張建軍 祖 卉,* 高 緣

(1中國藥科大學藥劑教研室,南京210009;2中國藥科大學中藥制劑教研室,南京210009)

阿德福韋酯糖精共晶形成的熱力學

張建軍1祖 卉1,*高 緣2,*

(1中國藥科大學藥劑教研室,南京210009;2中國藥科大學中藥制劑教研室,南京210009)

測定不同溫度下阿德福韋酯(AD)在系列濃度糖精(SAC)乙醇溶液中的溶解度及AD在恒溫下系列濃度糖精水溶液中的溶解度,研究AD-SAC共晶形成的熱力學,得到了共晶的溶度積(Ksp)、絡合常數(shù)(K11)及反應自由能(ΔG0)等熱力學參數(shù),建立了不同溫度下的AD-SAC-乙醇三相圖.結(jié)果表明:在乙醇中,溫度對Ksp和K11有極顯著性影響(P<0.01),隨著溫度的降低,Ksp逐漸減小,K11增大,共晶的溶解為吸熱過程,共晶的形成為吸熱的自發(fā)過程,溫度的下降有利于增加AD與SAC在乙醇中的絡合效應.AD在SAC水溶液中的溶解度隨SAC濃度的升高呈現(xiàn)三階段特征,先線性增長至平臺區(qū)后再倒數(shù)下降.

阿德福韋酯;糖精;共晶;溶解度;熱力學

Abstract: The solubilities of adefovir dipivoxil(AD)in saccharin(SAC)ethanolic solutions at different temperatures and in SAC aqueous solutions at constant temperature were determined to investigate the thermodynamic characteristics of AD-SAC co-crystals.The solubility products(Ksp),complexation constants(K11),and Gibbs free energy(ΔG0)were calculated.Ternary phase diagrams of the AD-SAC-ethanol systems at various temperatures were established.We demonstrate that temperature has significant influence on theKspandK11in ethanolic solution.Kspdecreased andK11increased with a decrease in temperature.Dissolution of the co-crystals in ethanol is an endothermic process.Co-crystal formation is a spontaneous and endothermic process.A decrease in temperature favors complexation between the AD and SAC in ethanol.In aqueous solutions of SAC,the solubility of AD shows a threestage profile with a platform.

Key Words:Adefovir dipivoxil;Saccharin;Cocrystal;Solubility;Thermodynamics

1 引言

藥物共晶是指活性藥物成分(API)和共晶形成物(CCF)在氫鍵或其他非共價鍵的作用下結(jié)合而成的晶體.1藥物共晶可以用于改進藥物性質(zhì),包括提高溶解度和溶出速率、提高化學穩(wěn)定性、改善生物利用度等.2,3

阿德福韋酯(9-{2-[雙(新戊酰氧甲氧基)磷酯甲氧基]乙基}腺嘌呤)是阿德福韋的前體,在體內(nèi)水解為阿德福韋而發(fā)揮抗病毒作用.4阿德福韋酯屬多晶型藥物,研究表明其為熱不穩(wěn)定性藥物,易于水解,各種晶型在固體狀態(tài)下均具有較低的穩(wěn)定性.5為了改善其穩(wěn)定性,我們前期已經(jīng)成功制備了阿德福韋酯與糖精的化學計量比為1:1的阿德福韋酯糖精共晶,對其物理化學性質(zhì)進行了研究,并與目前阿德福韋酯市售制劑(賀維力片劑)中所采用的晶型1進行了物理化學性質(zhì)比較,結(jié)果表明,阿德福韋酯糖精共晶較晶型1(賀維力片劑中阿德福韋酯的晶型)的化學穩(wěn)定性和溶出特性有極顯著的提高.40°C下放置6個月后,晶型1的粉末結(jié)塊,并幾乎降解完全,而共晶的外觀及含量均沒有明顯變化.在水和磷酸鹽緩沖液(pH 6.8)的介質(zhì)中,共晶的溶出度明顯優(yōu)于晶型1,25°C 45 min的溶出度分別由(62.0±5.1)%、(47.2±1.4)%增加至(97.7±2.6)%、(95.6±1.9)%.

從共晶的熱力學研究可以得出API及CCF構(gòu)成的體系在不同環(huán)境下最穩(wěn)定的組成和狀態(tài),從本質(zhì)上闡明不同固體形態(tài)之間的轉(zhuǎn)變情況及各形態(tài)的穩(wěn)定性,為共晶篩選提供參考,亦對藥品儲存條件下晶體的物理穩(wěn)定性(晶型轉(zhuǎn)變)以及有效期確定有指導意義.此外,可依據(jù)熱力學研究結(jié)果對與藥物形成共晶的組分進行選擇.Rodriguez-Hornedo等6通過繪制卡馬西平-煙酰胺共晶的溶解度相圖,確定了常溫結(jié)晶的共晶制備方法.Jayasankar等7對CBZ-4ABA共晶的溶解度相圖及三元相圖進行了研究,確立了影響共晶形成及穩(wěn)定的因素及條件.此外共晶的三元相圖也可用于新共晶的發(fā)現(xiàn)及制備溶劑的篩選.8,9

在晶體的制備及儲存中,溫度是重要的因素.但目前在共晶研究中少見對溫度的考察,因此,本文通過不同溫度下阿德福韋酯溶解度的測定,計算乙醇中共晶的溶度積、絡合常數(shù)及反應自由能,并通過繪制阿德福韋酯-糖精-乙醇的三元相圖,為共晶制備方式的確立提供理論依據(jù).此外,還考察了形成共晶對藥物水溶解度的影響,并建立數(shù)學模型對不同階段來進行描述.

2 實驗部分

2.1 試劑和儀器

所用試劑有阿德福韋酯,晶型1,純度99.2%,浙江貝得藥業(yè)有限公司;糖精,純度98.0%,天津市光復精細化工研究所;乙醇,分析純,國藥試劑化學有限公司;甲醇,色譜純,江蘇漢邦科技有限公司;其余試劑均為分析純.

所用儀器有85-2型恒溫磁力攪拌器,上海司樂儀器廠;ZD-85恒溫振蕩器,常州國華儀器有限公司;Shimadzu高效液相儀(LC-10AD泵,SPD-10A檢測器,Shimazu LC Solution色譜工作站),Shimadzu,Japan.

2.2 實驗方法

2.2.1 不同溫度下不同濃度SAC乙醇溶液中AD溶解度的測定

分別取5、20、35、55、75、90、110、130和150 mg SAC加入至5 mL乙醇中,攪拌溶解,各加入過量的AD,密封后置不同溫度(-18-45°C)下恒溫振蕩72 h,混懸液經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾,取續(xù)濾液用甲醇適度稀釋,溶液中AD和SAC的濃度采用高效液相色譜法(HPLC)法測定.每個實驗重復3次.HPLC法的流動相為0.02 mol·L-1KH2PO4(pH 6.0)-甲醇(42:58,體積比),色譜柱為Shimadzu VP-ODS(4.6 mm×150 mm,5 μm),流速為1.0 mL·min-1,檢測波長為260 nm.

2.2.2 乙醇中AD及SAC溶解度的測定

于1 mL乙醇中加入過量的AD或SAC,密封后置不同溫度下恒溫振蕩.72 h后將混懸液用0.22 μm微孔濾膜過濾.每個試驗重復3次.采用上述HPLC方法測定溶液中AD和SAC的濃度,計算AD及SAC的溶解度.

2.2.3 不同濃度SAC的水溶液中AD溶解度的測定

取200 mg SAC置100 mL量瓶中,加水溶解后定容,得到SAC儲備液.分別取不同體積的SAC儲備液用水稀釋至所需濃度.將過量的AD加入至上述SAC溶液中,密封后置25°C恒溫磁力攪拌4 h以達到溶解平衡.混懸液經(jīng)10000 r·min-1離心5 min,上清液用流動相適度稀釋后采用上述HPLC法測定AD濃度,計算AD溶解度.每個SAC濃度下的實驗重復3次.

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對阿德福韋酯糖精在乙醇中的絡合常數(shù)與溶度積的影響

建立了用HPLC法同時測定AD與SAC的性質(zhì),在該色譜條件下,AD與SAC分離度>10.AD與SAC分別在 161.92-242.88 μg·mL-1及 60.48-90.72 μg·mL-1范圍內(nèi)線性良好(r分別為0.9990和0.9995).該方法同時測定AD和SAC的準確度高,重復性好.

不同溫度(-18-45°C)下AD在不同濃度的SAC乙醇溶液中的溶解度測定結(jié)果見圖1.由圖1可知,AD的溶解度隨溫度的升高而增大,隨溶液中SAC濃度的升高而降低.SAC的加入使AD由于形成共晶而溶解度下降,表明共晶有類似鹽的同離子效應.因此在制備共晶時,適當過量的SAC有利于產(chǎn)率的提高.

由于共晶的溶解及兩種組分在溶液中可能發(fā)生的絡合,在AD-SAC-乙醇三元體系中,存在如下平衡:

其中K11為絡合常數(shù),Ksp為溶度積.

體系中AD的濃度[AD]和SAC的濃度[SAC]的關系式如下:10

依據(jù)方程(1),將不同溫度下乙醇溶液中AD溶解度與SAC濃度進行擬合,計算得到AD-SAC共晶的溶度積Ksp及絡合常數(shù)K11,結(jié)果見表1和表2.將溶解度實測值與擬合值進行比較,結(jié)果見圖2,表明采用公式(1)計算所得的擬合曲線與測定數(shù)據(jù)有很好的吻合性.從表2可看出,溫度對溶度積Ksp有顯著影響(P＜0.01,P為方差分析用的概率),隨著溫度的降低,Ksp逐漸減小,說明溫度越低,共晶越易析出,共晶的溶解為吸熱過程.另外,AD與SAC在乙醇中存在絡合效應,K11隨溫度升高而減小,表明溫度越高,AD和SAC的絡合作用越弱.

表1AD溶解度與SAC濃度的非線性擬合結(jié)果Table 1 Non-linear fitting analysis about the concentrations ofAD and SAC

溶度積是與共晶的溶解度正相關的參數(shù).ADSAC的溶度積隨溫度的升高而減小,說明了共晶的溶解度亦隨溫度的升高而增大.而絡合常數(shù)反映了溶劑中共晶的兩組分之間作用力的大小.AD與SAC的絡合常數(shù)隨溫度的升高而減小,說明在乙醇中,溫度越高,AD與SAC的相互作用就越大.絡合常數(shù)與溶度積的變化趨勢相反,說明在溶度積較低時,也就是溶解度較低時,物質(zhì)之間的絡合作用較大.因為溶解度越低,溶質(zhì)-溶劑的相互作用越小,而溶質(zhì)-溶質(zhì)的相互作用越大,則共晶越容易形成.

3.2 共晶形成的反應自由能(ΔG)的計算

共晶形成的ΔG反映了藥物、共晶形成物以及共晶之間的能量大小,是評價反應體系中,各組分相對穩(wěn)定性的最可靠的指標.當ΔG0為負時,共晶是最穩(wěn)定的形態(tài),即反應自發(fā)向共晶生成的方向移動,體系有利于共晶生成;當ΔG0為正時,藥物或者共晶形成物較穩(wěn)定,此時體系有利于單組分晶體的形成.

AD與SAC形成AD-SAC共晶物的反應為:

根據(jù)反應方程式,存在:11

其中SAD和SSAC分別表示AD與SAC的溶解度.

由此可得在各溫度下AD-SAC共晶形成反應的ΔG0,結(jié)果見表3.不同溫度下反應的ΔG0均為負值,表明在實驗溫度下,反應向共晶生成的方向進行,共晶的形成在熱力學上為自發(fā)過程,并且隨著溫度的變化,ΔG0無明顯變化.

表2 不同溫度下AD-SAC共晶的溶度積Ksp及絡合常數(shù)K11Table 2 Solubility product constant(Ksp)and complexation constant(K11)ofAD-SAC cocrystal at various temperatures

共晶形成的反應自由能的計算對選擇反應溶劑、控制反應溫度有重要意義.根據(jù)公式(2),反應物與生成物的溶解度因溶劑的不同而有差異,它直接影響了反應自由能的大小.且自由能亦受到反應溫度的影響.因此,需要選擇合適的溶劑,并控制一定的反應溫度,使得反應自由能為負,方可保證共晶產(chǎn)生的可能性.本文中共晶形成的反應自由能為負值,反應自發(fā)進行,說明在實驗條件下,AD、SAC與乙醇組成的體系中,AD-SAC共晶是與AD及SAC相比最穩(wěn)定的固體形態(tài).也就是說,在此體系中,反應平衡將向著有利于生成共晶的方向移動.AD-SAC的制備工藝也證實了這一點,將AD投入SAC的乙醇溶液中,共晶可以自發(fā)地沉淀出來.

表3AD-SAC共晶形成Gibbs自由能Table 3 Gibbs free energy ofAD-SAC co-crystal formation

3.3 AD-SAC-乙醇三相圖的繪制

相圖提供了反應體系變化的最直觀的信息,從相圖中可得到體系可能出現(xiàn)的物質(zhì)的種類、相態(tài)、以及它們隨溫度的變化情況.

根據(jù)AD及SAC在乙醇中的溶解度,AD在SAC乙醇溶液中的溶解度,繪制得到各溫度下AD-SAC-乙醇的三元相圖,見圖3.

以318 K的三相圖(E)為例,圖3(E)中a、d點分別表示AD和SAC的飽和溶液;e點表示AD-SAC共晶;b點和c點是三相點,b點表示被共晶和AD飽和的溶液體系,c點表示被共晶和SAC飽和的溶液體系.bc段為AD及SAC在乙醇中的溶解度曲線.假設體系中加入少量的AD或SAC分別對SAC或AD的溶解度沒有影響,則ab和cd段分別可利用AD和SAC在乙醇中的溶解度繪制.區(qū)域1、2、3分別表示固態(tài)共晶、固態(tài)AD、固態(tài)SAC與其飽和溶液的兩相平衡區(qū);區(qū)域4表示固態(tài)共晶、固態(tài)AD與其飽和溶液的三相平衡區(qū);區(qū)域5表示固態(tài)共晶、固態(tài)SAC與其飽和溶液的三相平衡區(qū);區(qū)域6是不飽和溶液的單相區(qū).12

由圖3可知,AD的溶解度隨溫度變化較SAC明顯,溫度降低,AD與SAC的溶解度更加接近,共晶區(qū)域也更加對稱,從含有nAD:nSAC為1:1的乙醇溶液中蒸發(fā)溶劑得到的共晶純度就更高.其次,在不同溫度下,共晶的溶解度曲線均可與滿足摩爾比組成的直線相交,說明從組成滿足摩爾比的溶液中蒸發(fā)溶劑可得共晶物,而不會受到兩種物質(zhì)分別結(jié)晶的干擾.圖3還表明,溫度對相圖中各區(qū)域的大小有顯著影響,溫度越低,AD、SAC及共晶物在乙醇中的溶解度越小,不飽和溶液的單相區(qū)越小,表明降溫結(jié)晶有利于共晶物的生成,這與上文所述溫度降低,Ksp減小,共晶物易于析出這一結(jié)論一致.

不同溫度下的三元相圖描述了共晶物的形成區(qū)域,表明對于AD、SAC與乙醇組成的體系,若采用降溫析晶并輔以蒸發(fā)溶劑的制備方法,可有效地提高共晶的產(chǎn)率.

3.4 SAC對AD水中溶解度影響

以水溶液中SAC的濃度為橫坐標,測得的AD濃度為縱坐標作圖得圖4.

圖4表明了共晶形成物SAC的加入對藥物AD在水中溶解度的影響,整個曲線存在A、B、C和D四個特殊點及三個線段,它們分別表示如下:13

A點:AD的飽和水溶液,存在AD(aq)和AD(s),此時體系中AD的濃度即為自身的溶解度;AB段:SAC的濃度不斷增加,在水中與AD結(jié)合為ADSAC,使AD漸漸進入溶液,存在AD(s,aq)、SAC(aq)和AD-SAC(aq);B點:溶液中AD及AD-SAC均處于恰好飽和的狀態(tài),存在AD(s,aq)和AD-SAC(aq);BC段:由于AD-SAC已飽和,故隨SAC加入濃度的增加,AD-SAC析出,溶液外的AD繼續(xù)進入溶液中,存在AD(s,aq)和AD-SAC(s,aq),此時體系中AD的濃度即為共晶的溶解度;C點:AD在溶液中已達到最大濃度,并且即使有多余的固體AD在溶液外,也將不再進入溶液中,存在AD(aq)和AD-SAC(s、aq);CD段:隨著加入的SAC不斷增多,AD-SAC逐漸析出,存在AD-SAC(s、aq).

將三個階段水溶液中AD和SAC的濃度不同的數(shù)學模型進行擬合,根據(jù)其相關系數(shù)的大小,得到三個階段的擬合模型方程如下:

AB段:[AD]=0.77×[SAC]+0.50 r=0.9970

BC段:[AD]=3.30

CD段:[AD][SAC]=15.07 r=0.9765在曲線的不同段,根據(jù)物質(zhì)存在狀態(tài),體系中分別存在如下平衡:

KAB、KBC和KCD分別表示AB、BC和CD段體系的平衡常數(shù).其中KAB表示SAC對AD溶解度改善能力的大小;KBC只與共晶的溶解度有關,反映SAC的最大助溶效果;KCD是水中AD與SAC溶度積的倒數(shù).

根據(jù)BC段擬合模型方程及平衡常數(shù)數(shù)學關系式,可計算出BC段的平衡常數(shù)KBC=0.3030 L·mmol-1.根據(jù)CD段擬合模型方程及平衡常數(shù)數(shù)學關系式,可計算出CD段的平衡常數(shù)KCD=0.066 L2·mmol-2.

AD與SAC在水中的絡合常數(shù)

由于共晶AD-SAC的形成,溶解度在初始階段顯著增大.隨著SAC濃度的升高,由于AD與SAC之間的絡合效應以及共晶具有與鹽類似的同離子效應,使得AD的溶解度呈現(xiàn)先線性增長后倒數(shù)下降的趨勢.

4 結(jié)論

通過測定不同溫度及共晶形成物SAC對阿德福韋酯溶解度的影響,得到了共晶的溶度積、絡合常數(shù)及反應自由能等熱力學參數(shù),結(jié)合阿德福韋酯-糖精-乙醇的三元相圖繪制,表明了AD與SAC在乙醇中存在絡合效應,溫度越高,AD和SAC的絡合作用越弱.AD-SAC共晶熱力學具有如下特征:(1)溶解為吸熱過程;(2)共晶的形成在熱力學上為自發(fā)過程;(3)有類似鹽的同離子效應.熱力學研究為AD-SAC共晶研究提供了理論依據(jù),也為將來研究其他藥物的共晶研究奠定了基礎.

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Formation Thermodynamics of Adefovir Dipivoxil-Saccharin Co-Crystals

ZHANG Jian-Jun1ZU Hui1,*GAO Yuan2,*
(1Department of Pharmaceutics,China Pharmaceutical University,Nanjing 210009,P.R.China;2Department of Chinese Medicine Pharmaceutics,China Pharmaceutical University,Nanjing 210009,P.R.China)

O642

Received:September 25,2010;Revised:November 24,2010;Published on Web:February 17,2011.

?Corresponding authors.GAO Yuan,Email:highmorepharm@gmail.com;Tel:+86-13951974969.ZU Hui,Email:zuhuinj@gmail.com;Tel:+86-13915967508.

The project was supported by the Technology Platform for New Formulation and New Drug Delivery System,Important National Science&Technology Specific Projects,China(2009ZX09310-004,2011ZX09201-101-02).

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