本系列文章是由晶云固态检测中心整理发起的交流学习专栏，旨在与业界同行探讨及分享各类固态表征的系统应用，挖掘及研究各类测试的结果及数据意义，交流及解决表征测试中遇到的各类问题，期待为药物结晶研发过程中遇到的问题提供解决思路。
内容导览
1. 引言
2. 固态表征联用
2.1 无定形的表征分析
2.2 无水晶型的表征分析
2.3 水合物的表征分析
2.4 溶剂合物的表征分析
3. 结语
4. 参考文献
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引 言
药物研发过程中，晶型研究是必不可少的环节。创新药研究中，需要开展晶型、盐型筛选，以得到适合后续开发的优势盐型或优势晶型；仿制药项目，在原料药以及制剂阶段，都需要确认其晶型。
对于晶型研究，晶型属性鉴定是首要任务，样品是游离态还是盐型，其固体形式是无定形还是晶态，晶态样品是无水晶型、水合物还是溶剂合物？晶型属性确定后，才能更顺利地开展晶型转化关系、晶型评估等研究。
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固态表征联用
2.1 无定形的表征分析
无定形常用的表征方法有XRPD、PLM以及mDSC，呈现在XRPD谱图上峰的数量较少且呈弥散状（为宽峰或馒头峰）（ 中国药典2020版 0451），PLM谱图显示无双折射现象，mDSC谱图上显示玻璃态转化温度Tg。
以降血脂药物辛伐他汀（simvastatin, SIM）、降血压药物卡维地洛（carvedilol, CAR）和降血压药物厄贝沙坦（irbesartan, IRB）的无定形样品表征为例，采用PLM、XRPD、DSC及FT-IR进行表征。PLM显示其形貌均呈现不规则片状，无双折射现象；在DSC谱图中都显示明显的玻璃态转变；XRPD图谱中均未出现晶体的衍射峰，呈弥散状；多种方法表征分析样品为无定形。
Polarizing microscope (PLM) photographs (10×10) (A), X-ray powder diffraction (XRPD) patterns (B), differential scanning calorimetry (DSC) thermograms (C) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectra (D) of crystalline SIM (a) and its melt cooling product (b), crystalline CAR (c) and its melt cooling product (d), crystalline IRB (e) and its melt cooling product (f)
无定形的高度无序性赋予了它更高的自由能，随之带来高溶解度的优势，对于 BCS (Biopharmaceutics Classification System) II类或IV类药物，以无定形形式开发具有潜在的优势。但是需要重点关注的是，无定形更高的自由能，不可避免地带来物理和化学稳定性的风险。
2.2 无水晶型的表征分析
无水晶型仅由药物分子组成，通过药物分子的分子间作用力形成。无水晶型的TGA/DSC表征分析的代表性谱图如下图所示，样品分解前较小的TGA失重（通常需小于0.5个水分子含量wt%），样品分解或转晶/重结晶前单一熔融吸热峰。
在实际项目研究中，存在某些水合物的水分子个数小于0.5的特殊情况。尤其在临床前研究阶段，筛选得到的样品量较少，且样品不具有代表性，其晶型属性的鉴定需要全面表征。因此，对于可开发性较高的无水晶型，建议增加变温XRPD测试或单晶解析确认其晶型属性。
例如，某化合物的晶型A，结合上图中TGA和DSC的表征数据分析，熔融前存在较小的TGA失重，且熔点较高。初步评估该晶型为无水晶型，且理化性质较优，具有可开发性。后续结合变温XRPD的表征分析，氮气保护下加热至145°C（高温时晶格膨胀引起部分峰偏移）、降至30°C后，晶型无变化，进一步鉴定晶型A为无水晶型。
2.3 水合物的表征分析
水合物的构型是水分子与药物分子通过氢键等作用力形成，分为三类：隔离水合物、管道水合物和离子相关水合物。
排除有机溶剂的干扰，水合物的TGA/DSC代表性谱图如下图所示，TGA谱图上显示样品在分解前不少于0.5个水分子含量的失重，其DSC谱图上在对应温度范围有脱水信号。结合TGA/DSC的表征数据，通过加热实验、变温/变湿XRPD、DVS等技术手段，可研究水分子是否参与晶格组成。
例如，某化合物晶型A样品，TGA谱图中在160°C前存在明显失重，核磁显示无明显有机溶剂残留，说明加热至160°C的失重均来自水的脱除。DSC谱图中，在对应温度范围可观察到一个较宽的吸热峰，同时还可观察到多个热信号。此前热分析文章中已有介绍，样品的物理化学变化均可能引起DSC热信号。
结合DSC热信号，采用加热的方法研究可能存在的多晶型，分别加热至150、180、205°C再降至室温，暴露在空气中测试XRPD。结果显示，加热至150、180°C后，得到的都为新晶型B，加热至205°C后，得到新晶型C。
综合可知，加热至150°C后，晶型已发生变化，同时样品已明显脱水，由此推测晶型的变化由水的脱除引起，晶型A为水合物。同时，晶型A的DVS表征中，在低湿度时明显有脱水失重的台阶。DVS中水含量与TGA失重基本一致，由此估算水分子个数约2.5个。
2.4 溶剂合物的表征分析
溶剂合物的构型与水合物相似，溶剂与化合物分子以一定的作用力结合，成为晶格的一部分，构成溶剂合物。
对含有溶剂的样品进行固态分析时，采用多种手段相结合，如TGA、DSC、NMR等，从而判断其结合方式。溶剂合物的TGA/DSC代表性谱图与水合物相似，如下图所示，TGA谱图上显示样品在分解前有明显的失重，其DSC谱图上在对应温度范围有溶剂信号。
同时，结合NMR以及TGA的数据，判断该案例中的晶型为MIBK溶剂合物，其化学计量比为1.2。
当然，判断溶剂化物类型最直接的方法还是通过单晶衍射。通过单晶衍射可以很明确的判断溶剂分子和API分子的作用方式，化学计量比。
溶剂合物一般不能作为药物，但上市药物也有极个别案例，如Jevtana（Cabazitaxel Acetonate，卡巴他赛丙酮注射剂），以丙酮溶剂合物作为原料药。根据专利CN103804323A，卡巴他赛的无水物在不同湿度条件下易转变成水合物，且得到的水合物的含水量也不相同。因此，卡巴他赛的无水物和水合物的稳定性较差。丙酮属于三类溶剂，为了得到质量稳定可控的原料药，原研厂家应该是不得已而选择丙酮合物。
需要注意的是，异质同晶溶剂合物是API和不同的溶剂形成溶剂合物，这些溶剂合物的晶体结构相似，故它们的XRPD衍射图也很相似。当然，XRPD相似或者谱图有明显区别不能判断是否为异质同晶的溶剂合物，最准确的方法则是单晶结构解析。
对于溶剂合物的研究，在实际案例中可以中间体的形式用于药物提纯，或者作为一种过渡晶型，用于制备难以直接得到的晶型。
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结语
药物晶型研究贯穿于原料药以及制剂研究各个阶段。晶云拥有X-射线粉末衍射仪、热重分析仪、差式扫描量热仪、动态水分吸附脱附分析仪、偏光显微镜、激光粒度分析仪等测试仪器及资源，专人对接，解答技术问题，旨在提供高效、高质的服务，助力药物研发。
参考文献
1. Cheng J, Guo HH, Zhang JJ, et al. Physical and chemical properties of co-amorphous simvastatin-gliclazide[J]. J China Pharma Univ (中国药科大学学报), 2015, 46: 301-308
2. Beyer P, Reinholz E. Thermodynamically stable modification of 1-(4-carbazolyl-oxy-3-[2-(2-methoxy phenoxy)-ethylamino]-2-propanole, process for its preparation and pharmaceutical compositions containing it. EP, 0893440A1[P]. 1999
3. Hancock BC, Zografi G. Characteristics and significance of the amorphous state in pharmaceutical systems[J]. J Pharm Sci, 1997, 86: 1-12
4. Pokharkar VB, Mandpe L, Padamwar MN, et al. Development, characterization and stabilization of amorphous form of a low Tg drug[J]. Powder Technol, 2006, 167: 20-25