掃描電鏡對于藥物分析的重要性

發布時間： 2021-11-26　　點擊次數： 352次

藥物的合成與工藝的選擇是藥物研發的關鍵流程，合格的藥物在初篩階段，便需要一系列的表征。而在所有藥物中，超過 80% 的藥物活性組份 API（原料藥）及其藥物產品是以固態形式開發的，原料藥需要與輔藥結合才能獲得最終的藥物制劑。掃描電鏡技術近年來已被廣泛應用于材料，生物等科研及工業領域的研究，用于解析物質微觀結構與性能的關系。掃描電鏡采用電子束作為信號源，可以提供納米級的分辨率，較為真實的反映藥物制劑的微觀結構以及成分分布信息。

隨著臺式掃描電鏡的普及與發展，傳統電鏡體積大，操作復雜的缺點得到克服，藥物分析的方案也更有針對性。飛納電鏡一直致力于推廣臺式掃描電鏡，在 2018 年推出了臺式場發射掃描電鏡，在 2020 年推出了全新的第六代 UI 界面，將電鏡性能以及便捷性都提升到更高的 level。更是在 2021 年參與國家藥典委員會藥品標準修訂四部相關研究：理化分析掃描電子顯微鏡法，讓掃描電鏡在藥物分析中得到更多的應用。

藥物制劑一般由原料藥（API）和原料輔藥組成，二者的有效結合是決定藥物吸收效果的關鍵。一般而言，原料藥既需要足夠的吸附性與分散性，也要保證在使用環境下能夠及時釋放脫附。因此，通過對藥物進行掃描電鏡分析，不僅可以對藥物顆粒粒徑及形貌進行分析，更可以判斷輔料對 API 顆粒的吸附效果。

利用掃描電鏡分析輔料和有效成分藥物結合情況

藥物制劑吸附效果評估（案例）

以吸入干粉制劑（dry powder inhalation，DPI）為例，DPI 指微粉化藥物或載體以膠囊、泡囊或多劑量貯庫形式，采用特制的干粉吸入裝置，由患者主動吸入霧化藥物至肺部的制劑。而制劑的關鍵在于實現藥物有效成分與載體形成微妙的平衡，即足夠的吸附力以及及時的脫附。

· 表面結構對于吸附的影響

首先，載體藥物表面結構可能差異較大，有效成分與載體的結合既要考慮物理化學吸附模型，也要研究載體表面結構對于吸附的影響。一般而言，表面較為粗糙，凹陷的表面更有利于大量藥物的吸附與停留，復雜的表面結構很難用理想吸附模型評估。以乳糖載體為例，顆粒易結晶，形成不規則的顆粒，對于藥物載量會有較大影響，下圖展示了同批次樣品中兩種形態不同的載藥乳糖顆粒，在尺寸相近的情況下，不規則顆粒表面凹陷較少，因此載藥量明顯比球型顆粒少。

乳糖載體結構對于藥物負載量的影響（球型以及不規則顆粒表面藥物的分布）

· 元素分析

載體輔藥表面復雜的溝道不僅影響有效成分的負載量，也會影響其分布，根據載藥與載體成分的差異，利用能譜分析技術可以在掃描電鏡中直接獲得有效成分在載體表面的分布信息。如下圖案例，某種原料藥含有 N，P 元素，而載體沒有，因此在使用掃描電鏡進行元素分析后，可以得到原料藥在載體表面的分布情況。從測試結果可知，紅色的 N 元素集中分布在載體的部分區域，根據電鏡高倍觀察結果，可說明凹陷區域更容易負載藥物。

原料藥在輔藥表面的凹陷區域分布更密集

· API 脫附模擬

在 DPI 作用的過程中，有效成分會被載體運載至特定的位置后脫附釋放，因此，可以簡單的利用高速氣流模擬脫附條件，再利用掃描電鏡進行觀察，判斷有效成分在表面的吸附效果，結合力過強或過弱都不利于發揮最佳效果。從下圖的結果可知，高速氣流吹掃后，有效藥物成分在微球表面的吸附明顯減少，證明發生了良好的脫附釋放，有利于藥效釋放。

氣流脫附后對比有效成分的吸附情況

包衣層分析（案例）

包衣是片劑以及成品藥不可或缺的部分，而包衣的厚度，均勻性以及包裹情況都會影響制劑的最終效果。而在飛納場發射掃描電鏡下，可獲得包衣層厚度信息以及包裹效果，利用電鏡自帶的標尺功能，可以對包衣層厚度的均勻性進行測量。對于仿制藥的追蹤與還原，電鏡分析也是必要的步驟。

包衣層不同區域的厚度分析

藥物顆粒統計分析

粒度分析儀只能間接獲得粒度分布信息，而飛納電鏡的粒度分析功能可以直接對樣品中的顆粒進行分析統計，輸出完整的粒度分布及形貌，成分信息。這對于分析藥物性能與顆粒性質之間的關系具有深遠意義。

藥物顆粒的統計分析

對于包覆處理的藥物，由于包覆成分與未包覆藥物有較大差異，在背散射模式下會有明顯的亮度對比度差別，因此利用顆粒分析統計系統可有效識別包覆程度。

包覆顆粒會被顆粒識別系統自動識別

不噴金低電壓觀察（案例）

傳統方案的弊端：由于藥物成分大多為有機化合物，導電性差，通常的解決方案是利用離子濺射的方式在樣品表面噴金或鉑，增強導電性。但該方法產生的高能粒子可能會造成藥物損傷，改變表面形貌特征，但如果不進行噴金，拍攝效果卻不盡如人意。此外，雖然高加速電壓是獲得較高分辨率的一個途徑，但高電壓下電子束較高的穿透性不利于觀察藥物表面粒徑只有 2-3 um 左右的小顆粒，且在不導電的樣品表面更容易產生電荷積累，導致拍攝效果不佳。因此，低電壓下拍攝是還原藥物表面真是形貌的必要條件，但傳統鎢燈絲很難提供令人滿意的低電壓拍攝效果。

鎢燈絲電鏡不噴金觀察導致樣品表面荷電

飛納電鏡方案：飛納電鏡的三倉分離技術可以有效降低樣品表面荷電效應，在不噴金的條件下也能得到較高的拍攝效果。這是因為飛納電鏡的 CeB₆ 晶體燈絲可以提供遠超鎢燈絲的亮度以及穩定性，即使在低電壓下也能獲得較好的分辨率。而飛納的臺式場發射掃描電鏡更可以提供 2.2nm 的分辨率，輕松實現不噴金低加速電壓拍攝。