2021年7月ICH發(fā)布Q13《原料和制劑的連續(xù)制造》指南，指南的發(fā)布對于制藥工業(yè)意義重大，不僅是制藥工業(yè)連續(xù)制造工藝的綱領性文件，而且必將加速整個制藥工業(yè)連續(xù)制造的發(fā)展。過程分析技術（Process analytical technology，PAT）概念最早由美國FDA在2004年提出，旨在運用一個整體的、系統(tǒng)的過程監(jiān)控方法來改善藥品質量，該方法能降低與產(chǎn)品質量有關的過程風險。眾所周知，原料藥晶型和粒度分布是影響固體制劑藥理藥效的關鍵屬性[1]。因此，原料藥結晶過程的有效控制，對于原料藥質量和安全具有重要意義。PAT可以實時監(jiān)控原料藥結晶過程中的溫度、濃度、粒度分布等指標，通過有效的過程調控，最終得到符合質量要求的產(chǎn)品。
近年來，連續(xù)結晶在制藥工業(yè)領域的應用得到了較大發(fā)展[2]，與目前普遍的間歇式結晶方式相比，連續(xù)結晶具有運行效率高、結晶時間短、操作簡單、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)率高等優(yōu)點。連續(xù)結晶技術在高速發(fā)展的同時也對過程分析技術的發(fā)展起到了推動作用。PAT應用于原料藥結晶過程監(jiān)控，有助于進一步認識原料藥結晶過程，有助于降低過程中的不確定性和風險，進而有助于指導原料藥結晶工藝的設計、開發(fā)、優(yōu)化和放大。
本文通過對結晶過程的剖析，表述了PAT技術以及參與原料藥結晶過程的方式、路徑和策略，實現(xiàn)對結晶過程的精準監(jiān)控。
一、 過程分析技術（PAT）
PAT是通過實時在線測量技術監(jiān)控過程中的關鍵質量指標或參數(shù)，再通過信息分析處理反饋到控制系統(tǒng)，基于一定的邏輯標準建立起來的一種過程分析、調控、優(yōu)化和開發(fā)的集成系統(tǒng)[8]。質量源于設計（QbD）理念強調對產(chǎn)品質量的理解[3]，PAT應用于原料藥結晶過程控制是貫徹QbD理念的體現(xiàn)。常用的PAT技術以及組合形式應用與特點，見表1。
▲ 表1-應用于原料藥結晶過程監(jiān)控的PAT技術類型及特點
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類型 |
應用 |
特點 |
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拉曼光譜 |
液體結晶、多晶型、結晶動力學 |
適用于水溶液體系，分辨率高、檢測快捷可靠 |
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（Raman spectra，RS） |
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近紅外光譜 |
結晶度、晶型、晶習 |
快速無損檢測、檢測模式豐富、環(huán)境友好 |
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（Near infrared，NIR） |
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X-射線衍射 |
多晶轉變 |
無損測樣、技術成熟、結果可靠 |
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（X-ray diffractometer，XRD） |
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聚焦光束反射測量 |
粒度控制、結晶動力學、晶型研究 |
實時檢測粒度分布與晶習、避免離線分析取樣 |
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（Focused beam reflectance measurement，F(xiàn)BRM） |
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顆粒錄影顯微鏡 |
粒度控制、多晶型、結晶動力學 |
聯(lián)用優(yōu)勢突出、實時檢測粒度分布與晶習 |
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（Particle video microscope，PVM） |
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衰減全反射-傅立葉變換紅外光譜 |
過飽和度、溶解度、多晶型、結晶動力學 |
制樣簡單、檢測速度快、靈敏度高，環(huán)境友好 |
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（Attenuated total reflection - Fourier transformed infrared spectroscopy，ATR-FTIR） |
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衰減全反射-紫外/可見光譜 |
過飽和度、溶解度、多晶型、結晶動力學 |
適用范圍廣、檢測成本低 |
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（Attenuated total reflection -Ultraviolet/Visible spectroscopy，ATR-UV/Vis） |
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顆粒錄影顯微鏡+聚焦光束反射測量（Particle video microscope+Focused beam reflectance measurement， |
分析晶體形貌和粒度、追蹤多晶型的生成等 |
實時檢測粒度分布與晶習 |
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PVM+FBRM） |
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傅里葉變換紅外光譜+示差掃描量熱法 |
對藥物共晶體制備過程進行監(jiān)測 |
檢測速度快、靈敏度高，環(huán)境友好 |
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（Fourier transformed infrared spectroscopy + Differential Scanning Calorimeter，F(xiàn)TIR+DSC） |
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拉曼光譜+衰減全反射-傅立葉變換紅外光譜（Raman spectra +Attenuated total reflection - Fourier transformed infrared spectroscopy，RS+ATR-FTIR） |
對多晶型間的轉化，測定結晶過程中濃度的變化等 |
檢測速度快、靈敏度高，實時檢測粒度分布與晶習 |
以控制原料藥晶型和粒度為例，典型的ATR-FTIR在線監(jiān)測結晶系統(tǒng)示意圖，見圖1。
▲ 圖1- ATR-FTIR在線監(jiān)測結晶系統(tǒng)示意圖
上述結晶系統(tǒng)集成了ATR光譜探頭、熱電阻探頭、CCD（charge coupled device）相機、圖像監(jiān)測系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等PAT儀器，可以實現(xiàn)監(jiān)控結晶過程中包括濃度（過飽和度）、形狀（晶習）、晶型、濁度、溫度等關鍵參數(shù)的測量，再基于前期擬定的相應策略監(jiān)控結晶過程，以實現(xiàn)預期目標。以上系統(tǒng)僅為示例，系統(tǒng)是開放的，針對不同的結晶過程控制要求，可集成不同的PAT設備實現(xiàn)對結晶過程的精準監(jiān)控。
二、 基于PAT的原料藥連續(xù)結晶過程的控制策略
原料藥傳統(tǒng)間歇式結晶是先結晶后制備樣品再表征分析，操作繁瑣、效率低。PAT的優(yōu)勢在于實時原位監(jiān)測過程的系統(tǒng)變化情況，根據(jù)檢測結果再通過控制器實時調控生產(chǎn)過程，避免了離線檢測的滯后性和人員操作的誤差，實現(xiàn)精準監(jiān)測和調控，從而保障工藝穩(wěn)定性和質量安全性。
PAT傳感器的發(fā)展及其測量精度的提高促進了其在原料藥連續(xù)結晶過程的應用。基于PAT的原料藥結晶過程控制策略可分為兩種方式[4]：（1）基于模型的控制（Model-based control）；（2）基于非模型的控制（Model-free control）。
2.1 模型控制策略
基于模型的控制策略最早可以追溯到上世紀70年代初，Jones A G等[5]利用程序化離線計算冷卻曲線相對于自然冷卻曲線展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。近些年隨著計算機科學、算法模型、PAT工具等技術和設備的進步，基于模型的結晶過程控制有了更深入的理解和應用。
基于模型的控制策略包括Programmed cooling/antisolvent（程序降溫/添加反溶劑）、Open-loop optimal control（最優(yōu)開環(huán)控制條件）、Model predictive control（模型預測控制）等[6]。一般步驟主要包括以下幾部分：（1）構建數(shù)學模型；（2）選擇合適的PAT工具；（3）確定最佳操作軌跡的動態(tài)優(yōu)化體系。
基于模型的結晶過程控制基本框架，包括溶液濃度的離線建模和在線預測。離線建模是模型控制的基礎也是核心，包括數(shù)據(jù)采集、預處理、變量選擇、模型建立和模型等。為了保證模型的可靠性和精確度，數(shù)據(jù)采集尤為重要，一般可通過實驗設計法(Design of Experiment, DoE)考察系列實驗，采集過程中相應溶液濃度的不同光譜數(shù)據(jù)，再經(jīng)過結果分析、預處理、變量選擇等設計初始模型，再通過驗證實驗不斷改進校正，最終確定最優(yōu)的模型作為在線監(jiān)測模型。以ATR-FTIR在線監(jiān)測原料藥結晶溶液濃度為例，建模的一般步驟，見圖2。
▲圖2- 原料藥結晶溶液濃度監(jiān)測的建模步驟
Zhang等[7]利用ATR－FTIR采集了L-谷氨酸冷卻結晶過程中的亞穩(wěn)態(tài)區(qū)(MSZ) 與欠飽和區(qū)( USZ) 的紅外光譜，運用偏最小二乘算法分別建立MSZ光譜區(qū)、USZ光譜區(qū)和MSZ－USZ 光譜區(qū)的溶液濃度校正模型，結果顯示用MSZ譜區(qū)進行建模，在保證操作溫度變化穩(wěn)定的前提下，可以準確預測結晶過程中的溶液濃度。Ma等[8]以L-谷氨酸結晶過程為研究對象，采集了不同溶液濃度、不同粒徑和不同溫度的L-谷氨酸溶液 NIR光譜，結合遺傳算法和支持向量機兩種方法建立校正模型，該模型成功應用于L-谷氨酸冷卻結晶過程監(jiān)控。
模型控制策略的關鍵是結合數(shù)學模型建立的一種自動化控制系統(tǒng)，能夠大大減少了操作與檢驗的工作量，但在實際應用中仍存在一些短板。（1）模型控制的精準度亟待加強。動力學模型是基于一種理想狀態(tài)的數(shù)學模型，實際應用中會受到各種不確定因素的干擾，影響精準度；（2）基于模型的結晶過程控制策略，一般不考慮限制溶液在介穩(wěn)區(qū)間，存在爆析的風險，從而導致產(chǎn)品質量問題?；谏鲜鲈蛳拗屏四Ｐ涂刂撇呗缘膽?，在過程模擬和模型構建方面基于模型的控制策略還需更深入的研究。
2.2 非模型控制策略
基于上述模型控制策略在結晶過程控制中的不足，同時得益于諸如ATR-FTIR和ATR-UV/Vis等在線檢測技術的進步，能夠實現(xiàn)對結晶過程實時、準確的在線反饋，并及時調控的非模型控制得到了發(fā)展與應用。
結晶過程中非模型控制策略基于PAT實時監(jiān)測并反饋濃度、溫度、晶體粒度/分布等關鍵要素測量值與預先設定值之間的差異，通過調控、干預從而保證過程在預設的軌跡上運行。非模型控制策略主要包括simple linear cooling/constant antisolvent addition（簡單線性降溫或持續(xù)定量反溶劑滴加）、SFC/CFC（過飽和溶液/濃度反饋控制）和DNC（直接成核控制）等。簡單線性降溫或持續(xù)加入反溶劑是一種簡單直接的控制方式，操作簡便但是控制精準度相對不高，故此處重點描述SFC/CFC和DNC兩種控制策略。
2.2.1過飽和溶液/濃度反饋控制（SFC/CFC）
介穩(wěn)區(qū)是指溶解度與超溶解度之間的區(qū)域。溶解濃度與溫度相圖中被溶解度曲線和超溶解度曲線劃分為穩(wěn)定區(qū)、介穩(wěn)區(qū)、不穩(wěn)區(qū)[9]。介穩(wěn)區(qū)理論對于工業(yè)化結晶過程控制至關重要，當溶液飽和度超過介穩(wěn)區(qū)進入不穩(wěn)定區(qū)，溶液即會自發(fā)成核，這種成核是快速的、不可控的，往往存在“爆析”現(xiàn)象，造成產(chǎn)品質量差。為了確保晶體具有理想的純度和粒徑分布，通常將結晶過程控制在介穩(wěn)區(qū)進行。介穩(wěn)區(qū)寬度可以認為是一個結晶體系的特征，介穩(wěn)區(qū)寬度越大，說明該結晶物系的過飽和溶液越穩(wěn)定。
SFC/CFC控制方式是基于監(jiān)控結晶過程溶液濃度在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)的基礎上建立起來的。通過FTIR和FBRM等PAT工具探測結晶相圖介穩(wěn)區(qū)間，自動確定生產(chǎn)過程時域的最佳操作軌跡，見圖3。
▲圖3- SFC/CFC控制方式運行示意圖
多晶型原料藥不同晶型之間理化性質存在差異，在相圖表現(xiàn)上存在不同的介穩(wěn)區(qū)間，理論上介穩(wěn)區(qū)間不完全重合的情況下，可利用SFC/CFC設計特定的操作軌跡選擇性地控制特定晶型的析出[10]。介穩(wěn)區(qū)特定的結晶操作軌跡有利于溶液體系的穩(wěn)定性和勻速性，可以避免因濃度差異較大造成晶體粒度分布寬泛對于過程的擾動，能夠預防結晶過程越過介穩(wěn)區(qū)而導致不期望的結果。為了進一步闡明基于SFC/CFC（過飽和溶液/濃度反饋控制）方式的原料藥結晶過程控制原理，見圖4。
▲圖4- SFC/CFC控制原料藥結晶過程原理
如圖4所示，結晶器內(nèi)先通過溫度計實時檢測原料藥料漿溫度，通過蠕動泵泵入反溶劑，再通過PAT工具（ATR-UV/vis）實時采集料漿光譜數(shù)據(jù)，基于前期標定實驗和濃度模型，計算得出料漿溶液濃度，結合原料藥溶解度數(shù)據(jù)，得到結晶料液過飽和度（S）情況。再通過對比該飽和度是否在預設范圍的上下限（Smax，Smin），若S≥Smax ,則通過控制器減緩降溫速率和增加反溶劑泵入速率以降低結晶料漿過飽和度至預設區(qū)間；若S≤Smin，則增加降溫速率和減緩反溶劑泵入速率以增加結晶料漿過飽和度至預設區(qū)間；若Smin＜S＜Smax，即維持在介穩(wěn)區(qū)間，則保持目前的降溫速率和反溶劑泵入速率，總之，始終維持結晶液濃度在介穩(wěn)區(qū)間。
關國強等[11]以無水乙醇-撲熱息痛為模型物體系，對基于ATR-UV分析的結晶過程實時濃度檢測進行了研究。通過ATR-UV實時監(jiān)控結晶過程的過飽和度變化，并結合關聯(lián)聚焦光束反射測量技術的數(shù)據(jù)分析，研究了不同降溫方式對結晶過程以及產(chǎn)品的影響。Kee等[12]采用CFC成功實現(xiàn)了L-谷氨酸的亞穩(wěn)晶型 α和晶型β的控制，在結晶過程的介穩(wěn)區(qū)間加入目標晶型 α 的晶種，結晶過程中通過在結晶相圖中控制操作軌跡在預設的過飽和水平，處理后產(chǎn)品幾乎均為目標 α 晶型。
盡管SFC/CFC控制策略是一種簡便、直觀的控制方法，但是也存在局限性。如結晶過程中無法直接監(jiān)控晶體粒徑、溶液顆粒分布等屬性。當結晶體系受到較強擾動情況下（如晶種質量不一、晶粒破碎、原料藥純度差異大等）會造成介穩(wěn)區(qū)發(fā)生劇烈變化，過程控制與預期偏離過大，造成SFC/CFC控制方式robustness（魯棒性）降低[13]。
2.2.2直接成核控制（DNC）
鑒于SFC/CFC控制策略無法直接監(jiān)測結晶過程中晶體屬性的缺陷和不適用于存在較強擾動情況下結晶體系監(jiān)控的局限性，Baker等[14]提出了DNC（直接成核）控制方式，很好的解決了上述問題。DNS運用FBRM（聚焦光束反射測量）原位實時監(jiān)測溶液中顆粒粒數(shù)的變化，對比測量值與目標值之間的差異，運用加熱與冷卻或溶劑與反溶劑添加來回切換的方式，以實現(xiàn)細粒成核或溶解，從而保持體系在預先設定的FBRM監(jiān)測數(shù)量，實現(xiàn)對體系顆粒數(shù)和晶體粒徑的控制。DNC控制方式無需提前清楚結晶模型、過程動力學、介穩(wěn)區(qū)寬度等信息，能夠基于FBRM技術原位實時監(jiān)測結晶體系顆粒數(shù)，在結晶過程中連續(xù)自動生成溫度曲線，通過相圖模擬DNC控制軌跡如圖5所示。
▲圖5- DNC控制方式運行示意圖
DNC方式通過可控的、循環(huán)多次的晶體生長和溶解能夠減少顆粒聚結和溶劑包藏，此外可以通過反復多次晶體表面溶解和再生長，能夠有效減少晶格中雜質的嵌入，同時也對晶體表面缺陷起到修復作用。結晶放大過程中通常由于流體力學的改變往往會導致動力學過程、介穩(wěn)區(qū)間范圍發(fā)生變化，可能導致結晶小試與放大工藝不能很好的重現(xiàn)。DNC控制策略不需要提前獲知結晶過程動力學模型和介穩(wěn)區(qū)寬度等信息，可以說彌補了SFC/CFC控制策略在某些情況下的不足，是一種穩(wěn)健的控制策略。為了進一步闡明基于DNC方式的原料藥結晶過程控制原理，見圖6。
▲圖6-DNC控制原料藥結晶過程原理
如圖6所示，基于DNC方式的原料藥結晶過程控制，通過FBRM在線實時監(jiān)測結晶器內(nèi)晶體粒徑（CLD）和顆粒數(shù)（Counts N），對比前期預設的顆粒數(shù)上下限（Nmax、Nmin），若N≥Nmax，此時析晶過快，晶體顆粒容易團聚，控制器根據(jù)反饋調控升溫和/或增加溶劑；
若N≤Nmin，此時析晶過緩，晶體顆粒成長緩慢，控制器根據(jù)反饋調控降溫和/或增加反溶劑；若Nmin＜N＜Nmax，此時析晶速率滿足預設范圍要求，控制器根據(jù)反饋保持目前狀態(tài)或切換為SFC（過飽和度反饋控制）模式。
Saleemi A等[15]運用DNC控制策略考察了撲熱息痛異丙醇溶液不加晶種的情況下的冷卻結晶與線性冷卻結晶過程的現(xiàn)象與結果對比試驗，結果顯示通過自動成核控制策略可以改善撲熱息痛產(chǎn)品晶體性狀，相對于線性冷卻結晶的晶體，DNC控制結晶過程中沒有觀察到明顯的晶體聚結行為，同時DNC控制下的晶體具有更大的粒徑和相對規(guī)則的外形。Simone等[16]對維生素B12結晶過程進行了研究，分別考察對比了CFC和DNC兩種結晶控制方式的優(yōu)缺點。結果顯示CFC在控制晶體產(chǎn)品粒度分布方面有優(yōu)勢，對產(chǎn)品純度提高沒有顯著影響。而DNC能夠顯著降低雜質在晶體表面的吸附從而提高純度，該過程如圖7所示。
▲圖7-溫度循環(huán)對結晶過程的影響
目前，如在線圖像分析技術直觀地監(jiān)測晶體顆粒生長-溶解循環(huán)過程，能夠輔助DNC更加精準的調控，更多先進的PAT工具應用于基于DNC的原料藥連續(xù)結晶過程控制是該領域的發(fā)展方向之一[17]。
三、 結束語
本文立足于原料藥結晶過程控制領域，重點闡述了基于PAT技術的原料藥連續(xù)結晶控制策略與典型案例。PAT應用于原料藥連續(xù)結晶過程的控制策略包括模型控制和非模型控制兩種方式，兩種控制策略均基于PAT實時、高效的在線反饋，通過適當?shù)恼{控以達到預期的目標。本質上的區(qū)別在于對結晶過程控制邏輯的差異，前者是基于過程理解基礎上的模型化控制，后者更加強調基于實時反饋的過程監(jiān)控（濃度、溫度、顆粒數(shù)等）與預設值的差異，再通過干預調控確保結晶過程在預設區(qū)間運行。模型化優(yōu)點是控制抗干擾能力強，自動化程度高，缺點是精準度不夠，同時產(chǎn)品存在質量風險。非模型控制優(yōu)點是基于實時的過程監(jiān)控，干預調控更加精準高效，相較于模型控制稍顯“智能”不足。但是，隨著計算機科學、算法模型、PAT工具等技術和設備的進步，相信在不久的將來，模型控制與非模型控制能夠互相取長補短，真正實現(xiàn)制藥工業(yè)全生命周期“智能制造”。
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