使用原子力显微镜检查药物生长，颗粒和涂料的药物产品研究欧洲杯猜球平台

微观评估对于药物配制过程中的步骤后，对药物产品的设计和评估非常重要。由于原子力显微镜（AFM）提供了在环境和液体环境中直接研究纳米末端分辨率的表面结构的能力，因此它已应用于各种药物研究，并提供了对其他常见分析技术的强大补充。

本应用笔记描述了AFM在研究药物晶体生长、颗粒表征和药片涂层制造固体剂型中的应用。

用于药物研究的原子力显微镜方法

AFM是通过在试样表面上扫描柔性悬臂梁末端的尖状物来完成的，同时保持一个小的、恒定的力。尖端类型根据应用程序的要求而变化，但它们的末端半径通常为5到10纳米。在一个基本的原子力显微镜设置中，压电管扫描仪在样品上以光栅模式扫描尖端。探针-样本相互作用是通过将来自悬臂梁背面的激光反射到分裂光电二极管探测器来监测的。

在过去的几十年里，人们开发了各种各样的扫描模式来控制探针扫描样品的方式。接触模式和TappingMode™是两种更常用的AFM操作技术。

联系方式

在接触模式AFM中，通过在每个横向(X,Y)数据点上垂直移动扫描仪(Z)以形成地形图像的反馈回路来保持恒定的悬臂偏转。通过在扫描过程中保持恒定的偏转，在尖端和样品之间保持恒定的垂直力。成像过程中施加的力通常在0.1到100纳米牛顿之间。尽管接触模式已被证明对广泛的应用是有用的，但它有时在相对软的样品上有困难。

TappingMode

TappingMode AFM包括以谐振频率(通常为300千赫兹)振荡悬臂梁，并以恒定的阻尼振幅扫描表面。通过在扫描过程中垂直移动扫描仪，反馈回路保持恒定的均方根(RMS)振幅，从而相应地保持恒定的施加力来形成地形图像。TappingMode的主要优点是，与接触模式相比，它通常在较低的垂直力下工作，并且消除了可能破坏某些样品的横向剪切力。

成像软，脆弱，粘合剂和p铰接表面

因此，TappingMode已经成为软、脆、粘和颗粒表面成像的首选技术。虽然AFM最初的用途是产生高分辨率的地形图像，但许多相关技术已经发展起来，用于研究样品表面的物理和材料特性，从而产生了扫描探针显微镜(SPM)领域。例如，PhaseImaging™包括在TappingMode成像期间映射振荡悬臂的相位滞后与驱动信号。这将产生一个地形图像和一个相位图，可以根据粘弹性、粘附性、疏水性和其他特性区分区域。

水晶生长

为了给药，治疗药物通常会形成晶体。三维表面形貌和晶体结构对晶体药物形态的制造、释放的方便性、生物利用度、溶出率和疗效有显著影响。为了调整生长过程以适应所需的行为，需要优化生长参数，如温度、pH值、浓度和添加剂水平。为了优化生长条件，获得理想的形貌，并研究生长机制和缺陷的形成，采用AFM对结晶过程进行了原位可视化。

例如，Yip和Ward研究人员已经使用AFM研究了几种胰岛素形态的原位结晶特性:牛胰岛素、赖氨酸^B28.pro^B29.胰岛素、超冷胰岛素和胰岛素-鱼精蛋白复合物。由于成像胰岛素表面所需的力很小，他们直接在结晶液中使用TappingMode成像。图1显示了在Lys上观察到的超过11小时的螺位错的外延生长^B28.pro^B29.胰岛素。

图1。原位TAPPPEMODE AFM成像（001）LYS的平面^B28.pro^B29.晶体生长期间的胰岛素。成像区域以螺钉脱位为中心，在11小时内完成一次旋转。图像采集时间为1 = 0,2 = 3605,3 = 7210,4 = 10,815,5 = 18025,6 = 40,590秒。在1 - 3中，由尖端故意形成的缺陷(标注1)在120分钟内修复。在4-6中，胰岛素聚集物形成了一个没有并入生长梯田的空隙。5μm扫描。图片由多伦多大学C. Yip提供。

梯田的高度约为30埃，这与菱形液胰岛素六聚体的C轴间距一致^B28.pro^B29.胰岛素。观察原位的结晶行为使得可以确定生长速率并实时观察缺陷形成。观察到步骤进步发生在2 x 10^-6这相当于附着大约5个单位细胞(15赖氨酸)^B28.pro^B29.六角形）每秒。

缺陷似乎是由于大的胰岛素聚集物由于流动性差而无法与晶体结构正确对齐，从而在生长梯田中形成位错和空隙。

这些观察是为了研究不同赖氨酸的生长特性的差异^B28.pro^B29.胰岛素和野生型猪/牛胰岛素。Lys.^B28.pro^B29.胰岛素不同于野生型猪/牛的胰岛素，因为在b链c端有一个序列倒置。这种序列倒置的设计是为了减少胰岛素单体的结合，以更好的溶解性质。然而，序列反转也产生了不同的结晶行为，由AFM观察。Lys.^B28.pro^B29.显示胰岛素具有较小的附接能量（_GK），更圆的螺旋位错，较大的露台宽度，以及（001）平面中的更持久的空缺。这些差异可能对晶体质量和作为治疗剂的行为产生显着影响。

多态性

药物形式形成多于一种结晶形式的能力称为多态性。不同的多晶型物具有不同的物理化学性质，其影响溶解度，溶解，吸附，熔点和稳定性。因此，多态表征是维持制药行业高产品质量和再现性的重要参数。

在YIP和Ward的上述研究中，通过使用所有三个维度在所有三维中成像来映射晶体结构来鉴定胰岛素的多态形式的胰岛素。在诺丁汉大学，Danesh和Coworkers使用先进的相分析技术来识别和映射药物西乙胺的多晶型物的分布。

然后进行力 - 相互作用研究（振幅相距离关系）以鉴定基于疏水性差异的多晶型物。在图2中，在地形图像中不容易区分中的Cimetidine多晶型A和B，但它们的分布很容易在相位图像中表征。相位图像中的对比度很可能是由于多晶型物之间的疏水性的差异，这产生了由于毛细力的变化引起的尖端样品相互作用的差异。通过用亲水性（血浆）和疏水性（烷基硅烷）官能化探针进行实验来研究这种对比。

图2。用亲水探针相成像研究药物西咪替丁的多态A和B的分布。相位图(右)显示了A(暗)和B(亮)的分布，这在topographic TappingMode图像(左)中不明显。相像对比度的差异是由于疏水性的不同。4μm扫描。图片由诺丁汉大学C. Roberts提供礼貌。

粒欧洲杯猜球平台子

固体剂型的生产通常从药物形成颗粒开始，颗粒的大小通常在0.1到10微米之间。欧洲杯猜球平台这些颗粒的表征在药物配方之前是很重要的，因为它们的形态欧洲杯猜球平台、大小和形状可以提供有关制造过程的信息。粒径还影响溶解速率、生物利用度、含量均匀性、稳定性、质地、流动特性和沉降速率，因此对处方和治疗效率有显著影响。

有许多方法通常用于研究颗粒，例如像动态光散射和激光衍射的光散射技术。欧洲杯猜球平台然而，这些技术样本大量颗粒以提供粒度或特征的分布。欧洲杯猜球平台通常存在在研究颗粒的情况下成为理解粒子系统的关键步骤。欧洲杯猜球平台直接研究各个颗粒的一种常用方法是透射电子显微镜（TEM）。欧洲杯猜球平台然而，通常用于TEM的小颗粒的样品制备是具有挑战性和耗时的。欧洲杯猜球平台AFM已成功地检查药物颗粒直接与制造过程和行为特性的形态相关。欧洲杯猜球平台

图3显示了使用AFM表征药物颗粒形态的示例。传统上通过微欧洲杯猜球平台粉化或喷雾干燥技术将药物晶体碾碎到小于10微米的颗粒尺寸，传统上形成药物颗粒。

图3。对乙酰氨基酚的高度(左柱)和相位(右柱)通过微粉化和SEDS形成药物颗粒。欧洲杯猜球平台图3-1:原料晶片。图3-2:微细颗粒，结构粗糙，不规则。图3-3:SEDS颗粒结构规则光滑，欧洲杯猜球平台晶粒为0.9nm。图3-4:起始物料的粗糙度，微粉化颗粒，和SEDS颗粒。图片由Patel, Davies和Roberts提供，Molecular Profiles，英国;Palakodaty, Gilbert, York, Bradford Particle Design Ltd.， UK。

然而，由于批次间的变化、残留溶剂和静态带电粒子会影响粉末的稳定性和流动，这些技术可能会导致问题。欧洲杯猜球平台另一种叫做超临界流体溶液增强分散(SEDS)的颗粒形成方法克服了这些问题，并提供了对颗粒大小、形状和形态的更多控制。图3-1左上角的AFM图像显示的是paracetamol的起始原料，可以看到晶体梯田。微粉化和SEDS形成的欧洲杯猜球平台颗粒图像分别如图3-2和图3-3所示。

微粉化颗粒欧洲杯猜球平台

微粉化的颗粒大小不一，且不规则，欧洲杯猜球平台表面粗糙度很大，然而，SEDS颗粒的形状规则，尺寸约为10微米，与原始材料相比，粗糙度有所降低(见图3-4右下角的图像)。通过AFM可以看出，由SEDS产生的更光滑的表面和规则的形状应该可以减少批次间的变化和在微粉化材料中遇到的静电荷问题，同时也可以改善颗粒的流动性能。欧洲杯足球竞彩欧洲杯猜球平台

颗粒

一旦药物处于颗粒形式，通常通过将药物颗粒与结合剂，稀释剂和崩解剂混合来形成颗粒中。欧洲杯猜球平台湿造粒方法包括将液体粘合剂或粘合剂添加到混合物中，使湿润物质通过所需网眼的筛网筛，并干燥颗粒。所得颗粒通常在几毫米的范围内，并显示出流动性能的改善以及相对于颗粒的化学和物理稳定性。欧洲杯猜球平台AFM在表征颗粒的形态和粗糙度方面非常成功地将它们的表面结构与制造过程中的底层物理化学和机械过程相关联（见图4）。

图4。含咖啡因、乳糖和聚合物的湿颗粒的表面形态。粗糙度测量提供了有关形成过程和物理化学性质的信息。插入图像-振幅(左)和高度(右)图像。5μm扫描。图片由T. Li、K. r . Morris和K. Park提供，普渡大学。

涂料

有许多涂料可以用于药片，以满足各种不同的用途。药物涂料的常见用途包括保护药物不受空气和湿度的影响，为不良的味道或气味提供屏障，并控制药物的溶解行为。糖涂层通常用于药片，以及聚合物涂层，后者更耐用，体积更小，应用时间更短。聚合物涂层的设计通常是在胃肠道破裂，以避免胃刺激和提高药物的吸附。包衣颗粒和其他原料药也是设计控释和微胶囊制剂的关键步骤。

AFM涂层和薄膜的表面通常与沉积参数(如温度、速率、成分等)和性能相关。

AFM在涂层研究中的常见应用包括评价表面形貌、粗糙度、表面积、成分分布、硬度和孔隙率。研究了这些性能随老化和环境的变化。图5显示了一种片剂包衣，作为控释应用的膜，在膜浸出和药物释放过程中形成孔隙。涂层的孔隙结构、粗糙度和表面积可以通过AFM很容易地确定。

图5。片剂包衣，孔隙结构复杂。表面结构、粗糙度和表面积可以很容易地表征。5μm扫描。由ALZA公司提供样品。

总结

AFM为制药研究人员和制造商提供了各种各样的技术来评估药物配方过程的步骤。本文中的例子表明，AFM在空气和流体环境中的高分辨率成像，在动态过程、制造变量、组件分布和结构函数关系的研究中发现了效用。AFM具有TappingMode和PhaseImaging技术的能力，可以提供其他分析技术无法获得的信息。因此，AFM在制药行业的应用越来越多，这无疑将导致更多的应用和其他SPM技术的采用。

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