本,得到理想的實驗結(jié)果和得出科學(xué)的結(jié)論。
ICH于2005年出臺的ICH Q8中提出了“質(zhì)量源于設(shè)計(quality by design, QbD)”的理念,QbD是將科學(xué)的方法和風(fēng)險管理的理念應(yīng)用于藥品工藝開發(fā)和生產(chǎn)全過程。 目前QbD理念在固體制劑的研發(fā)和生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,F(xiàn)DA于2013年正式提出,仿制藥開發(fā)需采用QbD理念及方法。 實施QbD的核心在于通過DOE及數(shù)學(xué)模型確認關(guān)鍵工藝參數(shù)與關(guān)鍵質(zhì)量屬性之間的多維組合與相互作用,進而確認工藝設(shè)計空間 (design space) 和基于設(shè)計空間的質(zhì)量控制策略。
DOE藥學(xué)應(yīng)用當中最常用的幾個分類如下:
★ 篩選實驗即單因子試驗設(shè)計
★ 全因子試驗設(shè)計
★ 部分因子試驗設(shè)計
★ 響應(yīng)曲面試驗設(shè)計
★ 混料設(shè)計
★ 田口設(shè)計
目前醫(yī)藥研發(fā)已將QbD理念融入藥品研發(fā)環(huán)節(jié),而DOE為解決這一問題的高效、關(guān)鍵的工具,采用DOE能更加科學(xué)、準確的確定CMA、CPP等關(guān)鍵參數(shù),目前國內(nèi)大多企業(yè)均不擅長使用此工具,很多制劑人員在進行處方工藝研究時基于自己經(jīng)驗,采用單因素進行考察,嚴重依賴經(jīng)驗研發(fā)模式,處方工藝研發(fā)缺乏系統(tǒng)性,部分研究不夠充分和科學(xué),最終的研究結(jié)果存在一定的不確定性,生產(chǎn)放大時存在一定隱患。
基于國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀,結(jié)合筆者對DOE的理解,嘗試采用DOE的方式,考察DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝優(yōu)化過程當中的應(yīng)用。
二、濕法制粒工藝概述
高速剪切濕法制粒 (high shear wet granulation,HSWG) 因混合效果好、速度快、效率高、能耗低和全封閉等優(yōu)點,成為近年來發(fā)展較快、應(yīng)用最為廣泛的制粒技術(shù)。 然而在高速剪切濕法制粒過程中,攪拌槳、切割刀轉(zhuǎn)速、黏合劑噴入的距離、霧化速度、加液速度和加液量、制粒時間、物料占比、攪拌槳及切割刀幾何參數(shù)等眾多參數(shù)均會對制粒后顆粒質(zhì)量產(chǎn)生影響。
參照《固體口服制劑的研發(fā)-藥學(xué)理論與實踐》一書,及陳挺老師《流化床微丸包衣工藝和高剪切制粒工藝的關(guān)鍵因素和工藝放大》一文中對于濕法制粒的理解,濕法制粒核心需對濕顆粒的含水量和顆粒緊實程度進行優(yōu)化,以獲得合理的濕顆粒液體飽和度,以期獲得合適并穩(wěn)定的粉體學(xué)特征的顆粒,用于壓片、包衣等, 通過參數(shù)摸索確認濕法制粒的關(guān)鍵工藝參數(shù)及工藝設(shè)計區(qū)間為濕法制粒研究的關(guān)鍵點及難點。
高速剪切濕法制??煞譃?預(yù)混階段、噴粘合劑階段和濕顆粒形成階段。 由于濕法制粒機中有很多工藝參數(shù)如攪拌及剪切速度、粘合劑加入時間、制粒時間、粘合劑加入量等都會對顆粒性質(zhì)產(chǎn)生影響,同時這些工藝參數(shù)之間還可能存在協(xié)同作用,共同決定最終的顆粒性質(zhì)。
? 無論是從實驗室研究設(shè)備或中試放大設(shè)備到生產(chǎn)批次設(shè)備的放大研究,在批量放大時都經(jīng)常遇到各種問題,如何考慮各設(shè)備攪拌及剪切幾何形狀的差異、攪拌速度的放大的規(guī)則(經(jīng)驗 or Froude常數(shù)? )、粘合劑加入時間的控制、制粒時間的確認(加液后)、總粘合劑加入量等等,在放大研究時均需細致的考慮及控制,放大策略的制定不是本次討論的重點,但如何保證并提高濕法制粒放大驗證的成功率,任重而道遠。
? 實驗室小試研究時需對濕法制粒各工藝參數(shù)如攪拌速度、粘合劑加入時間、制粒時間、粘合劑加入量進行系統(tǒng)研究,做到心中有數(shù),明確軟材做到什么程度可行,什么狀態(tài)不合適,不合適如何調(diào)整等,小試研究若研究的不夠充分后續(xù)再次放大驗證的風(fēng)險極高,成功率較低。
三、DOE試驗設(shè)計應(yīng)用于濕法制粒工藝優(yōu)化實例
通過單因素考察進行濕法制粒各參數(shù)考察時,變量較多,試驗量也較大,同時各參數(shù)間的協(xié)同作用無法進行有效評估,筆者在單因素的基礎(chǔ)上結(jié)合濕法制粒經(jīng)驗,嘗試通過DOE試驗設(shè)計摸索并確認影響關(guān)鍵質(zhì)量屬性的關(guān)鍵工藝參數(shù),與常規(guī)經(jīng)驗及單因素結(jié)果進行對比研究,獲得結(jié)論。
通過具體例子進行DOE試驗設(shè)計及分析,過程及結(jié)果如下 :
處方組成:
注: 本品API為BCS I類化合物,性質(zhì)較粘
基本工藝:
1)原輔料處理: 原料藥、甘露醇過60目篩備用;
2)稱量: 稱取處方量的原料藥、甘露醇、交聯(lián)聚維酮(內(nèi)加)、無水碳酸鈉備用;
3)粘合劑溶液配制: 稱取適量純化水,攪拌狀態(tài)下加入適量的聚維酮,配制成固含量8%濃度溶液;
4)預(yù)混: 將物料置于濕法制粒機中攪拌剪切混合5min;
5)制軟材: 采用濕法制粒機制軟材;
6)濕整粒: 采用搖擺制粒機20目篩進行濕整粒;
7)干燥: 將物料置于流化床中進行干燥,至水分小于3.0%;
8)干整粒: 采用搖擺制粒機30目篩進行干整粒;
9)總混、壓片
本品采用濕法制粒的工藝,濕法制粒時粘合劑用量、攪拌速度、粒化時間(制粒時間)協(xié)同作用決定了顆粒的粉體學(xué)性質(zhì),同時可能對制劑崩解時限/溶出行為產(chǎn)生影響,故濕法制粒時,以顆粒粉體學(xué)性質(zhì)(休止角、松密度、卡爾指數(shù)、粒度分布等),崩解時限、溶出度等為響應(yīng)指標,以攪拌速度、粘合劑用量、制粒時間為因素進行帶三個中心點的23兩水平三因素全因子試驗設(shè)計考察制粒參數(shù)對顆粒及制劑質(zhì)量屬性的影響,試驗設(shè)計如下: (試驗設(shè)計之前通過單因素試驗初步明確粘合劑的最低及最高用量,同時固定粘合劑加入速度及總加入時間,以免出現(xiàn)失敗試驗及偏差)
? 影響卡爾指數(shù)及休止角顯著因子分析
結(jié)論: 各工藝參數(shù)的改變對顆粒卡爾指數(shù)及休止角無明顯影響。 ( 整體模型主效應(yīng)P>0.05,無明顯差異,未達到預(yù)期)
? 影響粒度分布顯著因子分析
結(jié)果分析:
1)粘合劑用量為影響80目以下粉末粒度分布的顯著因子
2)攪拌速度為影響40-80目顆粒粒度分布的顯著因子
結(jié)論: 粘合劑用量和攪拌速度為影響顆粒粒度分布的關(guān)鍵工藝參數(shù),后續(xù)重點關(guān)注放大驗證時粘合劑用量及攪拌速度的選擇。
通過模型優(yōu)化能獲得 整體模型主效應(yīng)P<0.05,模型有效,未出現(xiàn)明顯彎曲及失擬現(xiàn)象。
? 影響制劑崩解時限及溶出度的顯著因子分析
結(jié)果分析: 粘合劑用量為影響崩解時限及溶出度的關(guān)鍵工藝參數(shù),攪拌速度及制粒時間對其影響較小
結(jié)論: 通過模型優(yōu)化能獲得 整體模型主效應(yīng)P<0.05,模型有效,未出現(xiàn)明顯彎曲及失擬現(xiàn)象。 (以上數(shù)據(jù)為通過minitab及design expert軟件相互印證證明模型有效性)
? 工藝設(shè)計區(qū)間確認
以5min溶出度、小于80目粒度分布及40-80目粒度分布為考察指標,制定合理的目標范圍,通過回歸方程模擬獲得本品的工藝設(shè)計區(qū)間,目標值設(shè)定如下:
圖: 各工藝變量對響應(yīng)的 重疊圖-工藝設(shè)計區(qū)間
圖: 粘合劑和攪拌速度對5min溶出度的影響趨勢(制粒時間3.5min)
圖: 粘合劑和攪拌速度對40-80目粒度分布的影響趨勢(制粒時間3.5min)
圖: 粘合劑和攪拌速度對小于80目粒度分布的影響趨勢(制粒時間3.5min)
通過本次DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝優(yōu)化中的應(yīng)用,通過數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)影響溶出度的關(guān)鍵工藝參數(shù)為粘合劑用量; 影響粒度分布的關(guān)鍵工藝參數(shù)為攪拌速度及粘合劑用量; 隨著粘合劑用量的增加及攪拌速度的增強,大于80目的顆粒越多,相應(yīng)顆粒越硬,制劑5min溶出度相應(yīng)有降低趨勢,獲得的結(jié)論與傳統(tǒng)經(jīng)驗及通過單因素試驗驗證獲得結(jié)論一致,可為后續(xù)再次放大驗證提供參考。
注: 應(yīng)用本次DOE試驗獲得的數(shù)據(jù)建立的回歸方程,回歸系數(shù)未達到FDA QBD案例中相應(yīng)的水平,但通過相應(yīng)的趨勢分析可得到一部分關(guān)鍵結(jié)論,模型的準確度有待優(yōu)化。
五、結(jié)語
通過DOE試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn),本身其得到的結(jié)論與單因素及經(jīng)驗獲得的結(jié)論并不矛盾,兩者相互印證,從制劑角度說明了DOE實驗的準確性及可用性,但確實也暴露出很多的問題,對應(yīng)用DOE進行濕法制粒工藝優(yōu)化考察整個過程進行回顧和總結(jié),發(fā)現(xiàn)有以下幾點:
? DOE試驗在開始運用時,由于對其的不熟悉性,導(dǎo)致無法準確預(yù)期試驗結(jié)果,無法保證所有實驗一次性成功。
? 由于試驗設(shè)計試驗次數(shù)較多,每次試驗的準確性及結(jié)果的準確性至關(guān)重要,對于人員素質(zhì)、設(shè)備性能、物料來源及批次、場地環(huán)境控制等要求較高,保證所有試驗的準確性及平行性,避免模型無效、模型中出現(xiàn)彎曲及失擬現(xiàn)象。
? DOE基于數(shù)理統(tǒng)計的試驗設(shè)計,試驗過程及檢測的準確性僅為試驗的一部分,基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,如何合理的建立模型,回歸模型的解讀,回歸模型的優(yōu)化(若回歸系數(shù)較低,模型準確度低,則需再次增加重復(fù)試驗,優(yōu)化回歸模型提高模型準確度)都考驗并挑戰(zhàn)制劑人員的知識儲備及耐心,這可能也是制約DOE國內(nèi)發(fā)展的一部分原因。
? 通過DOE能夠更加集中的完成工藝考察過程,避免一般經(jīng)驗,邊做試驗等待結(jié)果后再決策后續(xù)方案,相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗單因素考察DOE試驗設(shè)計考察過程更加系統(tǒng)集中。
? 通過模型的建立及回歸模型方程的建立,能獲得影響關(guān)鍵質(zhì)量屬性的關(guān)鍵工藝參數(shù),通過回歸方程的模擬及預(yù)測,能獲得各關(guān)鍵工藝參數(shù)的變化對關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響趨勢,同時能評估各關(guān)鍵工藝參數(shù)協(xié)同作用對關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響; 基于各關(guān)鍵質(zhì)量屬性預(yù)設(shè)區(qū)間的設(shè)置,獲得合理的工藝設(shè)計空間,指導(dǎo)進一步的放大驗證工作。
通過合理的DOE試驗設(shè)計確實能更加系統(tǒng)科學(xué)的的評估各關(guān)鍵工藝參數(shù)對關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響,能獲得可供參考的工藝設(shè)計空間,但要保證能獲得理想的結(jié)果,針對濕法制粒建議做到以下幾點:
? 試驗設(shè)計之初充分論證各參數(shù)設(shè)計的合理性,避免出現(xiàn)制粒不充分、過渡制粒等的異常情況。 設(shè)計之初最好通過單因素試驗確認粘合劑加入總量的最小,最大值,獲得合理范圍。
? 保證相同的操作人員、相同的設(shè)備、相同的物料來源及批號、相同的操作過程、相同的操作環(huán)境,盡可能集中一段時間完成所有試驗。 保證試驗的準確性及平行性!
? 模型建立之后合理的優(yōu)化模型,使得總模型有效,無明顯彎曲和失擬現(xiàn)象,盡可能提高回歸方程R2,使得預(yù)測和調(diào)整R-Sq盡可能更為接近,提高模型預(yù)測的準確性。
通過DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝參數(shù)優(yōu)化上的實踐,發(fā)現(xiàn)在小試研發(fā)時,保證實驗設(shè)計合理及試驗準確性的前提下,DOE試驗設(shè)計及過程其實較容易實現(xiàn),但如何保證回歸模型的準確性,用于后續(xù)申報資料的整理,同時如何完成在生產(chǎn)設(shè)備上的轉(zhuǎn)化及實踐,確認批量生產(chǎn)時的工藝設(shè)計空間,是值得各位同仁共同思考及努力的方向,在此與各位同仁共勉,真正合理充分的運用QBD理念,利用DOE工具,提高整體研發(fā)效率!
本人對于DOE的應(yīng)用也僅處于摸索及學(xué)習(xí)階段,以上為本人對DOE在濕法制粒工藝優(yōu)化中的應(yīng)用的一些經(jīng)驗及感觸,如有不確切的地方還請各位學(xué)者專家指正,同時也在此拋磚引玉,希望更多同仁及專家學(xué)者提出自己的見解及建議!
參考文獻:
1、Quality by Design for ANDAs: An Example for Immediate-Release Dosage Forms ANDAs
2、固體口服制劑的研發(fā)-藥學(xué)理論與實踐
3、流化床微丸包衣工藝和高剪切制粒工藝的關(guān)鍵因素和工藝放大-陳挺
4、QbD與藥品研發(fā)-概念和實例
5、閔亞能 著—實驗設(shè)計(DOE)應(yīng)用指南
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關(guān)于我們:
結(jié)合國內(nèi)醫(yī)藥市場研發(fā)趨勢,北京新領(lǐng)先醫(yī)藥科技發(fā)展有限公司于2019年初成立了腸溶制劑事業(yè)部,為藥學(xué)板塊八大事業(yè)部之一,專注于攻克腸溶制劑技術(shù)難題,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。
事業(yè)部利用了腸溶材料在不同pH值中溶解度不相同的特性,實現(xiàn)腸溶特性,腸溶材料胃酸中不溶解保證耐酸力,保證了藥物制劑順利抵達腸道開始溶解釋放; 事業(yè)部開發(fā)了擠出滾圓、離心造粒、流化床微丸上藥包衣工藝,優(yōu)化了工藝過程,保證了產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量,特別是提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性及降低了產(chǎn)品的批內(nèi)及批間差異,提高了制劑的耐酸力,降低了產(chǎn)品因延遲釋放導(dǎo)致的體內(nèi)變異系數(shù),提高了生物利用度。
擁有數(shù)百平的制劑實驗室,具備常用的固體制劑設(shè)備,如濕法制粒機、干法制粒機、多功能流化床、膠囊填充機、包衣機(腸溶片包衣)、擠出滾圓機、多種類型壓片機、混合機、整粒機、包裝機等,制備規(guī)模涵蓋200-50000萬制劑單位,設(shè)備、場地齊全,從硬件角度能承接90%以上腸溶及其他劑型的小試開發(fā)、放大驗證等。
目前,腸溶制劑事業(yè)部在研品種中,多個品種已進入產(chǎn)業(yè)化階段,質(zhì)子泵抑制劑類如奧美拉唑鈉腸溶膠囊、艾司奧美拉唑腸溶膠囊、泮托拉唑鈉腸溶微丸及泮托拉唑鈉腸溶片等。
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