DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

一、DOE概述

1. 概述

DOE(Design of Experimental)是一種安排和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法，通過對實驗的合理安排，能以較小的實驗規(guī)模和較少的試驗次數(shù)，較短的試驗周期和較低的成本，得到理想的實驗結(jié)果和得出科學(xué)的結(jié)論。  

ICH于2005年出臺的ICH Q8中提出了“質(zhì)量源于設(shè)計(quality by design, QbD)”的理念，QbD是將科學(xué)的方法和風(fēng)險管理的理念應(yīng)用于藥品工藝開發(fā)和生產(chǎn)全過程。 目前QbD理念在固體制劑的研發(fā)和生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，F(xiàn)DA于2013年正式提出，仿制藥開發(fā)需采用QbD理念及方法。 實施QbD的核心在于通過DOE及數(shù)學(xué)模型確認(rèn)關(guān)鍵工藝參數(shù)與關(guān)鍵質(zhì)量屬性之間的多維組合與相互作用，進(jìn)而確認(rèn)工藝設(shè)計空間 (design space) 和基于設(shè)計空間的質(zhì)量控制策略。

2 基本分類

DOE藥學(xué)應(yīng)用當(dāng)中最常用的幾個分類如下：

★  篩選實驗即單因子試驗設(shè)計

★  全因子試驗設(shè)計 

★  部分因子試驗設(shè)計 

★  響應(yīng)曲面試驗設(shè)計 

★  混料設(shè)計 

★  田口設(shè)計

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前醫(yī)藥研發(fā)已將QbD理念融入藥品研發(fā)環(huán)節(jié)，而DOE為解決這一問題的高效、關(guān)鍵的工具，采用DOE能更加科學(xué)、準(zhǔn)確的確定CMA、CPP等關(guān)鍵參數(shù)，目前國內(nèi)大多企業(yè)均不擅長使用此工具，很多制劑人員在進(jìn)行處方工藝研究時基于自己經(jīng)驗，采用單因素進(jìn)行考察，嚴(yán)重依賴經(jīng)驗研發(fā)模式，處方工藝研發(fā)缺乏系統(tǒng)性，部分研究不夠充分和科學(xué)，最終的研究結(jié)果存在一定的不確定性，生產(chǎn)放大時存在一定隱患。  

基于國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合筆者對DOE的理解，嘗試采用DOE的方式，考察DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝優(yōu)化過程當(dāng)中的應(yīng)用。

二、濕法制粒工藝概述

1概述

高速剪切濕法制粒 (high shear wet granulation,HSWG) 因混合效果好、速度快、效率高、能耗低和全封閉等優(yōu)點，成為近年來發(fā)展較快、應(yīng)用最為廣泛的制粒技術(shù)。 然而在高速剪切濕法制粒過程中，攪拌槳、切割刀轉(zhuǎn)速、黏合劑噴入的距離、霧化速度、加液速度和加液量、制粒時間、物料占比、攪拌槳及切割刀幾何參數(shù)等眾多參數(shù)均會對制粒后顆粒質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2 制粒特點-固體橋連接的粉末聚集過程

參照《固體口服制劑的研發(fā)-藥學(xué)理論與實踐》一書，及陳挺老師《流化床微丸包衣工藝和高剪切制粒工藝的關(guān)鍵因素和工藝放大》一文中對于濕法制粒的理解，濕法制粒核心需對濕顆粒的含水量和顆粒緊實程度進(jìn)行優(yōu)化，以獲得合理的濕顆粒液體飽和度，以期獲得合適并穩(wěn)定的粉體學(xué)特征的顆粒，用于壓片、包衣等， 通過參數(shù)摸索確認(rèn)濕法制粒的關(guān)鍵工藝參數(shù)及工藝設(shè)計區(qū)間為濕法制粒研究的關(guān)鍵點及難點。  

高速剪切濕法制粒可分為 預(yù)混階段、噴粘合劑階段和濕顆粒形成階段。 由于濕法制粒機(jī)中有很多工藝參數(shù)如攪拌及剪切速度、粘合劑加入時間、制粒時間、粘合劑加入量等都會對顆粒性質(zhì)產(chǎn)生影響，同時這些工藝參數(shù)之間還可能存在協(xié)同作用，共同決定最終的顆粒性質(zhì)。    

?   無論是從實驗室研究設(shè)備或中試放大設(shè)備到生產(chǎn)批次設(shè)備的放大研究，在批量放大時都經(jīng)常遇到各種問題，如何考慮各設(shè)備攪拌及剪切幾何形狀的差異、攪拌速度的放大的規(guī)則（經(jīng)驗 or Froude常數(shù)？ ）、粘合劑加入時間的控制、制粒時間的確認(rèn)（加液后）、總粘合劑加入量等等，在放大研究時均需細(xì)致的考慮及控制，放大策略的制定不是本次討論的重點，但如何保證并提高濕法制粒放大驗證的成功率，任重而道遠(yuǎn)。  

?   實驗室小試研究時需對濕法制粒各工藝參數(shù)如攪拌速度、粘合劑加入時間、制粒時間、粘合劑加入量進(jìn)行系統(tǒng)研究，做到心中有數(shù)，明確軟材做到什么程度可行，什么狀態(tài)不合適，不合適如何調(diào)整等，小試研究若研究的不夠充分后續(xù)再次放大驗證的風(fēng)險極高，成功率較低。

三、DOE試驗設(shè)計應(yīng)用于

濕法制粒工藝優(yōu)化實例

通過單因素考察進(jìn)行濕法制粒各參數(shù)考察時，變量較多，試驗量也較大，同時各參數(shù)間的協(xié)同作用無法進(jìn)行有效評估，筆者在單因素的基礎(chǔ)上結(jié)合濕法制粒經(jīng)驗，嘗試通過DOE試驗設(shè)計摸索并確認(rèn)影響關(guān)鍵質(zhì)量屬性的關(guān)鍵工藝參數(shù)，與常規(guī)經(jīng)驗及單因素結(jié)果進(jìn)行對比研究，獲得結(jié)論。  

通過具體例子進(jìn)行DOE試驗設(shè)計及分析，過程及結(jié)果如下 ：

處方組成：

注： 本品API為BCS I類化合物，性質(zhì)較粘

基本工藝：

1）原輔料處理： 原料藥、甘露醇過60目篩備用；

2）稱量： 稱取處方量的原料藥、甘露醇、交聯(lián)聚維酮（內(nèi)加）、無水碳酸鈉備用；  

3）粘合劑溶液配制： 稱取適量純化水，攪拌狀態(tài)下加入適量的聚維酮，配制成固含量8%濃度溶液；  

4）預(yù)混： 將物料置于濕法制粒機(jī)中攪拌剪切混合5min；

5）制軟材： 采用濕法制粒機(jī)制軟材；  

6）濕整粒： 采用搖擺制粒機(jī)20目篩進(jìn)行濕整粒；  

7）干燥： 將物料置于流化床中進(jìn)行干燥，至水分小于3.0%；

8）干整粒： 采用搖擺制粒機(jī)30目篩進(jìn)行干整粒；  

9）總混、壓片

本品采用濕法制粒的工藝，濕法制粒時粘合劑用量、攪拌速度、粒化時間（制粒時間）協(xié)同作用決定了顆粒的粉體學(xué)性質(zhì)，同時可能對制劑崩解時限/溶出行為產(chǎn)生影響，故濕法制粒時，以顆粒粉體學(xué)性質(zhì)（休止角、松密度、卡爾指數(shù)、粒度分布等），崩解時限、溶出度等為響應(yīng)指標(biāo)，以攪拌速度、粘合劑用量、制粒時間為因素進(jìn)行帶三個中心點的23兩水平三因素全因子試驗設(shè)計考察制粒參數(shù)對顆粒及制劑質(zhì)量屬性的影響，試驗設(shè)計如下： （試驗設(shè)計之前通過單因素試驗初步明確粘合劑的最低及最高用量，同時固定粘合劑加入速度及總加入時間，以免出現(xiàn)失敗試驗及偏差）

根據(jù)DOE設(shè)計試驗方案如下：

各試驗響應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

數(shù)據(jù)分析：

?   影響卡爾指數(shù)及休止角顯著因子分析

結(jié)論： 各工藝參數(shù)的改變對顆粒卡爾指數(shù)及休止角無明顯影響。 （ 整體模型主效應(yīng)P＞0.05，無明顯差異，未達(dá)到預(yù)期）

?   影響粒度分布顯著因子分析

結(jié)果分析：

1）粘合劑用量為影響80目以下粉末粒度分布的顯著因子 

2）攪拌速度為影響40-80目顆粒粒度分布的顯著因子

結(jié)論： 粘合劑用量和攪拌速度為影響顆粒粒度分布的關(guān)鍵工藝參數(shù)，后續(xù)重點關(guān)注放大驗證時粘合劑用量及攪拌速度的選擇。  

通過模型優(yōu)化能獲得 整體模型主效應(yīng)P＜0.05，模型有效，未出現(xiàn)明顯彎曲及失擬現(xiàn)象。

?   影響制劑崩解時限及溶出度的顯著因子分析

結(jié)果分析： 粘合劑用量為影響崩解時限及溶出度的關(guān)鍵工藝參數(shù)，攪拌速度及制粒時間對其影響較小

結(jié)論： 通過模型優(yōu)化能獲得 整體模型主效應(yīng)P＜0.05，模型有效，未出現(xiàn)明顯彎曲及失擬現(xiàn)象。 （以上數(shù)據(jù)為通過minitab及design expert軟件相互印證證明模型有效性）

?   工藝設(shè)計區(qū)間確認(rèn)

以5min溶出度、小于80目粒度分布及40-80目粒度分布為考察指標(biāo)，制定合理的目標(biāo)范圍，通過回歸方程模擬獲得本品的工藝設(shè)計區(qū)間，目標(biāo)值設(shè)定如下：

圖： 各工藝變量對

響應(yīng)的 重疊圖-工藝設(shè)計區(qū)間

圖： 粘合劑和攪拌速度對

5min溶出度的影響趨勢（制粒時間3.5min）

圖： 粘合劑和攪拌速度對40-80目

粒度分布的影響趨勢（制粒時間3.5min）

圖： 粘合劑和攪拌速度對小于80目

粒度分布的影響趨勢（制粒時間3.5min）

小結(jié)

通過本次DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝優(yōu)化中的應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)影響溶出度的關(guān)鍵工藝參數(shù)為粘合劑用量； 影響粒度分布的關(guān)鍵工藝參數(shù)為攪拌速度及粘合劑用量； 隨著粘合劑用量的增加及攪拌速度的增強(qiáng)，大于80目的顆粒越多，相應(yīng)顆粒越硬，制劑5min溶出度相應(yīng)有降低趨勢，獲得的結(jié)論與傳統(tǒng)經(jīng)驗及通過單因素試驗驗證獲得結(jié)論一致，可為后續(xù)再次放大驗證提供參考。  

注： 應(yīng)用本次DOE試驗獲得的數(shù)據(jù)建立的回歸方程，回歸系數(shù)未達(dá)到FDA QBD案例中相應(yīng)的水平，但通過相應(yīng)的趨勢分析可得到一部分關(guān)鍵結(jié)論，模型的準(zhǔn)確度有待優(yōu)化。

結(jié)語

通過DOE試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，本身其得到的結(jié)論與單因素及經(jīng)驗獲得的結(jié)論并不矛盾，兩者相互印證，從制劑角度說明了DOE實驗的準(zhǔn)確性及可用性，但確實也暴露出很多的問題，對應(yīng)用DOE進(jìn)行濕法制粒工藝優(yōu)化考察整個過程進(jìn)行回顧和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)有以下幾點：

缺點：

?  DOE試驗在開始運用時，由于對其的不熟悉性，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確預(yù)期試驗結(jié)果，無法保證所有實驗一次性成功。  

?  由于試驗設(shè)計試驗次數(shù)較多，每次試驗的準(zhǔn)確性及結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，對于人員素質(zhì)、設(shè)備性能、物料來源及批次、場地環(huán)境控制等要求較高，保證所有試驗的準(zhǔn)確性及平行性，避免模型無效、模型中出現(xiàn)彎曲及失擬現(xiàn)象。  

?  DOE基于數(shù)理統(tǒng)計的試驗設(shè)計，試驗過程及檢測的準(zhǔn)確性僅為試驗的一部分，基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，如何合理的建立模型，回歸模型的解讀，回歸模型的優(yōu)化（若回歸系數(shù)較低，模型準(zhǔn)確度低，則需再次增加重復(fù)試驗，優(yōu)化回歸模型提高模型準(zhǔn)確度）都考驗并挑戰(zhàn)制劑人員的知識儲備及耐心，這可能也是制約DOE國內(nèi)發(fā)展的一部分原因。

優(yōu)點：

?  通過DOE能夠更加集中的完成工藝考察過程，避免一般經(jīng)驗，邊做試驗等待結(jié)果后再決策后續(xù)方案，相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗單因素考察DOE試驗設(shè)計考察過程更加系統(tǒng)集中。  

?  通過模型的建立及回歸模型方程的建立，能獲得影響關(guān)鍵質(zhì)量屬性的關(guān)鍵工藝參數(shù)，通過回歸方程的模擬及預(yù)測，能獲得各關(guān)鍵工藝參數(shù)的變化對關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響趨勢，同時能評估各關(guān)鍵工藝參數(shù)協(xié)同作用對關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響； 基于各關(guān)鍵質(zhì)量屬性預(yù)設(shè)區(qū)間的設(shè)置，獲得合理的工藝設(shè)計空間，指導(dǎo)進(jìn)一步的放大驗證工作。

特別注意：

通過合理的DOE試驗設(shè)計確實能更加系統(tǒng)科學(xué)的的評估各關(guān)鍵工藝參數(shù)對關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響，能獲得可供參考的工藝設(shè)計空間，但要保證能獲得理想的結(jié)果，針對濕法制粒建議做到以下幾點：

?    試驗設(shè)計之初充分論證各參數(shù)設(shè)計的合理性，避免出現(xiàn)制粒不充分、過渡制粒等的異常情況。 設(shè)計之初最好通過單因素試驗確認(rèn)粘合劑加入總量的最小，最大值，獲得合理范圍。  

?    保證相同的操作人員、相同的設(shè)備、相同的物料來源及批號、相同的操作過程、相同的操作環(huán)境，盡可能集中一段時間完成所有試驗。 保證試驗的準(zhǔn)確性及平行性！

?    模型建立之后合理的優(yōu)化模型，使得總模型有效，無明顯彎曲和失擬現(xiàn)象，盡可能提高回歸方程R2，使得預(yù)測和調(diào)整R-Sq盡可能更為接近，提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。

通過DOE試驗設(shè)計在濕法制粒工藝參數(shù)優(yōu)化上的實踐，發(fā)現(xiàn)在小試研發(fā)時，保證實驗設(shè)計合理及試驗準(zhǔn)確性的前提下，DOE試驗設(shè)計及過程其實較容易實現(xiàn)，但如何保證回歸模型的準(zhǔn)確性，用于后續(xù)申報資料的整理，同時如何完成在生產(chǎn)設(shè)備上的轉(zhuǎn)化及實踐，確認(rèn)批量生產(chǎn)時的工藝設(shè)計空間，是值得各位同仁共同思考及努力的方向，在此與各位同仁共勉，真正合理充分的運用QBD理念，利用DOE工具，提高整體研發(fā)效率！  

本人對于DOE的應(yīng)用也僅處于摸索及學(xué)習(xí)階段，以上為本人對DOE在濕法制粒工藝優(yōu)化中的應(yīng)用的一些經(jīng)驗及感觸，如有不確切的地方還請各位學(xué)者專家指正，同時也在此拋磚引玉，希望更多同仁及專家學(xué)者提出自己的見解及建議！

參考文獻(xiàn)：

1、Quality by Design for ANDAs: An Example for Immediate-Release Dosage Forms ANDAs 

2、固體口服制劑的研發(fā)-藥學(xué)理論與實踐 

3、流化床微丸包衣工藝和高剪切制粒工藝的關(guān)鍵因素和工藝放大-陳挺 

4、QbD與藥品研發(fā)-概念和實例 

5、閔亞能 著—實驗設(shè)計（DOE）應(yīng)用指南