药剂学第十七章 包合物的制备技术

第十七章包合物的制备技术一、概述•包合技术系指一种分子被包藏于另一种分子的空穴结构内，形成包合物（inclusioncompound）的技术。•包合物由主分子和客分子两种组分组成，具有包合作用的外层分子称为主分子(hostmolecule)，被包合到主分子空间中的小分子物质，称为客分子（guestmolecule或enclosedmolecule）。•药物作为客分子经包合后，溶解度增大，稳定性提高，液体药物可粉末化，可防止挥发性成分挥发，掩盖药物的不良气味或味道，调节释放速率，提高药物的生物利用度，降低药物的刺激性与毒副作用等。•包合物根据主分子的构成可分为多分子包合物、单分子包合物和大分子包合物；根据主分子形成空穴的几何形状又分为管形包合物、笼形包合物和层性包合物。•包合物的稳定性主要取决于两组份间的VanderWaals力。•包合过程是物理过程而不是化学反应。•包合物的类型:①管状包合物：是由一种分子构成管状或筒形空洞骨架，另一种分子填充其中而成。尿素、环糊精、硫脲、去氧胆酸等均能与客分子形成管状包合物。②层状包合物•某些表面活性剂能形成层状的胶团，当药物进入胶团时就构成了层状包合物。•例如月桂酸钾使乙苯增溶时，乙苯可存在于表面活性剂亲油基的层间，形成层状包合物。非离子型表面活性剂使维生素Ａ棕榈酸酯增溶，其结构也可认为是层状包合物。③笼状包合物•是客分子进入由几个主分子构成的笼状晶格中而成的包合物。•其空间完全闭合且包接过程为非化学结合，包合物的形成主要取决于主分子和客分子的大小。④单分子包合物：单分子包合物由单一的主分子和单一的客分子形成包合物。例如环糊精（CD）常用为单一的主分子，它具有管状的空洞。⑤分子筛包合物或高分子包合物：此类包合物主要有沸石、糊精、硅胶等。原子排列成三面体配位体：形成笼状或筒状空洞，包接客分子而形成高分子包合物。二、常用包合材料（一）环糊精•环糊精（Cyclodextrin,CD）系淀粉经酶解环合后得到的由6~12个葡萄糖分子连接而成的环状低聚糖化合物。•常见的环糊精是有6（或7、8）个葡萄糖分子通过α-1，4苷键连接而成，分别称为α-CD、β-CD、γ-CD。ß-CD的环状构型•CD的分子构型比较特殊，呈上窄下宽中空的环筒状，分子中的伯羟基（6-OH）位于环筒窄边处，仲羟基（2-,3-OH）位于宽边处。•环筒外面是亲水性的表面，内部则是一个具有一定尺寸的手性疏水管腔，可以依据空腔大小进行分子识别。•CD对酸较不稳定，对碱、热和机械作用都相当稳定，与某些有机溶剂共存时，能形成复合物而沉淀。可利用CD在不同溶剂中的溶解度不同而进行分离。环糊精包封药物的立体结构伯羟基仲羟基•β-CD在室温下水中溶解度仅为1.85%（w/v），其水溶性比没有环合的低聚糖同分异构体要低得多，其原因是：β-CD是晶体,其晶格能高，故水溶性差；β-CD的仲羟基形成分子内氢键，使其与周围水分子形成氢键的可能性下降，故水溶性差。•通过对β-CD分子进行化学结构修饰，破坏β-CD的晶格结构（使晶体变成易溶于水的无定形结构）；减少仲羟基的数目（如进行取代反应等），可以大大提高β-CD的水溶性（例如β-CD衍生物的水溶性较大）。各种环糊精的一般性质项目α-CDβ-CDγ-CD葡萄糖单体数678分子量97311351297分子空洞内径0.45-0.6nm0.7-0.8nm0.85-1.0nm空洞深度0.7-0.8nm0.7-0.8nm0.7-0.8nm空洞体积17.6nm34.6nm51.0nm[α]25D(H2O)+150.5°+162.5°+177.4°溶解度（g/L,25℃）145185232结晶性状（从水中得到）针状棱柱状棱柱状项目α-CDβ-CDγ-CD葡萄糖单体数678分子量97311351297分子空洞内径0.45-0.6nm0.7-0.8nm0.85-1.0nm空洞深度0.7-0.8nm0.7-0.8nm0.7-0.8nm空洞体积17.6nm34.6nm51.0nm[α]25D(H2O)+150.5°+162.5°+177.4°溶解度（g/L,25℃）145185232结晶性状（从水中得到）针状棱柱状棱柱状项目项目α-CDα-CDβ-CDβ-CDγ-CDγ-CD葡萄糖单体数葡萄糖单体数667788分子量分子量9739731135113512971297分子空洞内径分子空洞内径0.45-0.6nm0.45-0.6nm0.7-0.8nm0.7-0.8nm0.85-1.0nm0.85-1.0nm空洞深度空洞深度0.7-0.8nm0.7-0.8nm0.7-0.8nm0.7-0.8nm0.7-0.8nm0.7-0.8nm空洞体积空洞体积17.6nm17.6nm34.6nm34.6nm51.0nm51.0nm[α]25D(H2O)[α]25D(H2O)+150.5°+150.5°+162.5°+162.5°+177.4°+177.4°溶解度（g/L,25℃）溶解度（g/L,25℃）145145185185232232结晶性状（从水中得到）结晶性状（从水中得到）针状针状棱柱状棱柱状棱柱状棱柱状ß-CD在不同温度的水中溶解度温度（℃）20406080100溶解度（g/L）183780183256（二）环糊精衍生物•CYD衍生物更有利于容纳客分子，并可改善CYD的某些性质。（1）水溶性环糊精衍生物（2）疏水性环糊精衍生物可提高难溶性药物的溶解度，促进药物的吸收。常用做水溶性药物的包合材料，以降低水溶性药物的溶解度，使其具有缓释性。•由于在β-CD的圆筒两端有7个伯羟基和14个仲羟基，其分子内（或分子间）的氢键阻止水分子的水化，使β-CD水溶性较小。•如果将甲基、乙基、羟丙基、羟乙基等基团引入到β-CD分子中与羟基进行烷基化反应（例如形成羟丙基-β-CD），可以破坏分子内氢键的形成，使β-CD的理化性质特别是水溶性发生显著改变。β-环糊精的衍生物•衍生化反应的类型①烷基化：如β-CD与硫酸二甲酯（或溴甲烷）在40OC条件下生成甲基化衍生物：二甲基-β-CD或三甲基-β-CD；②羟烷基化：在碱性条件下，β-CD与环氧丙烷发生缩合反应生成无定形的、水溶性的2-羟丙基-β-CD。③分支化支链β-CD衍生化：在异淀粉酶作用下，β-CD与麦芽糖作用可生成6-O-α-麦芽糖基-β-CD。三、包合作用的影响因素1、主客分子的结构与性质2、主客分子的比例3、包合条件4、包合作用竞争性（一）主客分子的大小客分子的大小和形状应与主分子的空穴相适应才能获得性质稳定的包合物。客分子太大——性质不稳定客分子太小——包合不稳定1、主客分子的结构与性质（二）药物极性的影响在环糊精的空洞内，非极性客分子更容易与疏水性空洞相互作用，因此疏水性药物、非解离型药物易被包合。2、主客分子的比例•包合物不仅在水和有机溶剂中能形成，而且在固态中也能形成。•包合物以溶液态存在时，客分子在主分子的空穴内；包合物以晶体存在时，客分子不一定都在空穴内，也可以在晶格空隙中。•一般情况下，当主、客分子的摩尔比为1:1时，会形成较稳定的单分子化合物。3、包合条件•不同的饱和方法、包合温度、搅拌速率及时间、干燥过程的工艺参数等均可影响包合效率。•如制备胆酸-H-β-CD包合物，分别用饱和溶剂法、研磨法、超声法，得到的包合率分别为39.3%、61.4%、69.9%4、包合作用的竞争性•包合物在水溶液中（或含有少量乙醇的水溶液中）与客分子药物处于一种动态平衡的状态：CD+GCD·GKRKD式中：KR为结合速度常数，KD为解离速度常数。从式中可知：环糊精CD的浓度越高，包合物CD·G的生成量越大，最终客分子G几乎被完全包合（达到饱和状态）。在制备包合物时，其它物质或有机溶剂会与客分子产生竞争包合（或将原包合物中的药物置换出来），影响包合效果。四、常用的包合技术（方法）•饱和水溶液法•研磨法•超声波法•冷冻干燥法•喷雾干燥法•液-液或气-液法（最常用的方法为前三者）（1）饱和水溶液法•将环糊精饱和水溶液与药物或挥发油按一定的比例混合，在一定温度和一定时间条件下搅拌、振荡，经冷藏、过滤、干燥，即得环糊精的包合物。•制备条件：①影响包合率的主要因素有投料比、包合温度、包合时间、搅拌方式等；②客分子为油时，一般认为投料比为β-CD:油=6:1时，包合效果比较理想;③包合时间30分钟以上。（2）研磨法•环糊精中加入2-5倍量的水研匀，加入客分子药物量，在研磨机中充分混匀研磨成糊状，经低温干燥，溶剂洗涤，再干燥，即得包合物。在工业化大生产中，目前采用胶体磨研磨制备包合物。（3）超声波法•将环糊精饱和水溶液中加入客分子药物，混合后用超声波处理，将析出沉淀溶剂洗涤、干燥，即得稳定的包合物。（4）冷冻干燥法和喷雾干燥法•对受热干燥过程中易分解且易溶于水的药物，可以采用冷冻干燥的方法制备包合物。•喷雾干燥法适用于遇热较稳定、难溶性或疏水性药物。五、包合物的物相鉴定•药物与CYD是否形成包合物，可根据包合物的性质和结构状态，采用下述方法进行验证，必要时可同时用几种方法。X射线衍色法红外光谱法核磁共振法荧光光度法圆二色谱法热分析法薄层色谱法紫外分光光度法相溶解度法（一）相溶解度法•溶出度法不仅用于包合物的生成，也可以证实或评价形成包合物的增溶效果，其方法是通过绘制溶解度曲线进行判断。•通过测定药物在不同浓度的环糊精溶液中的溶解度，绘制溶解度曲线。以药物浓度为纵坐标，环糊精浓度为横坐标作相溶解度图。从曲线上判断是否生成包合物。（二）X-射线衍射法•X-射线衍射法是一种鉴定晶体化合物的常用技术，各晶体物质在相同的角度处具有不同的晶面间距，从而显示衍射峰。•例如，在萘普生（NAP）的包合物鉴定中，机械混合物显示了萘普生和β-CD的衍射谱重叠，而包合物的衍射峰很少、强度小且很宽，从而表明：该包合物是无定形状态，包合物已经形成（如图所示）。图NAP及其ß-CD的包合物等的X-射线谱1.NAP2.ß-CD3.机械混合物4.包合物（三）热分析法•热分析法中包括差热分析法（differentialthermalanalysis，DTA）和差示扫描量热法（differentialscarnningcalorimetry，DSC）是鉴定是否形成了包合物的常用检测方法。•鉴定时测定客分子药物、环糊精、包合物、物理混合物各自的DTA曲线，由DTA曲线上的吸收峰及温差的变化可显示包合物是否形成。（四）红外光谱法•红外光谱法是比较药物包合前后在红外区吸收的特征，根据吸收峰的变化情况（吸收峰的降低、位移或消失），证明药物与环糊精产生的包合作用，并可确定包合物的结构。•可以分别做药物、环糊精、二者机械混合物和包合物的红外吸收光谱并进行比较。该法主要用于含羰基药物的包合物检测。（五）核磁共振谱法•核磁共振谱法可从核磁共振谱上碳原子的化学位移大小，推断包合物的形成。•可根据药物的化学结构，有选择性地采用碳谱和氢谱。一般是：–对含有芳香环的药物，可采用1HNMR；–对不含有芳香环的药物可采用13CNMR。（六）紫外分光光度法可以从两方面证实有无包合物生成：•从吸收峰的位置和高度来判断；•从紫外-可见吸收曲线有无等吸收点来判断。图18-15对硝基酚-α-CD包合物的紫外吸收曲线(pH11,20℃)α-CD的浓度（a→b）:0,1×10-4,5×10-4,1×10-3,5×10-3，1×10-2mol/L.等吸收点（七）荧光光谱法•是比较药物与包合物的荧光光谱，从荧光曲线、吸收峰的强度和位置变化来判断是否形成包合物。•例如盐酸氯丙咪嗪与β-CD和DM-β-CD的包合物的荧光光谱如图18-12所示。盐酸氯丙咪嗪与环糊精形成包合物后，在350nm附近的荧光强度明显增加。图18-12CIP-ß-CD体系的荧光光谱1.CIP2.CIP+ß-CD3.CIP+DM-ß-CD（八）圆二色谱法•平面偏振光通过光学活性物质时，将发生偏振光被吸收的现象，导致左旋转圆偏振光和右旋转圆偏振光的能量（即振幅）不同，此现象称为圆二色性。由于左、右旋转圆偏振光的振幅不同，合成