皮膚外用乳膏軟膏流變學表征

前言

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

乳膏制劑就是將藥物混合分散在乳狀液型的基質中，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，配方本身的穩定性存在很大差異，這就為流變學的表征帶來了挑戰。無論是根據中國FDA發布的《皮膚外用化學仿制藥研究技術指導原則（試行）》（2021年第23號）的要求，還是美國/歐盟藥典的合規性描述，對于皮膚外用制劑的流變學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、乳膏軟膏的流變學表征對于制劑的開發有哪些幫助？

2、 乳膏軟膏的流變學表征的一般評價手段？

• 一、 流變學表征對乳膏軟膏開發的重要作用

流變學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量、配方穩定性、制劑涂抹特性以及質量的一致性評價，對藥物制劑的設計，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特征

比如軟膏制劑中經常用到的油脂性基質的有凡士林、石蠟、液狀石蠟、硅油、蜂蠟、硬脂酸、羊毛脂等；水溶性基質主要有聚乙二醇。這些基質的黏度作為一個重要的質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特性的研究，也有助于為工藝處方的設計提供重要參考。

白蜂蠟作為常用的軟膏劑基質，其流變學特性與軟膏劑涂展性和附著性密切相關。楊銳等（藥用輔料白蜂蠟流變學構效關系研究研究結果，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特性方面的差異，因此白蜂蠟在作為軟膏劑基質的選擇時應關注不同來源同種白蜂蠟對制劑質量方面的潛在影響。

比如石蠟，在質量標準中要求運動黏度（通則0633第一法），在40°C時(毛細管內徑為1. 0mm±0. 05mm)不得小于12mm2/s。

1.2   制劑配方設計的流變學要求

乳膏軟膏的配方設計，需要格外關注配方的穩定性，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化及流變學研究，環球中醫藥[J]. 2022,15(07)）等 將芙蓉膏改為乳劑型軟膏，選出處方，確定了芙蓉膏基質處方，引入流變學評價，建立了流變參數物理指紋圖譜，為中藥乳膏劑的處方優化及質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、乳膏劑基質應均勻、細膩，涂于皮膚或黏膜上應無刺激性。軟膏劑中不溶性原料藥物，應預先用適宜的方法制成細粉，確保粒度符合規定?！?br/>

均勻、細膩，這是對基質黏度的要求，具有一定合適的黏度；細粉力度符合規定，這是要求粉末在基質中具有良好的分散性；涂于皮膚或黏膜上應無刺激性，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特性提出了更多的要求。特別是制劑的穩定性分析，通過流變學可以容易實現差異分析，找到不同配方之間的差別，進一步評估配方的穩定性，為處方的設計和優化提供非常重要的參考。一般來說，建議考察制劑的屈服應力、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系。再來看藥典四部通則0109中的描述：

『六、軟膏劑、乳膏劑應具有適當的黏稠度，應易涂布于皮膚或黏膜上，不融化，黏稠度隨季節變化應很小?！?br/>

這其實也是對制劑穩定性的要求，特別強調了“不融化，黏稠隨季節變化小"的特點。這就要求開發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??；溫度低了變稠，變硬。需要一個良好的溫度穩定性。這一特征可以通過測試黏度-溫度曲線或者動態測試溫度掃描模式來測試表征乳膏軟膏的溫度穩定性。

另外，乳膏軟膏具有易于涂抹的特性。從流變學角度來看，要求設計的配方具有剪切變稀的特點，方便在皮膚上進行涂抹；同時，配方也要具備良好的觸變性，在患者進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作用。因此，良好的涂抹特性或者容器內擠出的便利性，可以從制劑的屈服應力、流動曲線和觸變性測試來進行表征優化。

具體到一些固體顆粒分散的軟膏乳膏來說，恰當的粒徑和基質的最佳混合工藝，才可以實現良好的分散效果。獲得良好的分散，對于制劑的穩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中分散，這又是一個流變學需要面對的問題。這一現象通過粘性黏彈區的寬窄可以實現分析評估。LVR區域越寬，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用、穩定性、依從性等方方面面，應該是多維度的。除了常規的理化特性，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化、制備機械的選擇。這些均可以通過流變參數的分析來反饋指導制備工藝和機械設備的選擇。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，內聚強度和LVR寬度上有所區別。當然，除了流變，還可以測試顆粒粒徑，電荷以及穩定指數。

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，對制備工藝的參數優化很有幫助。

1.4   一致性評價的重要依據

半固體制劑的流變學性質是產品關鍵物料屬性和關鍵工藝參數的綜合結果，反映了制劑的微觀結構，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，還影響制劑穩定性和患者順應性。因此在半固體制劑的仿制藥開發中，流變學在保證產品質量和保持與原研制劑的一致性方面起著關鍵作用。

從法規的角度看，關于制劑一致性評價，流變學的重要性不言而喻，是一種必要的手段。各種法規對測試的指標也有了明確的要求，區別在于檢測的指標上有部分差異。

但目前所面臨的難題是，我們開發的方法，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力更合適呢? 盡管存在一些關于流變學的適用性和整體重要性的文獻報告，但對于這種技術的正式驗證程序缺乏理解和標準化。迄今為止，文獻中既沒有定義半固體流變曲線的參數，也沒有定義其接受限，且流變學參數有多種定義和表征方式。接下來，是我們討論的重點。

• 二、 軟膏乳膏流變學表征的一般評價手段

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

2.1 線性黏彈區-LVR-振幅掃描

也就是模量是一個常數。這個區域定義為該材料的線性黏彈區，也就是豎線的左側區域。

在這一區域內，制劑有如下特性：

1、 制劑表現為類固體特性。

2、 線性黏彈區的測試是無損檢測，不破壞樣品的微結構特征；

線性黏彈區LVR測試的意義：

3、 這一區間進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力，內聚強度以及從類固體到流體的流動過程；

5、 LVR區間的寬窄可以表達分散性能；

6、 得到線性黏彈區間或者等效最大應力，為下一步的粘彈性測試提供參考；

LVR可以得到的參數如下：

2.2 線性粘彈性響應-頻率掃描

頻率掃描對于一致性評價的重要性應該得到重新認識并且深化加強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品性能和不同的應用場景，又是在LVR區間完成的測試，可以理解為制劑在近似靜態的條件下，物性信息的quan方位，全信息的表達，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'這個數值應當在一個合理的區間，這可以借助其他儀器的分析數據，幫助來描述定義這個合適的區間。G'太小，制劑太稀，在皮膚表面的滯留性變差，進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，特別是低溫環境中用藥，制劑基質太硬，非常不利于用藥。個人建議，從涂抹角度出發，構建一個關于溫度、頻率、模量的數學模型，建立一個被驗證和設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行探討研究。

2、低頻0.1rad/S或者0.01HZ，此時的G'和G"的相互關系可以表征制劑體系的穩定性。在低頻條件下（ ≤ 1rad/s），G’應表現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定性，同時還需要G’>G’’。優于低頻和高溫是等效的，低頻下的數據可以預測制劑在高溫條件下的穩定性和涂抹特性。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境溫度對涂抹的影響。下圖軟膏的測試數據很好體現了這部分的經驗規律。

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

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，，復數黏度都在合理的置信區間內，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。如果頻率掃描結果差異就很大，再去研究其他的流變學指標意義不大。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。設置參數：頻率變化范圍：100~0.1rad/s或10-0.1Hz，根據LVR測試結果選擇一個合理的應力或者應變。

2.3 蠕變恢復測試

蠕變恢復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-恢復的每個階段：結構破壞、結構重整和穩態結構以及應力撤去后的恢復。與頻率掃描結合起來，wan全可以對制劑的一致性評價作出科學的判斷。測試蠕變需要特別注意施加應力的大小。

1、 施加的力在線性黏彈區內

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

也就是在LVR區間內，做幾次篩選測試，找到合理的應力范圍。與此同時，要特別留意設備的測試下限的極限。

2、 蠕變時間要達到穩態：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行彈性結構的重整并進入到穩態狀態。個人推薦蠕變至少300S甚至時間更長。蠕變恢復可以得到的參數如下：

2.4 觸變性

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

(1) 時間曲線

在恒定的剪切速率下觀察樣品內部結構的破壞, 以動態振蕩測試或旋轉方式, 在等待不同時間之后觀察和確定該樣品結構的重建. 即三段測量模式(動態振蕩 + 穩態剪切 + 動態振蕩).

(2) 流動曲線

在恒定溫度下, 逐漸升高剪切速率到某一設定點, 然后再降低剪切速率到原點. 通過流動曲線的滯后環面積測量樣品的觸變性, 即觸變環或者滯后環模式.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，可以耐受平板轉子的高剪切，采用滯后環的方式也可以；設備的靈敏度足夠，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，數據的重復性比旋轉方式的滯后環要好。本身觸變性不是一個容易獲取穩定測試數據的測試，樣品本身受上樣方式，刮邊的手法，樣品的剪切或者熱歷史，測試夾具的下壓速度等因素影響很大；旋轉方式又受限于制劑本身結構的特點，不耐受高速剪切。三段式震蕩模式本身第一段和第三段都采用LVR區間內的動態測試，數據的重復性，數據質量都有優于滯后環的旋轉模式。

2、 滯后環測試的時候，針對稀溶液最合適；選擇圓筒轉子，可以做高速剪切破壞。但是由于圓通轉子尺寸比較大，在插入測試樣品的瞬間，對樣品本身結構影響大，直接影響測試的重復性。下圖是一個軟膏類樣品做的重復測試。一個60S后的回復百分比是66.86%，一個是75%，多做幾次的話，肯定落在15%的置信區間內。

1. 2.5  屈服應力測試

屈服應力對整個流變學的測試、數據解析，流變現象理解異常關鍵，是材料的特征屬性，只要配方定了，屈服應力也就確定了。屈服應力又是一個抽象的、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，這就導致了屈服應力的表達有很多種方法，每一個方法得到的結果各不相同。因為，只要這些數值落在一個區間內，都是合理的。常用的屈服應力測試方法如下：

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

1. 2.6 流動曲線

一致性評價的原則上明確要求表達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值。問題的關鍵是，對于給定的樣品，剪切速率的合理范圍應該是多少呢？這個要看具體的樣品，設備的測試下限，還有與轉子的匹配程度。

乳膏軟膏通常都具有屈服應力，為了完整的表達低剪切速率條件下的應力和黏度變化，建議采用Log的取數方式.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）關系樣品的微結構：凝膠的結構強度、膏劑的穩定性；高剪切（不低于100 s-1）關系樣品實際使用情況：是否更易涂得均勻。流動曲線最終要建立一個標準樣品的置信區間，自研的樣品落在置信區間內就可以了。比如下圖，建立一個15%的置信區間的評價辦法。xin

• 三、討論與總結

• 3.1 扭矩M

每個流變儀都有自己標稱的扭矩范圍，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。作為流變儀最重要的三個參數:應力，應變和剪切速率，基本計算公式如下：

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。這就要求測量馬達的限制，轉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，綠色代表扭矩輸出在合理范圍內，數據有效。所以，在做條件設定優化的時候，務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 法向應力FN

乳膏和軟膏無論是進行哪一個類型的測試，務必留意測試轉子下壓到設定間隙時候樣品反饋給法向力傳感器的F_N數據。通常條件下，在開始測試采集數據之前，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、 給一個非常小的預剪切，讓樣品在結構上盡快松弛下來；

2、 更換一個更小尺寸的轉子；

3、 控制轉子下壓的速度，盡可能慢的達到設定間隙；

4、 適當提高間隙距離（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法向力是負值的情況，表明樣品處于即將離心出去的臨界狀態，表示剪切速率已經到達最大限值了。如下圖所示，在剪切過程中，法向應力應該是逐步下降的過程。

3.3 盡量采用控制應力模式 

市面上絕大多數的流變儀都是應力控制型的儀器，采用CS應力控制模式，數據的穩定性更好。在做振蕩測試的時候，應力控制和形變控制是等效的。

3.4 測試數據的置信區間設置

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

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。

流變儀設備主機：空氣軸承，扭矩下限1uNm甚至更低，具備控制應力、控制形變、控制速率模式

具有法向力傳感器：0.01~50N甚至下限數據更低

頻率范圍：0.001~50HZ甚至下限數據更低

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：半導體或者液體都可以