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皮膚外用乳膏軟膏流變學(xué)表征

更新更新時間:2023-04-17      點擊次數(shù):7206

前言

軟膏劑(Ointments)是系指藥物與適宜基質(zhì)均勻混合制成,具有一定稠度的半固體外用制劑。軟膏具有一定粘稠度,而且可以根據(jù)藥物與基質(zhì)的混合程度不同分為溶液型和混懸型軟膏。藥物在基質(zhì)中的分散狀態(tài)存在差異,溶液型軟膏的藥物顆粒非常小,可共熔或溶解于基質(zhì)中;而混懸型的軟膏,其藥物顆粒大小高于溶液型,通常為細(xì)粉狀,可以均勻分散混合在基質(zhì)中。

乳膏制劑就是將藥物混合分散在乳狀液型的基質(zhì)中,最后形成了均勻混合而成的半固體制劑。乳膏劑可以根據(jù)所使用的乳化劑的不同,分類為油包水型乳膏與水包油型乳膏兩種。常用的油包水型乳膏有羊毛脂和脂肪醇,水包油型乳膏有鈉皂和脂肪醇硫酸鈉類等。

這類藥物的配方屬于水油乳化、固液分散的多相體系,美國藥典歸類乳膏軟膏為復(fù)雜制劑。簡單來看,軟膏黏稠一些,乳膏黏度小一些。從藥物配方來看,配方本身的穩(wěn)定性存在很大差異,這就為流變學(xué)的表征帶來了挑戰(zhàn)。無論是根據(jù)中國FDA發(fā)布的《皮膚外用化學(xué)仿制藥研究技術(shù)指導(dǎo)原則(試行)》(2021年第23號)的要求,還是美國/歐盟藥典的合規(guī)性描述,對于皮膚外用制劑的流變學(xué)表征都提出了非常具體的要求。在本篇文章里,我們重點討論這個問題并試圖為之找到答案。

1、乳膏軟膏的流變學(xué)表征對于制劑的開發(fā)有哪些幫助?

2、 乳膏軟膏的流變學(xué)表征的一般評價手段?

流變學(xué)作為一種物性分析的手段,可以從力的微觀角度,表征藥物制劑的原料質(zhì)量、配方穩(wěn)定性、制劑涂抹特性以及質(zhì)量的一致性評價,對藥物制劑的設(shè)計,處方組成,制備工藝等具有重要意義。

1.1   原輔料的黏度測量和流變學(xué)特征

比如軟膏制劑中經(jīng)常用到的油脂性基質(zhì)的有凡士林、石蠟、液狀石蠟、硅油、蜂蠟、硬脂酸、羊毛脂等;水溶性基質(zhì)主要有聚乙二醇。這些基質(zhì)的黏度作為一個重要的質(zhì)量控制參量來評估原材料的一致性,控制批間差;同時,部分原材料的流變學(xué)特性的研究,也有助于為工藝處方的設(shè)計提供重要參考。

白蜂蠟作為常用的軟膏劑基質(zhì),其流變學(xué)特性與軟膏劑涂展性和附著性密切相關(guān)。楊銳等(藥用輔料白蜂蠟流變學(xué)構(gòu)效關(guān)系研究研究結(jié)果,藥物分析雜志[J],1775-1781,2021(41),10)研究顯示中蜂蠟與西蜂蠟、以及不同廠家西蜂蠟之間上述流變學(xué)特性方面的差異,因此白蜂蠟在作為軟膏劑基質(zhì)的選擇時應(yīng)關(guān)注不同來源同種白蜂蠟對制劑質(zhì)量方面的潛在影響。

比如石蠟,在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中要求運動黏度(通則0633第一法),在40°C(毛細(xì)管內(nèi)徑為1. 0mm±0. 05mm)不得小于12mm2/s。

1.2   制劑配方設(shè)計的流變學(xué)要求

乳膏軟膏的配方設(shè)計,需要格外關(guān)注配方的穩(wěn)定性,涂抹特性,溫度耐受程度等幾個因素。王靈敏(芙蓉方乳膏劑處方優(yōu)化及流變學(xué)研究,環(huán)球中醫(yī)藥[J]. 2022,15(07))等 將芙蓉膏改為乳劑型軟膏,選出處方,確定了芙蓉膏基質(zhì)處方,引入流變學(xué)評價,建立了流變參數(shù)物理指紋圖譜,為中藥乳膏劑的處方優(yōu)化及質(zhì)量評價提供了新的研究思路和方法。

如果是分散體,還要考慮分散特性。比如,藥典四部通則0109中的描述如下:

『五、軟膏劑、乳膏劑基質(zhì)應(yīng)均勻、細(xì)膩,涂于皮膚或黏膜上應(yīng)無刺激性。軟膏劑中不溶性原料藥物,應(yīng)預(yù)先用適宜的方法制成細(xì)粉,確保粒度符合規(guī)定?!?br/>

均勻、細(xì)膩,這是對基質(zhì)黏度的要求,具有一定合適的黏度;細(xì)粉力度符合規(guī)定,這是要求粉末在基質(zhì)中具有良好的分散性;涂于皮膚或黏膜上應(yīng)無刺激性,要求制劑具有良好的涂抹性。

以上,這些對于軟膏乳膏的流變學(xué)特性提出了更多的要求。特別是制劑的穩(wěn)定性分析,通過流變學(xué)可以容易實現(xiàn)差異分析,找到不同配方之間的差別,進(jìn)一步評估配方的穩(wěn)定性,為處方的設(shè)計和優(yōu)化提供非常重要的參考。一般來說,建議考察制劑的屈服應(yīng)力、零剪切黏度和平臺彈性模量的大小以及與儲能模量的比較關(guān)系。再來看藥典四部通則0109中的描述:

『六、軟膏劑、乳膏劑應(yīng)具有適當(dāng)?shù)酿こ矶?,?yīng)易涂布于皮膚或黏膜上,不融化,黏稠度隨季節(jié)變化應(yīng)很小?!?br/>

這其實也是對制劑穩(wěn)定性的要求,特別強(qiáng)調(diào)了“不融化,黏稠隨季節(jié)變化小"的特點。這就要求開發(fā)的制劑對溫度具有很寬的冗余度。溫度高了不融化,不流動,不變?。粶囟鹊土俗兂?,變硬。需要一個良好的溫度穩(wěn)定性。這一特征可以通過測試黏度-溫度曲線或者動態(tài)測試溫度掃描模式來測試表征乳膏軟膏的溫度穩(wěn)定性。

另外,乳膏軟膏具有易于涂抹的特性。從流變學(xué)角度來看,要求設(shè)計的配方具有剪切變稀的特點,方便在皮膚上進(jìn)行涂抹;同時,配方也要具備良好的觸變性,在患者進(jìn)行涂抹的時候才有更好的使用體驗,另外良好的觸變性對于有效劑量給藥也能起到促進(jìn)作用。因此,良好的涂抹特性或者容器內(nèi)擠出的便利性,可以從制劑的屈服應(yīng)力、流動曲線和觸變性測試來進(jìn)行表征優(yōu)化。

具體到一些固體顆粒分散的軟膏乳膏來說,恰當(dāng)?shù)牧胶突|(zhì)的最佳混合工藝,才可以實現(xiàn)良好的分散效果。獲得良好的分散,對于制劑的穩(wěn)定性以及有效給藥都會起到正向作用。因此,如何評估粉末類的樣品在基質(zhì)中分散,這又是一個流變學(xué)需要面對的問題。這一現(xiàn)象通過粘性黏彈區(qū)的寬窄可以實現(xiàn)分析評估。LVR區(qū)域越寬,表明固體顆粒分散越好。

1.3   軟膏劑制備工藝的流變學(xué)特征

評價一個制劑的制備工藝是否合適,是否都照顧到了該制劑應(yīng)用、穩(wěn)定性、依從性等方方面面,應(yīng)該是多維度的。除了常規(guī)的理化特性,流變特性對于制劑API的均勻性、稠度、涂展性、附著性等有著極為重要的作用。

在分散體乳膏軟膏的制備過程中,涉及到制備工藝的優(yōu)化、制備機(jī)械的選擇。這些均可以通過流變參數(shù)的分析來反饋指導(dǎo)制備工藝和機(jī)械設(shè)備的選擇。具有良好分散性,或者具有更小固體顆粒的混懸乳膏,肯定在黏度,內(nèi)聚強(qiáng)度和LVR寬度上有所區(qū)別。當(dāng)然,除了流變,還可以測試顆粒粒徑,電荷以及穩(wěn)定指數(shù)。

為了研制更適合涂抹的軟膏,需要表征制劑的流動性能。制劑有屈服應(yīng)力,才不至于蓋子一打開,藥物就流出來或者忘記擰上蓋子了,藥物溢出的到處都是;或者擠到皮膚表面,呈噴射狀。因此,制劑需要一定的屈服應(yīng)力,這樣才可以在皮膚表面形成一定膜厚的涂層,有利于藥物的吸收利用。但同時,屈服應(yīng)力不能太大,否則不容易擠出,也不利于在皮膚鋪展。所以,在考察制劑的制備工藝的時候,應(yīng)該多角度去分析制劑的流變特性,形成一套適合于一類配方的評價體系,對制備工藝的參數(shù)優(yōu)化很有幫助。

1.4   一致性評價的重要依據(jù)

半固體制劑的流變學(xué)性質(zhì)是產(chǎn)品關(guān)鍵物料屬性和關(guān)鍵工藝參數(shù)的綜合結(jié)果,反映了制劑的微觀結(jié)構(gòu),對藥物從制劑中的釋放、皮膚滲透以及皮膚滯留有重要影響,還影響制劑穩(wěn)定性和患者順應(yīng)性。因此在半固體制劑的仿制藥開發(fā)中,流變學(xué)在保證產(chǎn)品質(zhì)量和保持與原研制劑的一致性方面起著關(guān)鍵作用。

FDA、EMA以及CDE對局部外用半固體制劑仿制藥流變學(xué)研究內(nèi)容的闡述

監(jiān)管機(jī)構(gòu)

研究內(nèi)容闡述

FDA

①對于剪切應(yīng)力相對于剪切速率和黏度相對于剪切速率的表征,至少應(yīng)該包括3種剪切速率(低、中、高)下的黏度數(shù)據(jù),并包括可及剪切速率范圍內(nèi)的完整流動曲線,直到識別出低或高剪切平臺(如有可能)

②如果被測材料表現(xiàn)出塑性流動行為,應(yīng)報告屈服應(yīng)力值

③應(yīng)測量和報告線性黏彈性響應(yīng)(儲能模量和損耗模量相對于頻率的表征)

EMA

①剪切應(yīng)力(或黏度)相對于剪切速率的完整流動曲線,包括剪切速率增加和減少范圍內(nèi)的多個數(shù)據(jù)點,以便清楚地識別曲線上升或下降段的任何線性部分;所得到的曲線應(yīng)通過(修正的)冪律方程來表征,以便產(chǎn)生數(shù)值數(shù)據(jù)

②屈服應(yīng)力和蠕變

③線性黏彈性響應(yīng)(儲能模量和損耗模量相對于頻率的表征)

④應(yīng)提供流變圖譜,按剪切和時間效應(yīng)對產(chǎn)品流變行為進(jìn)行歸類(如假塑性、膨脹性或觸變性流體),并用合適的指標(biāo)進(jìn)行表征,例如:黏度曲線上特定剪切速率下的黏度(100 s-1對應(yīng)的黏度);塑性流動的屈服應(yīng)力值;觸變相對面積;儲能模量和損耗模量;表觀黏度:損耗因子()

⑤應(yīng)測定至少3批受試和原研制劑的上述參數(shù),每批至少重復(fù)12次;一致性標(biāo)準(zhǔn)為:受試和參比制劑均值之差的90%置信限應(yīng)不超過參比制劑均值可接受限度的士10%,假定數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布

CDE

①剪切應(yīng)力相對于剪切速率的完整流動曲線

②屈服應(yīng)力和蠕變試驗

③線性黏彈性響應(yīng)

從法規(guī)的角度看,關(guān)于制劑一致性評價,流變學(xué)的重要性不言而喻,是一種必要的手段。各種法規(guī)對測試的指標(biāo)也有了明確的要求,區(qū)別在于檢測的指標(biāo)上有部分差異。

但目前所面臨的難題是,我們開發(fā)的方法,如何去評價這些方法的合理性呢?比如,在面對凡士林含量很高的軟膏進(jìn)行測試的時候,如何定義高中低剪切速率呢?不同的體系,到底選擇哪一種方法來評價屈服應(yīng)力更合適呢? 盡管存在一些關(guān)于流變學(xué)的適用性和整體重要性的文獻(xiàn)報告,但對于這種技術(shù)的正式驗證程序缺乏理解和標(biāo)準(zhǔn)化。迄今為止,文獻(xiàn)中既沒有定義半固體流變曲線的參數(shù),也沒有定義其接受限,且流變學(xué)參數(shù)有多種定義和表征方式。下來,是我們討論的重點。


聲明:以下觀點僅代表個人對于流變學(xué)的理解和測試過程中形成的實踐經(jīng)驗的總結(jié),作為一種探討供大家參考。

2.1 線性黏彈區(qū)-LVR-振幅掃描


具有粘彈性的流體,在小形變或者低應(yīng)力條件下,流體的模量不依賴于形變或者應(yīng)力的增加而改變,或者應(yīng)力隨著形變的變化呈現(xiàn)線性,根據(jù)公式:


圖片

也就是模量是一個常數(shù)。這個區(qū)域定義為該材料的線性黏彈區(qū),也就是豎線的左側(cè)區(qū)域。

圖片

在這一區(qū)域內(nèi),制劑有如下特性:

1、 制劑表現(xiàn)為類固體特性。

2、 線性黏彈區(qū)的測試是無損檢測,不破壞樣品的微結(jié)構(gòu)特征;

線性黏彈區(qū)LVR測試的意義:

3、 這一區(qū)間進(jìn)行的測試是小形變測試,可以做到有效表征;

4、 LVR測試可以表征屈服應(yīng)力,內(nèi)聚強(qiáng)度以及從類固體到流體的流動過程;

5、 LVR區(qū)間的寬窄可以表達(dá)分散性能;

6、 得到線性黏彈區(qū)間或者等效最大應(yīng)力,為下一步的粘彈性測試提供參考;

LVR可以得到的參數(shù)如下:

參數(shù)符號

參數(shù)解釋性描述

參數(shù)意義

G'LVR

平臺彈性模量

表征彈性模量

τ (LVR

線性黏彈區(qū)對應(yīng)的應(yīng)力

可以定義為制劑的屈服應(yīng)力,線性黏彈區(qū)的最大應(yīng)力極限

τ (G'= G"

相變交叉點對應(yīng)的應(yīng)力

可以定義為屈服應(yīng)力,表示制劑開始流動

? max

線性黏彈區(qū)對應(yīng)的應(yīng)變

線性黏彈區(qū)的最大形變,為下一步的測試提供參考


損耗子正切值

表達(dá)黏彈比,可以表征內(nèi)聚強(qiáng)度

2.2 線性粘彈性響應(yīng)-頻率掃描

頻率掃描對于一致性評價的重要性應(yīng)該得到重新認(rèn)識并且深化加強(qiáng)對這一手段的理解和評估。從高頻到低頻測試的過程,是從快到慢的過程,是時間短到時間長的過程,是從低溫到高溫的過程。這一過程可以等效制劑很多重要的產(chǎn)品性能和不同的應(yīng)用場景,又是在LVR區(qū)間完成的測試,可以理解為制劑在近似靜態(tài)的條件下,物性信息的quan方位,全信息的表達(dá),一般視為制劑的“流變指紋信息"。具體展開來看:

1、高頻100rad/s或者以上的G'彈性模量可以表征軟膏的涂抹觸感。G'這個數(shù)值應(yīng)當(dāng)在一個合理的區(qū)間,這可以借助其他儀器的分析數(shù)據(jù),幫助來描述定義這個合適的區(qū)間。G'太小,制劑太稀,在皮膚表面的滯留性變差,進(jìn)而影響有效部位的藥物滲透和治療;G'太大,制劑太硬,患者依從性變差,涂抹困難,特別是低溫環(huán)境中用藥,制劑基質(zhì)太硬,非常不利于用藥。個人建議,從涂抹角度出發(fā),構(gòu)建一個關(guān)于溫度、頻率、模量的數(shù)學(xué)模型,建立一個被驗證和設(shè)計的軟膏或者乳膏在高頻條件下的模量窗口,會是一件非常有意義的事情,感興趣的讀者可以進(jìn)行探討研究。

2、低頻0.1rad/S或者0.01HZ,此時的G'G"的相互關(guān)系可以表征制劑體系的穩(wěn)定性。在低頻條件下(  1rad/s),G’應(yīng)表現(xiàn)出較小的斜率甚至平行于x軸,此時體系具有較好的運輸儲存穩(wěn)定性,同時還需要G’>G’’。優(yōu)于低頻和高溫是等效的,低頻下的數(shù)據(jù)可以預(yù)測制劑在高溫條件下的穩(wěn)定性和涂抹特性。比如夏天使用的治療蚊蟲叮咬的乳膏軟膏,就需要考慮夏天的環(huán)境溫度對涂抹的影響。下圖軟膏的測試數(shù)據(jù)很好體現(xiàn)了這部分的經(jīng)驗規(guī)律。

圖片

下圖的乳膏就表現(xiàn)出了在低頻條件下ω = 1.174 rad/s的穩(wěn)定性不夠,意味著隨著時間的增加,這個產(chǎn)品會出現(xiàn)分層,或者沉淀等不期望的現(xiàn)象出現(xiàn)。這是一個不合格的制劑配方。

圖片

3、頻率掃描是一致性評價的首要測試。如果頻率掃描的模量,,復(fù)數(shù)黏度都在合理的置信區(qū)間內(nèi),基本可以判斷這是一個一致性大概率會滿足評價要求的制劑配方。如果頻率掃描結(jié)果差異就很大,再去研究其他的流變學(xué)指標(biāo)意義不大。個人建議,乳膏軟膏制劑的一致性評價,先測試線性粘彈性響應(yīng)。設(shè)置參數(shù):頻率變化范圍:100~0.1rad/s10-0.1Hz,根據(jù)LVR測試結(jié)果選擇一個合理的應(yīng)力或者應(yīng)變。

2.3 蠕變恢復(fù)測試

蠕變恢復(fù)可以更加豐富的表征制劑的粘彈性信息,更加接近真實的反應(yīng)制劑配方差異、工藝差異、甚至原輔料的差異。這張圖例清晰地描述了蠕變-恢復(fù)的每個階段:結(jié)構(gòu)破壞、結(jié)構(gòu)重整和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力撤去后的恢復(fù)。與頻率掃描結(jié)合起來,wan全可以對制劑的一致性評價作出科學(xué)的判斷。測試蠕變需要特別注意施加應(yīng)力的大小。

圖片

1、 施加的力在線性黏彈區(qū)內(nèi)

通過LVR測試,獲取了制劑的屈服應(yīng)力。蠕變是長時間尺度,即對應(yīng)于低頻條件下的測試因此設(shè)定的應(yīng)力必須在被測樣品的線性粘彈區(qū)內(nèi).一般情況都是用很小的應(yīng)力模擬重力的作用確定適當(dāng)應(yīng)力的方法是設(shè)定不同的應(yīng)力進(jìn)行多次測量在線性粘彈區(qū)內(nèi),施加不同應(yīng)力測量的應(yīng)變或柔量結(jié)果基本相同。

圖片

也就是在LVR區(qū)間內(nèi),做幾次篩選測試,找到合理的應(yīng)力范圍。與此同時,要特別留意設(shè)備的測試下限的極限。

2、 蠕變時間要達(dá)到穩(wěn)態(tài):測試的時間要足夠長。因為蠕變是一個長時間尺度的測試,時間足夠材料才有時間進(jìn)行彈性結(jié)構(gòu)的重整并進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。個人推薦蠕變至少300S甚至?xí)r間更長。蠕變恢復(fù)可以得到的參數(shù)如下:

符號

名稱

解釋描述

意義

γ-max

最大應(yīng)變

在特定應(yīng)力和時間內(nèi)材料發(fā)生的最大應(yīng)變值,一般是蠕變峰值

表達(dá)了形變的難易,γ-max越大,越容易形變,制劑越柔,越容易流動

γ-e

彈性形變

蠕變切線與Y軸的交點,γ=f(t)曲線

材料固有的彈性信息

γ-r

可恢復(fù)形變

形變中可恢復(fù)的部分

γ-max =γ-r  +   γ-nr

黏彈比 =γ-nr /γ-r  %

γ-nr

不可恢復(fù)形變

形變中不可恢復(fù)的部分

η

零切粘度

剪切速率為零時的粘度

描述制劑穩(wěn)定性

J-e

穩(wěn)態(tài)平衡柔量

彈性形變與應(yīng)力之比

柔量越大,越容易變形和流動

λ

特征松弛時間

零切粘度與平衡柔量的乘積,公式λ=η 0 *Je

松弛時間越短,材料的應(yīng)力效應(yīng)越弱,應(yīng)力消除越快

2.4 觸變性

觸變性測試可以對制劑的涂抹性進(jìn)行相對比較。一個合理的配方,肯定需要在涂抹性上有良好的用藥體驗。觸變性有兩種表達(dá)方式:

(1) 時間曲線

在恒定的剪切速率下觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞以動態(tài)振蕩測試或旋轉(zhuǎn)方式在等待不同時間之后觀察和確定該樣品結(jié)構(gòu)的重建即三段測量模式(動態(tài)振蕩 + 穩(wěn)態(tài)剪切 + 動態(tài)振蕩).

(2) 流動曲線

在恒定溫度下逐漸升高剪切速率到某一設(shè)定點然后再降低剪切速率到原點通過流動曲線的滯后環(huán)面積測量樣品的觸變性即觸變環(huán)或者滯后環(huán)模式.到底采取哪一種方式來測試軟膏乳膏的觸變性呢?我個人建議,要根據(jù)不同的制劑類型來選擇。如果是乳膏類的制劑,樣品本身比較稀,可以耐受平板轉(zhuǎn)子的高剪切,采用滯后環(huán)的方式也可以;設(shè)備的靈敏度足夠,采用三段式也可以。如果是軟膏樣品,特別是黏度大,凡士林含量高的樣品,不適合用滯后環(huán)的方式,建議采用三段式的方式測試。為了便于測試分析的相對比較,個人建議都采用三段式最好,原因如下:

1、 三段式測試采用震蕩模式,數(shù)據(jù)的重復(fù)性比旋轉(zhuǎn)方式的滯后環(huán)要好。本身觸變性不是一個容易獲取穩(wěn)定測試數(shù)據(jù)的測試,樣品本身受上樣方式,刮的手法,樣品的剪切或者熱史,測試夾具的下壓速度等因素影響很大;旋轉(zhuǎn)方式又受限于制劑本身結(jié)構(gòu)的特點,不耐受高速剪切。三段式蕩模式本身第一段和第三段都采用LVR區(qū)間內(nèi)的動態(tài)測試,數(shù)據(jù)的重復(fù)性,數(shù)據(jù)質(zhì)量都有優(yōu)于滯后環(huán)的旋轉(zhuǎn)模式。

2、 滯后環(huán)測試的時候,針對稀溶液最合適;選擇圓筒轉(zhuǎn)子,可以做高速剪切破壞。但是由于圓通轉(zhuǎn)子尺寸比較大,在插入測試樣品的瞬間,對樣品本身結(jié)構(gòu)影響大,直接影響測試的重復(fù)性。下圖是一個軟膏類樣品做的重復(fù)測試。一個60S后的回復(fù)百分比是66.86%,一個是75%,多做幾次的話,肯定落在15%的置信區(qū)間內(nèi)。

圖片

  1. 2.5  屈服應(yīng)力測試

屈服應(yīng)力對整個流變學(xué)的測試、數(shù)據(jù)解析,流變現(xiàn)象理解異常關(guān)鍵,是材料的特征屬性,只要配方定了,屈服應(yīng)力也就確定了。屈服應(yīng)力又是一個抽象的、理論上的概念。事實上,流動是一個過程,而不是某一個拐點。所以,這就導(dǎo)致了屈服應(yīng)力的表達(dá)有很多種方法,每一個方法得到的結(jié)果各不相同。因為,只要這些數(shù)值落在一個區(qū)間內(nèi),都是合理的。常用的屈服應(yīng)力測試方法如下:

測試方法

描述

建議適用范圍

曲線形態(tài)

應(yīng)力增長-控制形變模式(CD)

  • 0 : 設(shè)定恒定的剪切速率,測得最大剪切應(yīng)力t 對應(yīng)于時間t (線性坐標(biāo))

固形物含量高、顆粒大小不均勻的樣品,例如水泥,砂漿,花生醬,果醬,金屬粉末,污泥、錫膏等

圖片

控制速率  (CR)掃描模式

  • 0 : 設(shè)定連續(xù)增大的剪切速率,外推流動曲線到剪切速率為零時的應(yīng)力(線性坐標(biāo))

符合某種流動類型的流體,比如賓漢,卡松流體模型,巧克力,聚氨酯膠,牙膏等

圖片

控制應(yīng)力(CS)掃描模式

連續(xù)增大的剪切應(yīng)力施加到被測樣品上觀察產(chǎn)生的形變曲線斜率變化 兩個切線的交點對應(yīng)的應(yīng)力(雙對數(shù)坐標(biāo)形變? - 應(yīng)力t)

均勻樣品,流動性好的樣品。比如酸奶,化妝品乳液,混懸液,口服液,鼻噴劑等

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振蕩(OSC)振幅掃描模式

以某一頻率的正弦波施加到被測樣品上應(yīng)力幅度逐漸增加,曲線斜率變化兩個切線的 交點對應(yīng)的應(yīng)力(雙對數(shù)坐標(biāo)形變? - 應(yīng)力t)

適合于絕大多數(shù)樣品。高固形物含量,沒有內(nèi)聚強(qiáng)度的樣品不適合;或者容易分層沉降的樣品不適合

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因此,乳膏軟膏的屈服應(yīng)力測試,個人建議采用振幅掃描的方式獲取。這樣得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性,可信度都比較高,而且可以清晰的表達(dá)從開始流動到wan全流動的全過程。屈服應(yīng)力參數(shù)對于表征制劑的擠出、涂抹特性,穩(wěn)定性也就具備了堅實的統(tǒng)計學(xué)意義。如下圖,得到的屈服應(yīng)力在51~386Pa之間都合理,從重復(fù)穩(wěn)定的角度,我推薦LVR處對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服應(yīng)力更合適。還可以報告LVR區(qū)間內(nèi)的損耗因子的正切值,作為材料粘彈性的表征數(shù)據(jù)。

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  1. 2.6 流動曲線

一致性評價的原則上明確要求表達(dá)低剪切速率和高剪切速率條件下的完整流動曲線,EMA還要求如有可能,報告符合流動方程的特征數(shù)值。問題的關(guān)鍵是,對于給定的樣品,剪切速率的合理范圍應(yīng)該是多少呢?這個要看具體的樣品,設(shè)備的測試下限,還有與轉(zhuǎn)子的匹配程度。

乳膏軟膏通常都具有屈服應(yīng)力,為了完整的表達(dá)低剪切速率條件下的應(yīng)力和黏度變化,建議采用Log的取數(shù)方式.低剪切從0.01S-1開始即可;還有部分軟膏,比如特別黏稠或者比較硬的樣品,剪切速率不能高,很容易被離心出去,因此,高剪切速率做到10S-1甚至1-S就到了極限。低剪切(不大于0.1 s-1)關(guān)系樣品的微結(jié)構(gòu):凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、膏劑的穩(wěn)定性;高剪切(不低于100 s-1)關(guān)系樣品實際使用情況:是否更易涂均勻。流動曲線最終要建立一個標(biāo)準(zhǔn)樣品的置信區(qū)間,自研的樣品落在置信區(qū)間內(nèi)就可以了。比如下圖,建立一個15%的置信區(qū)間的評價辦法。xin

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每個流變儀都有自己標(biāo)稱的扭矩范圍,比如哈克MARSIQ AIR的范圍是1uNm~150mNm.這個范圍是評價測試條件是否合理的根本依據(jù)。作為流變儀最重要的三個參數(shù):應(yīng)力,應(yīng)變和剪切速率,基本計算公式如下:

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無論是黏度測試還是模量測試,M扭矩值必須在合理的范圍內(nèi)。這就要求測量馬達(dá)的限制,轉(zhuǎn)子與測試樣品之間必須匹配。也就是說,在選擇剪切速率,形變控制或者應(yīng)力控制的時候,扭矩需要大于最小扭矩,并且建議如果條件允許,最好可以大于zui低扭矩的10倍。對于哈克流變儀MARSIQ AIR或者VISCOTESTER IQ 系列設(shè)備來說,屏幕上有一個顏色顯示條,紅色代表低于扭矩下限,黃色代表10倍扭矩之內(nèi),綠色代表扭矩輸出在合理范圍內(nèi),數(shù)據(jù)有效。所以,在做條件設(shè)定優(yōu)化的時候,務(wù)必評估在該條件下的扭矩值,是否大于zui低扭矩,最好在10倍zui低扭矩以上。

3.2 法向應(yīng)力FN

乳膏和軟膏無論是進(jìn)行哪一個類型的測試,務(wù)必留意測試轉(zhuǎn)子下壓到設(shè)定間隙時候樣品反饋給法向力傳感器的FN數(shù)據(jù)。通常條件下,在開始測試采集數(shù)據(jù)之前,法向力需要維持在一個較小的水平上,建議1~2N比較合適。如果法向力過大,可以采取如下措施:

1、 給一個非常小的預(yù)剪切,讓樣品在結(jié)構(gòu)上盡快松弛下來;

2、 更換一個更小尺寸的轉(zhuǎn)子;

3、 控制轉(zhuǎn)子下壓的速度,盡可能慢的達(dá)到設(shè)定間隙;

4、 適當(dāng)提高間隙距離(如果測試剪切速率允許的話);

在做流動曲線測試過程中,如果測試過程中出現(xiàn)法向力是負(fù)值的情況,表明樣品處于即將離心出去的臨界狀態(tài),表示剪切速率已經(jīng)到達(dá)最大限值了。如下圖所示,在剪切過程中,法向應(yīng)力應(yīng)該是逐步下降的過程。

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3.3 盡量采用控制應(yīng)力模式 

市面上絕大多數(shù)的流變儀都是應(yīng)力控制的儀器,采用CS應(yīng)力控制模式,數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更好。在做振蕩測試的時候,應(yīng)力控制和形變控制是等效的。

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3.4 測試數(shù)據(jù)的置信區(qū)間設(shè)置

推薦參考文獻(xiàn)(Rheology by Design: A Regulatory Tutorial for Analytical Method Validation,Ana Sim?es et.al, Pharmaceutics 2020, 12, 820)的數(shù)據(jù),15%比較合適。當(dāng)然也會遇到參比本身的差異也很大,設(shè)置為20%也合理。實際上這個在法規(guī)上沒有明確的定義。

3.5 流變儀配置推薦

文章到了最后,終不能免俗。寫出來一個軟膏乳膏推薦的配置,供各位參考。

流變儀設(shè)備主機(jī):空氣軸承,扭矩下限1uNm甚至更低,具備控制應(yīng)力、控制形變、控制速率模式

具有法向力傳感器:0.01~50N甚至下限數(shù)據(jù)更低

頻率范圍:0.001~50HZ甚至下限數(shù)據(jù)更低

測試夾具:P20平板1套,磨砂P20平板一套(可選項),C35/2C錐板一套,P60平板一套(可選項)

溫控單元:半導(dǎo)體或者液體都可以


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