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如何表征医药粉体的流动性?

   日期:2018-12-27     浏览:293    评论:0    
 [导读]  如何准确描述药用粉体的流动性,是控制固体制剂质量的重要基础和手段,尤其是随着粉末直压技术的流行,如何设计适合直接压片使用的中药粉体配方,首要的问题就是设计具有良好流动性的药用粉体。

中国粉体网讯  在医药产品中固体药物制剂约占 70%~80%,含有固体药物的剂型有散剂、颗粒剂、胶囊剂、片剂、粉针、混悬剂等;涉及的单元操作有粉碎、分级、混合、制粒、干燥、压片、包装、输送、贮存等。而这一系列过程密切相关的粉体性质有粒度、堆密度、流动性、吸湿性和润湿性等。


中药粉体的物理性质


 

其中,如何准确描述药用粉体的流动性,是控制固体制剂质量的重要基础和手段,尤其是随着粉末直压技术的流行,如何设计适合直接压片使用的中药粉体配方,首要的问题就是设计具有良好流动性的药用粉体。

 

医药粉体流动性的表征


粉体流动性表征的是粉体在某些特定条件下的流动能力,药用粉体的流动性表征方法主要有 3 种:

  • 基于测量颗粒质量流量的方法,包括霍尔流量计测量、低速转鼓中的颗粒物质的坍塌规模或质量流率测量等;

  • 基于测量颗粒摩擦的方法,包括静力学休止角、剪切流变力学、压缩度测量等;

  • 基于颗粒形状的分形维数法等 。

 

粉体流动性的评价方法多种多样,在药剂学领域中常用的方法有以下几种:


(1)休止角测定法

 

休止角是粉体堆积层的自由斜面在静止平衡状态下,与水平面形成的最大角。休止角不仅可以直接测定,也可以通过测定粉体层的高度和圆盘半径后计算得出,即 tan θ=高度/半径,测定原理如图1所示。

 

图1:休止角测定原理

 

休止角的测定方法主要有3种(见图 2),即注入法、排出法和和容器倾斜法。

 

图2:休止角的测定方法

(a)注入法(b)排出法(c)倾斜角法(d)转动圆筒法

 

休止角是检验粉体流动性的好坏的最简便的方法。一般而言,休止角越小,摩擦力越小,粉体的流动性越好。如果粉体的休止角α<30o,其流动性好;若粉体的休止角α>40o(或45o),则流动性差,需采取措施保证分剂量准确。但在实际生产中,休止角α<40o就可以满足分剂量的生产要求。

 

休止角大小与粉体流动性好坏的关系

 

 

(2)流出速度法

 

流出速度是将物料加入漏斗中测定全部物料流出所需的时间来描述,其测定装置见图3所示。

 

图3:粉体流动性的测定装置

 

 

流速快,流动性好;反之流动性差。该方法仅适用于能够自由流动的粉体。对于附着性较强的粉体,由于粉体本身不能自由流动,因此无法进行测定。这种情况下可以向粉体中加入粒径为 100 μm 的玻璃球助流,测定粉体开始流动所需玻璃球的最少量,用以表示流动性,加入玻璃球的量越多,粉体的流动性越差。

 

此外,流出速度法的测定结果受测定方法和实验条件的影响较大。影响因素主要有容器的形状和材质、孔径大小与形状、容器内粉体层的直径和高度等。

 

(3)压缩度测定法


压缩度是将一定量的粉体在无任何振动的条件下填充在量筒中,振动量筒使粉体处于最紧状态,振动后最终体积 Vf 与初始体积V0的差占初始体积V0的分数即为压缩度 C,也可以通过计算最松密度ρ0与最紧密度ρf求得压缩度。

 

压缩度计算公式如下:

 

Hausner 比 rHr 与压缩度紧密相关,是初始体积 V0与最终体积 Vf 的比值,计算公式如下:

 

 

压缩度与豪斯那比及粉体流动性好坏的关系

 

 

(4)剪切实验法


剪切实验法通过定量地测定粉体力学特性来评价的粉体流动性。根据剪切实验法原理的不同,该法可以分为定载荷剪切实验法和定容积剪切实验法。近年来常用于医药粉体流动性评价的剪切实验法主要有以下几种。

 

  • Jenike 剪切实验法

 

传统 Jenike 剪切实验属于定压式单面剪切实验法,实验装置如图 4 所示。

 

图4:Jenike 剪切实验装置示意图

 

图5:Jenike 实验法的基本原理图

 


  • 环形剪切实验法

 

环形剪切实验法与 Jenike 剪切法不同,剪切盒呈现环形,如图6所示,在粉体的上部施加垂直应力,然后旋转下部剪切盒,环形的粉体层发生剪切旋转,测定力矩即可求得剪切应力。

 

图 6: 环形剪切实验法

 

 

  • 旋转式剪切实验法

 

旋转式剪切实验法(图7)通过插入粉体层内部的旋转剪切头对填充在圆筒形剪切盒内的粉体施加力的作用。操作相对简单,人为误差小,仪器的体积相对较小,所需样品量少以及测定快,针对制药粉体来说,采用旋转式剪切实验法测定流动性最适用。

 

图 7 :Schulze 剪切实验装置原理图

 

 

  • 平行平板型剪切实验法

 

相比于休止角和压缩度测定方法,基于 Jenilke 剪切实验原理的平行平板剪切法更适用于湿物料粉体流动性的评价。

 

图 8: 平行平板型剪切实验装置图

 

 

(5)Carr流动性指数法

 

粉体流动性的测量方法很多,很长一段时期都是简单地根据粉体的休止角、可压缩性来预测粉体的流动性能,但是这些方法所考虑的因素都较为单一,带有较强的经验性,往往在实际单元操作中,流动情况很不理想,难以很好地描述粉体流动性。后来Carr通过对2800种粉体试样的测定,提出了一套比较全面的表征粉体流动情况的办法,叫做Carr流动性指数法。

 

Carr流动性指数法是目前粉体流动性评价中最常用的一种综合评价方法。通过对粉体的休止角、压缩度、平板角、凝集度或均齐度 4 项指标进行测定,每项最高 25 点,将测定结果换算成表示高低程度的点数,然后采用点加法得出总数作为流动性指数 FI,以此来综合评估粉体流动性。

 

Carr 提出的流动性指数 FI 及其含义

 

 

该法既适应于流动性好的粉体,又适用于附着性强且流动性差的粉体,在工程应用中较为常见。它的缺点是只给出定性指标,其流动性指标仍不能用于诸如输送压降、混合时间、搅拌功率等的工程计算。

 

小结

近年来随着粉体技术的发展,出现了许多新的流动性测试方法,这些方法从静力学或动力学的角度出发,试图对粉体流动性进行更定量或更全面的表征。如转鼓法、多元分析法。但影响药物粉体流动性的因素很多,如颗粒的大小、粒度分布、颗粒形态、堆积密度、表面状态、颗粒之间的内摩擦力、黏附力、静电力等,因此要对粉体流动性进行正确、全面地评价和表征,必须根据需要选择合适的评级方法,有时仅依靠一种测定方法或仅单独分析某一个参数的变化是不够的,必须综合运用几种流动性测定方法进行全面评价。

 

参考资料:

李凤生等.药物粉体技术

王亮等.医药粉体流动性评价方法研究进展

杜焰等.中药粉体流动性表征方法研究

吴福玉.粉体流动特性及其表征方法研究

 

(中国粉体网编辑整理/三昧)

 
 
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