水分活度儀用于藥物質(zhì)量控制方案

一般而言，產(chǎn)品上的水分有3種表現(xiàn)形態(tài)——游離水、吸附水和鍵合水。游離水存在產(chǎn)品顆粒間隙及其產(chǎn)品顆?？斩粗校再|(zhì)與作為有機溶劑水一樣，能夠起增稠分散劑的功效，也有利于微生物菌種生長。吸附水一般是吸咐在產(chǎn)品表面的水分。鍵合水指通過氫鍵水合作用與物質(zhì)相結(jié)合的水分。鍵合水為分子結(jié)構(gòu)表層的單層水分子，而吸咐水分一般產(chǎn)生多層水分子。此外，水分也會以結(jié)晶水的方式存在，但結(jié)晶水本質(zhì)上也是鍵合水。還有一種是存在聚合物疑膠體系中的水分。這類水分借助氫鍵與聚合物聯(lián)接組成疑膠的構(gòu)造，實質(zhì)上也是鍵合水，只是這類鍵合水也是疑膠構(gòu)造的一部分。

 

 

在這里3種水分中，吸附水存在物質(zhì)表層并且與物質(zhì)表面相互影響，鍵合水根據(jù)氫鍵水合作用與分子融合。盡管吸附水的吸附作用要低于鍵合水氫鍵結(jié)合性，但吸附和鍵合水也已經(jīng)失去它水合作用，只有游離水仍然可以發(fā)生水合反應(yīng)?，F(xiàn)階段，在中國藥典中占有主導(dǎo)性的水分測定方法是卡氏滴定法和干燥失重法?？墒?，這兩種測定方式都難以區(qū)別游離水、吸附水和鍵合水，而是測定總水分。而水分活度(water activity)乃是用于表述與物質(zhì)開展水合作用的水分的量。

 

 

美國FDA自1980年代起在食品生產(chǎn)中采用水分活度檢測對微生物進(jìn)行控制，但直到現(xiàn)在，美國FDA仍舊沒有針對藥品或化妝品采用水分活度測定的法律法規(guī)或指導(dǎo)原則。

 

  

盡管美國藥典并不是法律法規(guī)，但制藥行業(yè)的運用中具有較好的信譽，其測試標(biāo)準(zhǔn)和方法也獲得美國FDA的肯定，它的研究工作一直在制藥行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的研究中處于領(lǐng)導(dǎo)作用。針對水分活度的測定方式以及在制藥行業(yè)中的運用，美國藥典也首先于2006年8月第29版正式頒布美國藥典方法<1112>，水分活度測定在非無菌藥品上的應(yīng)用，明確提出水分活度的基本概念、測定方式及其可運用的領(lǐng)域。接著，具有法律效力的歐洲藥典于2011年4月歐洲藥典第7版正式頒布2.9.39節(jié)，水分固體相互作用：等溫吸附解吸和水分活度測定，這清楚說明了水分活度已經(jīng)開始在藥品生產(chǎn)中運用。因而，了解水分活度概念，掌握水分活度的測定方式，及其通曉水分活度在制藥行業(yè)中的運用領(lǐng)域，對于掌握藥政法規(guī)的潛在發(fā)展與提高藥品生產(chǎn)質(zhì)量均有助益。

 

 

水分活度基礎(chǔ)理論

 

一個封閉系統(tǒng)里的水的熱力學(xué)能量狀態(tài)即水分活度，用通俗的話來說就是把水分活度敘述為系統(tǒng)內(nèi)“可以用”水的量。水分活度表示的是產(chǎn)品中出現(xiàn)的及其相似的純水的量的指標(biāo)。水分活度下降說明產(chǎn)品里的水能量的下降，其實就是“可以用”于微生物生長、化學(xué)反應(yīng)、水分遷移，甚至于作為溶劑的水的量下降。

 

 

樣品中出現(xiàn)的水的能量取決于樣品里的水可不可以轉(zhuǎn)移至氣相，因此，樣品上的飽和蒸汽壓就和水分活度緊密相關(guān)。因而，水分活度界定為在相同溫度下，產(chǎn)品的蒸汽壓(p)與純水的蒸汽壓(p0)的比值。空氣相對濕度是空氣中蒸汽壓與飽和蒸氣壓的比率，假如做到蒸氣和溫度平衡，樣品水分活度就等于是樣品所處密閉環(huán)境下的空氣相對濕度。水分活度乘于100就可以獲得百分比表述的等效相對濕度。水分活度值是一比值，沒有單位。如果用小數(shù)來表示，范圍是從較干燥的0到純水的1.0。

 

水分活度測定方式

 

水分活度的測定即測定樣品所屬空間中的相對濕度，理論上來說，一切類別的濕度儀都可用以測定相對濕度。從早期恒定相對濕度平衡測定方式，到選用各種類型濕度計如毛發(fā)濕度計和等壓濕度計等相對濕度傳感器測定法，都可以用于測定水分活度。而間接性測定水分活度的辦法也是有冰點下降、蒸汽壓壓力計和鏡面冷凝發(fā)等測定方法。

 

將樣品放置于一個比較小的密閉容器，其頂空體積相較于樣品體積要夠小，以消除樣品測定環(huán)節(jié)中吸咐狀態(tài)的改變。達(dá)到平衡的熱力學(xué)過程往往需要較長的時間，應(yīng)用容器中內(nèi)循環(huán)可促使盡快達(dá)到平衡。因為水分活度值與測定時溫度緊密相關(guān)，所以測定水分活度的的同時須測定溫度，這就需要儀器設(shè)備有靈敏的溫度測定功能，并且測定容器須熱絕緣良好以確保恒溫測定。

 

 

美國藥典第29版正式頒布的第1112章及歐洲藥典第7版頒布的2.9.39節(jié)均指定采用鏡面冷凝方法來測定水分活度。這種測定方法源自于AOAC International的方法978.18。將拋光冷凍鏡面作為凝結(jié)表面，冷卻系統(tǒng)與接收鏡面反射光的光電單元相連接，達(dá)到濕度平衡的氣流直接流向鏡面，并在鏡面凝結(jié)。凝結(jié)起始的溫度即為需要測量的溫度，并由此得到平衡相對濕度。

 

 

采用鏡面冷凝法的實用儀器在用于水分活度測定前須評估系統(tǒng)適應(yīng)性并校正。通常使用飽和鹽溶液在25℃下進(jìn)行儀器校正?？捎米鲀x器校正的飽和鹽溶液的水分活度：K2SO4、BaCl2、NaCl、Mg(NO3)2、MgCl2等。

 

水分活度在制藥工業(yè)的應(yīng)用

 

水分活度并不是個新概念，在食品工業(yè)中已經(jīng)應(yīng)用于微生物生長的控制。但由于藥事法規(guī)中很少有在藥品質(zhì)量控制中應(yīng)用水分活度的要求，與制藥工業(yè)分析實驗室中的常規(guī)分析技術(shù)如液相色譜、氣相色譜等相比，水分活度的測定不受重視。但在制藥工業(yè)的實際研究生產(chǎn)中，水分活度對藥品中活性成分的變化及其在制劑配方研究中的有效作用的研究工作一直在持續(xù)進(jìn)行。

 

 

水分活度的控制對于控制制藥產(chǎn)品中活性成分的穩(wěn)定性，降低非無菌產(chǎn)品染菌風(fēng)險，優(yōu)化制劑配方，減少結(jié)塊和凝結(jié)，以及控制水分遷移都有裨益。簡而言之，水分活度的控制與研究對提高批量生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量十分重要，是制藥產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要質(zhì)量參數(shù)。

 

水分遷移

 

當(dāng)兩種物料混合時，水就開始從高的區(qū)域向低的區(qū)域遷移。但遷移并不一定是從水含量高的部分移向水含量低的部分。實際上，在日常中可能注意到的一個現(xiàn)象就是干燥的部分更加干燥，而潮濕的部分更加潮濕。能夠遷移的水分子是活性水分子，所以影響水分子遷移的是水分活度。

在制藥工業(yè)中，藥品如是有外包衣的片劑或是有填充物的膠囊以及軟膠囊，均會受到水遷移的影響。如軟膠囊變硬變脆或是變得太軟，或是有外包衣的片劑外包衣剝落，或是在包裝內(nèi)藥片崩解等現(xiàn)象，都與水遷移有密切關(guān)系。以軟膠囊為例，從將軟膠囊內(nèi)容物加入軟膠囊的一刻起，如果不同組分的水分活度不同，水分即在不同組分間開始遷移，直到水分活度達(dá)到平衡。

 

實際上，包裝與軟膠囊一起形成了一個四相系統(tǒng)，外環(huán)境、包裝內(nèi)環(huán)境、軟膠囊外殼和軟膠囊內(nèi)容物。在這個四相系統(tǒng)中，存在有3個水?dāng)U散轉(zhuǎn)移步驟。首先，水在包裝內(nèi)外的氣相中的擴散轉(zhuǎn)移；其次，水在包裝內(nèi)的氣相與軟膠囊殼間的擴散轉(zhuǎn)移；接著，水在軟膠囊殼及內(nèi)容物間的擴散轉(zhuǎn)移。由于外環(huán)境與包裝內(nèi)氣相，包裝內(nèi)氣相與軟膠囊殼間的擴散轉(zhuǎn)移在長時間的貯存時已經(jīng)達(dá)到了平衡，因此第三步的擴散轉(zhuǎn)移——水在軟膠囊殼與內(nèi)容物間的擴散轉(zhuǎn)移則至關(guān)重要。

 

例如某種軟膠囊殼的水分活度是0.85，其內(nèi)容物的水分活度是0.2，在一定時間之后，整體軟膠囊的水分活度即達(dá)到平衡值0.53。軟膠囊殼的水分活度降低造成軟膠囊殼的干燥和脆裂，對產(chǎn)品質(zhì)量造成隱患。而且由于水分自軟膠囊殼遷移至內(nèi)容物，如果活性成分的水溶性較差，就有可能造成活性成分的析出，使得產(chǎn)品質(zhì)量無法保證。

解決由于水分活度的不同而造成的水遷移問題，要在制劑配方研究起始時就開始考慮，改變軟膠囊殼及內(nèi)容物的配方來消除或減少由水遷移引起的質(zhì)量隱患。

 

 

藥政法規(guī)和水分活度

 

人用藥品注冊要求國際協(xié)調(diào)組織(ICH)的對產(chǎn)品質(zhì)量檢驗和生產(chǎn)批次放行程序提供指導(dǎo)，它強調(diào)質(zhì)量檢驗程序是基于風(fēng)險評估和科學(xué)證據(jù)的支持。ICH指導(dǎo)原則Q6A提供了制定藥品放行檢驗程序和適用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)。其6號和8號決策樹給出了測定微生物特性的比較好方法的指導(dǎo)。在這2個決策樹中，微生物限量檢測的需求是建立在產(chǎn)品是否可以保持足夠“干燥”的前提下，足夠“干燥”的產(chǎn)品是不支持微生物的生長的。

 

制藥工業(yè)中使用水分含量或產(chǎn)品中的總水量來表示“干燥”程度，通常使用卡氏水分來測定。但是，食品工業(yè)中關(guān)于水與微生物生長關(guān)系的研究表明，水分活度是微生物生長的比較好指標(biāo)，是水分活度或水的能量而不是產(chǎn)品中水的含量，即系統(tǒng)中的微生物可使用的水的量，決定了微生物的生長。一個產(chǎn)品可能含有相對較多的水分，但如果水已經(jīng)化學(xué)“鍵合”保濕劑或溶質(zhì)如鹽分、糖，或是其他多羥基類化合物，則這些水就不可以作為支持微生物生長的水。

 

美國藥典第29版正式頒布的第1112章及歐洲藥典第7版正式頒布的2.9.39節(jié)均提供了更進(jìn)一步的科學(xué)依據(jù)證明水分活度有必要成為基于風(fēng)險評估的藥品批次放行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而保證微生物生長的安全性以及產(chǎn)品的質(zhì)量。美國藥典第1112章明確指出，水分活度的測定可以在四個方面幫助提高非無菌制藥產(chǎn)品的質(zhì)量控制，1.優(yōu)化產(chǎn)品配方，提高防腐系統(tǒng)的抑制細(xì)菌生長效力；2.減少配方中易受化學(xué)水解影響的活性成分的降解；3.減少配方的微生物污染的可能性，特別是液體、油膏、乳液以及乳膏制劑等；第四，提供減少微生物限量檢驗的原理依據(jù)，包括減少產(chǎn)品批次放行檢驗和穩(wěn)定性試驗。

 

與水分活度的測定相比較，水含量的測定準(zhǔn)確度較差且測定費時較長，特別是對于制藥產(chǎn)品。有時，制藥化合物的水含量低至0.05％，在這個范圍，測定水含量比較困難且需要精密天平。但對于這種化合物，小到0.02％的水含量的變化，則對應(yīng)于水分活度0.2的變化。因此，使用水分活度的測定，可以對制藥產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行更加嚴(yán)格的控制。

 

 

 

結(jié)語

 

水分活度已經(jīng)在食品工業(yè)中用作微生物生長控制的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在制藥工業(yè)中，由于早前的藥事法規(guī)中沒有硬性規(guī)定，水分活度的應(yīng)用被忽視。但是，水分活度在藥品配方研究、穩(wěn)定性研究、包裝材料的研究以及早已應(yīng)用于食品工業(yè)的微生物生長的控制等方面有重要作用，水分活度的概念也可以在制藥工業(yè)中不斷使用。

 

 

美國藥典通則-微生物學(xué)專家委員會提議修訂美國藥典USP<1112> “水分活度測定在非無菌制劑中的應(yīng)用”。METER Group, Inc.公司的應(yīng)用科學(xué)家應(yīng)邀對該提案進(jìn)行修改和討論。在水分活度儀上，美國METER Group, Inc.公司占排名前列，和市面上同類儀器不同的是，美國METER Group, Inc.公司生產(chǎn)的AquaLab水分活度儀采用鏡面冷凝法測量藥品的水分活度，具有以下優(yōu)點：

 

1. 鏡面冷凝法是各國藥典方法的測量方法，包括USP<1112>, USP<922>等，可以溯源到國家和標(biāo)準(zhǔn)的方法。

2. 測量準(zhǔn)確性高，可達(dá)±0.003 aw，重復(fù)性可達(dá)±0.001 aw。

3. 測量時間短，小于5分鐘

4. 無需校準(zhǔn)，長期穩(wěn)定