水活度測定及其在制藥工業(yè)的應用

原載于：水活度測定及其在制藥工業(yè)的應用[J]. 中國醫(yī)藥工業(yè)雜志, 2018, 49(12): 1710-.
  摘要：制藥工業(yè)中通常使用水含量來控制藥品的化學、物理或微生物特性，水含量的測定通常使用卡氏水分測定。但是，水含量與藥品的化學、物理或微生物特性的相關性并不明顯，而水活度能夠提供更好的相關性。在制藥工業(yè)中，由于藥事法規(guī)的要求較晚，水活度的應用較少。美國藥典與歐洲藥典分別于2006 年( 第29 版) 和2011 年( 第7 版) 推出了關于水活度的章節(jié)。ICH 的指導原則中關于微生物生長的控制使用了“干燥”詞匯，關于穩(wěn)定性試驗要求不同濕度條件下的貯存檢驗，這些要求均與水活度測定相關。所以，在制藥工業(yè)中應用水活度，對于制藥產(chǎn)品的質(zhì)量提高大有裨益。水活度的測定不具破壞性，且省時省力、設備簡單價廉，對于制藥產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)環(huán)境的控制、包裝材料的選擇與藥品成品的保存等都有十分重要的意義。
關鍵詞：水活度；微生物生長；產(chǎn)品質(zhì)量；穩(wěn)定性試驗；藥事法規(guī)
 
通常來說，產(chǎn)品中的水分有3 種存在形式——游離水、吸附水和鍵合水。游離水存在于產(chǎn)品顆粒的縫隙以及產(chǎn)品顆粒的空洞中，其性質(zhì)與用作溶劑的水沒有區(qū)別，可以起分散劑的作用，也利于微生物的生長。吸附水通常是吸附在材料表面的水分。鍵合水是指通過氫鍵水合作用與物質(zhì)結合的水分。鍵合水是分子表面的單層水分子，而吸附水分通常形成多層水分子[1]。另外，水分也會以結晶水的形式存在，但結晶水實質(zhì)上也是鍵和水。還有一種是存在于聚合物凝膠結構中的水分。這種水分依靠氫鍵與聚合物連接構成凝膠的結構，本質(zhì)上也是鍵合水，只是這種鍵合水也是凝膠結構的一部分[2]。
在這3 種水分中，吸附水存在于物質(zhì)表面且與物質(zhì)表面有相互作用，鍵合水通過氫鍵水合作用與分子結合。雖然吸附水的吸附作用要小于鍵合水的氫鍵結合力，但吸附水和鍵合水都已經(jīng)失去了它的水合作用，只有游離水仍可發(fā)生水合反應[1]。目前，在藥典中占據(jù)主導地位的水分測定方法是卡氏滴定法和干燥失重法。但是，這兩種測定方法都無法區(qū)分游離水、吸附水和鍵合水，而是測定總水分。而水活度(water activity) 則是用來描述與物質(zhì)進行水合作用的水分的量[1]。
水活度可以定義為樣品中可以用來發(fā)生水合作用的水分的量，類似于游離水的概念。理論上講，水含量(water content) 可以決定水活度，反之亦然。但實際上，這種可能性非常有限。水活度與水分含量還需依據(jù)解決問題的需要來分別測定[6]。實際上，水分與食品腐敗微生物生長的關系早在二十世紀五十年代就得到了研究，結果表明，不是存在于食品中的水分總量與微生物的生長相關，而是與食品中能夠供給微生物生長的水分含量有關。能夠供給微生物生長的水分即是游離水。游離水的量就用水活度來度量[3]。
美國FDA 自1980 年代起在食品生產(chǎn)中采用水活度檢測對微生物進行控制，但直到現(xiàn)在，美國FDA 仍舊沒有針對藥品或化妝品采用水活度測定的法律法規(guī)或指導原則。
雖然美國藥典不是法律法規(guī)，但在制藥工業(yè)的應用中具有良好的聲譽，其檢測標準與方法也獲得了美國FDA 的認可，它的研究工作一直在制藥工業(yè)質(zhì)量標準的研究中處于領導作用。對于水活度的測定方法及其在制藥工業(yè)中的應用，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>，水活度測定在非無菌藥品上的應用，明確指出水活度的基本概念、測定方法以及可應用的領域。隨后，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：等溫吸附解吸和水活度測定[4]，這清晰表明了水活度概念已經(jīng)開始在藥品生產(chǎn)中應用。因此，理解水活度概念，了解水活度的測定方法，以及通曉水活度在制藥工業(yè)中的應用領域，對于把握藥政法規(guī)的潛在發(fā)展和提高藥品生產(chǎn)質(zhì)量均有裨益。
 
1 水活度測定及應用
水分含量影響了產(chǎn)品的許多物理化學性質(zhì)，但水分含量與產(chǎn)品特性的關系一直難于建立，如產(chǎn)品穩(wěn)定性與水分含量的關系等，因此，水活度的概念應運而生。其物理意義是指水分含量中的活性水分，即可參與影響產(chǎn)品物理化學性質(zhì)的水分含量，也即通常所說的游離水的含量。理論上講，水分含量可以用來確定水活度，反之亦然。但在實踐中，這種可能性卻很小。水分含量與水活度分別是在解決不同的實際問題時測定的參數(shù)[4]。
水活度也可以稱作是等效相對濕度(equilibrium relative humidity，ERH)，是用來表示產(chǎn)品中的活性水分，或是說游離水含量的參數(shù)。在食品工業(yè)與造紙工業(yè)中，水活度的測定已經(jīng)得到了充分的應用。制藥工業(yè)和化學工業(yè)界也對水活度的測定逐漸表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣。
1.1 水活度理論
一個封閉系統(tǒng)中的水的熱力學能量狀態(tài)即水活度，如果簡單地將水活度描述為系統(tǒng)中“可用”的水的量，雖在科學上不太準確，但卻能直觀地理解水活度的概念。水活度是表示產(chǎn)品中存在的以及類似的純水的量的指標。水活度降低表明產(chǎn)品中的水的能量的降低，也就是“可用”于微生物增長、化學反應、水分遷移，甚至于作為溶劑的水的量的降低[5]。
樣品中存在的水的能量決定了樣品中的水能不能轉(zhuǎn)移到氣相，所以，樣品上的蒸汽壓就與水活度直接相關。因此，水活度定義為在相同溫度下，產(chǎn)品的蒸汽壓(p) 與純水的蒸汽壓(p0) 的比值�？諝庀鄬�濕度是空氣中的蒸汽壓與飽和蒸汽壓的比值，如果達到蒸汽和溫度的平衡，樣品的水活度就等同于樣品所處的密閉環(huán)境中的空氣相對濕度。水活度乘以100 即可得到以百分比表示的等效相對濕度[6]。  

水活度值是一比值，沒有單位。如果用小數(shù)來表示，范圍是從絕對干燥的0 到純水的1.0。
1.2 影響水活度的因素
系統(tǒng)中的幾種因素能夠影響樣品的水活度。首先，樣品中的溶質(zhì)( 如鹽分或糖分) 與水分子通過取向力作用、離子間力作用以及氫鍵的相互作用等影響樣品的水活度，溶質(zhì)的數(shù)量也影響樣品水活度。其次，毛細管效應形成的液面凹陷影響了彎曲水表面的水分子間的氫鍵作用，使得凹面上的蒸汽壓小于沒有彎曲的理想純水平面上的蒸汽壓。還有，樣品表面與水分子的相互作用也影響到樣品的水活度，這些相互作用包括水分子與未溶解成分表面官能團通過取向力、離子鍵(H₃O⁺ 或OH^- )、范德華力以及氫鍵的直接相互作用[6]。
與純水相比，樣品中的水總是受到以上因素的綜合影響，因此降低了樣品的蒸汽壓，而樣品的水活度也隨之降低。
1.3 水活度測定方法
水活度的測定即測定樣品所在空間內(nèi)的相對濕度，理論上講，任何類型的濕度儀均可用于測定相對濕度。從最早期的恒定相對濕度平衡測定方法，到采用各種類型的濕度計如毛發(fā)濕度計和等壓濕度計等相對濕度傳感器測定法，都可以直接用來測定水活度[7—8]。而間接測定水活度的方法也有冰點下降、蒸汽壓壓力計和冷鏡露點等測定方法[8]。
將樣品置于一個較小的密閉容器，其頂空體積相比于樣品體積要足夠小，以消除樣品測定過程中吸附狀態(tài)的變化。達到平衡的熱力學過程通常需要較長時間，使用容器內(nèi)循環(huán)可促使盡快達到平衡。由于水活度值與測定時的溫度直接相關，所以測定水活度的同時須測定溫度，這就要求儀器有靈敏的溫度測定功能，而且測定容器須熱絕緣良好以保證恒溫測定。頂空濕度測定傳感器是測定設備的核心部件。雖然任何類型的濕度儀均可用于測定相對濕度，但從分析角度考慮，小型化和穩(wěn)定耐用是首要考慮的因素。
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)均指定采用冷鏡露點方法來測定水活度。這種測定方法源自于AOACInternational 的方法978.18[9]。將拋光冷凍鏡面作為凝結表面，冷卻系統(tǒng)與接收鏡面反射光的光電單元相連接，達到濕度平衡的氣流直接流向鏡面，并在鏡面凝結。凝結起始的溫度即為露點溫度，并由此得到平衡相對濕度。
采用冷鏡露點法的實用儀器在用于水活度測定前須評估系統(tǒng)適應性并校正。通常使用飽和鹽溶液在25 ℃下進行儀器校正�？捎米鲀x器校正的飽和鹽溶液的水活度：K2SO4 (0.973)、BaCl2 (0.902)、NaCl (0.753)、Mg(NO3)2(0.529)、MgCl2 (0.328) 等。
2 水活度在制藥工業(yè)的應用
水活度并不是個新概念，在食品工業(yè)中已經(jīng)應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)量控制中應用水活度的要求，與制藥工業(yè)分析實驗室中的常規(guī)分析技術如液相色譜、氣相色譜等相比，水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)進行。
水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)品染菌風險，優(yōu)化制劑配方，減少結塊和凝結，以及控制水分遷移都有裨益。簡而言之，水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)[10]。
藥品質(zhì)量與水活度的關系可以從兩個方面來考慮。第一，水遷移，水活度在不同成分間的遷移變化；第二，水吸收，等溫條件下水的吸收導致水活度變化而對產(chǎn)品所起的作用。
2.1 水遷移
當兩種物料混合時，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活度[11]。
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，如果不同組分的水活度不同，水分即在不同組分間開始遷移，直到水活度達到平衡。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 個水擴散轉(zhuǎn)移步驟。第一，水在包裝內(nèi)外的氣相中的擴散轉(zhuǎn)移；第二，水在包裝內(nèi)的氣相與軟膠囊殼間的擴散轉(zhuǎn)移；第三，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)移則至關重要。例如某種軟膠囊殼的水活度是0.85，其內(nèi)容物的水活度是0.2，在一定時間之后，整體軟膠囊的水活度即達到平衡值0.53。軟膠囊殼的水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。
許多實例也已經(jīng)證明，與溶解度和配方研究一起詳細研究水活度可以對產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到促進作用。除了在膠囊殼與內(nèi)容物間的水遷移外，環(huán)境中的水分遷移至包裝容器內(nèi)的情況也需密切注意。這種水遷移會造成藥品微環(huán)境的變化，從而導致水分遷移至軟膠囊殼并連鎖引起內(nèi)容物水活度的變化，由此產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量問題。
2.2 水吸收
水分吸收在藥品生產(chǎn)過程中早已存在。不同劑型的固態(tài)藥品，其物理化學特性也會受水分吸收的影響。藥品中的活性成分在有效期內(nèi)應該保持一致，特別應該避免的是在生產(chǎn)過程中以及在最終成品藥中的活性成分的化學降解以及物理結構的變化。要保證生產(chǎn)以及成品藥的活性成分的一致性，須避免諸如潮解、玻璃化、毛細管冷凝導致的結塊和凝結、重結晶，以及降解等破壞性的因素。了解水活度與水含量的關系就顯得十分重要[11]。
 
3 藥政法規(guī)和水活度
在藥品研發(fā)過程中建立合適的產(chǎn)品質(zhì)量控制程序非常具有挑戰(zhàn)性。人用藥品注冊技術要求國際協(xié)調(diào)組織(ICH) 的目的是對產(chǎn)品質(zhì)量檢驗和生產(chǎn)批次放行程序提供指導，它強調(diào)質(zhì)量檢驗程序是基于風險評估和科學證據(jù)的支持。ICH 指導原則Q6A 提供了制定藥品放行檢驗程序和適用規(guī)格標準的指導[12]。其6 號和8 號決策樹給出了測定微生物特性的最佳方法的指導。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)中關于水與微生物生長關系的研究表明，水活度是微生物生長的最好指標，是水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[3]。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“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。
水活度的概念已被微生物學家及食品學家應用多年，是最常用于食品安全和食品質(zhì)量的標準之一。每一種微生物均有其特定的水活度，低于此水活度，則此種微生物不能生長。長期的研究實踐表明，水含量與微生物的生長沒有直接關系[3]。因此，ICH指導原則Q6A 中所指出的用于減少微生物檢測的“干燥”條件僅可由水活度來決定，決策樹中的“干燥”指的是水活度的測定而不是產(chǎn)品中的水含量的測定。
另外，ICH 指導原則Q1A(R2) 關于藥品穩(wěn)定性試驗的指導，要求藥品必須有在不同濕度條件下的貯存檢驗[13]。這在本質(zhì)上與要求產(chǎn)品必須保存在不同水活度水平的檢驗是一致的，因為水活度和等效相對濕度是相同的測量，而濕度在穩(wěn)定性試驗中至關重要，因為濕度能夠影響產(chǎn)品的水活度，而水活度或相對濕度極大地影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
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)均提供了更進一步的科學依據(jù)證明水活度有必要成為基于風險評估的藥品批次放行質(zhì)量標準，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，第一，優(yōu)化產(chǎn)品配方，提高防腐系統(tǒng)的抗菌效力；第二，減少配方中易受化學水解影響的活性成分的降解；第三，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。
與水活度的測定相比較，水含量的測定準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，則對應于水活度0.2 的變化。因此，使用水活度的測定，可以對制藥產(chǎn)品的質(zhì)量進行更加嚴格的控制。
 
4 結語
水活度已經(jīng)在食品工業(yè)中用作微生物生長控制的質(zhì)量標準。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，水活度的應用被忽視。但是，水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，水活度的概念也可以在制藥工業(yè)中廣泛使用。
相比于在制藥工業(yè)中廣泛采用的水含量的物理意義，水活度更有助于理解制藥產(chǎn)品的相關領域的科學內(nèi)涵。美國藥典和歐洲藥典已經(jīng)意識到了水活度及其應用的重要性，先后推出了水活度的藥典章節(jié)。ICH 指導原則中沒有明確提出水活度的概念，但在微生物的控制要求中，使用了“干燥”的詞語，在穩(wěn)定性試驗中提出了不同濕度的貯存條件以檢驗活性成分的穩(wěn)定性，其本質(zhì)與水活度并無差異。
不管藥事法規(guī)中是否有水活度的要求，水活度對于制藥產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)環(huán)境的控制、包裝材料的選擇以及藥品成品的貯存都有意義。所以，在制藥工業(yè)中應用水活度對制藥產(chǎn)品的質(zhì)量提高大有裨益，相信藥事法規(guī)對于水活度也在認真核查過程中。
 
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