主成分分析法用于中藥混合粉流動性表征的研究

張南 廖正根 喬軍輝 王亞楠 李孟石

主成分分析法用于中藥混合粉流動性表征的研究

張南 廖正根 喬軍輝 王亞楠 李孟石

目的采用主成分分析法對中藥混合粉體流動性進行表征, 并研究潤滑劑、崩解劑對中藥混合粉流動性的影響。方法選取腫節風浸膏粉、微晶纖維素及兩者1∶1混合粉為模型藥, 并在混合粉中加入微粉硅膠(潤滑劑)、硬脂酸鎂(潤滑劑)、PVPP(崩解劑)。測定各混合粉體的休止角、平板角、壓縮度、均齊度, 采用主成分分析法評價分析七種粉體的流動性。結果A+3％PVPP, A+0.3％微粉硅膠, A+3％硬脂酸鎂, A+0.3％微粉硅膠+3％PVPP四種粉體F值為負值其流動性較好。結論中藥浸膏粉經過與輔料混合可以有效改善其流動性, 潤滑劑和崩解劑都能改善中藥混合粉的流動性。

中藥混合粉；主成分分析；潤滑劑；崩解劑

在中藥固體制劑的生產中, 中藥粉體的流動性對制劑產品的質量有重要的影響[1］。測定粉體的流動性并進一步改善它的流動性, 對粉體的生產工藝、傳輸、儲存、裝填以及中藥制劑中的不同成分的混合、顆粒劑、片劑、散劑、膠囊劑等的成型和裝量有著重要的意義。準確表征藥用粉體的流動性是控制固體制劑質量的重要基礎和手段[1-3］。

藥用粉體的流動性評價方法較多, 歐洲藥典和美國藥典采納的方法中最基本的方法是質量流率法[4,5］。在實踐中,即便使用流通口徑很大的漏斗, 仍有很多粉體不能通過漏斗,因此在實際生產中多改用測定粉體的休止角來表征流動性,休止角越小表示流動性越好。然而休止角的測定往往受人為因素影響較大, 而且不準確。有研究使用壓縮度、粒度分形維、均勻度、黏聚力、內摩擦角等方法測定粉體的流動性[6-9］。HR法使用壓縮度評價粉體材料流動性具有直接而實用的特點。

主成分分析是一種多元統計分析方法, 旨在利用降維的思想, 把多指標轉化為少數幾個綜合指標, 已經初步應用于中藥材的品質綜合評價與分類中[10,11］。其核心是保證在原始數據信息丟失最小的情況下, 對高維變量進行降維處理。粉體的流動性有很多影響因素, 本實驗將多個影響因素測定結果依據其對流動性影響的強弱程度進行標準化后主成分分析, 主要測定中藥粉體的休止角、平板角、壓縮度、均齊度等指標進行表征。

1 材料與方法

1.1 材料 PH101微晶纖維素(安徽山河藥用輔料有限公司, 批號：091009)；微晶纖維素MCC(安徽山河藥用輔料有限公司, 批號：091109)；微粉硅膠(青島海洋化工有限公司,批號：0110280)；硬脂酸鎂(中國醫藥上?；瘜W試劑公司,批號：20111108)；交聯聚維酮PVPP(安徽山河藥用輔料股份有限公司, 批號：110702)。

1.2 儀器 GZX-9140 MBE數顯鼓風干燥箱(上海博訊實業有限公司醫療設備廠)；BT-1000型粉體綜合特性測試儀(丹東市百特儀器有限公司)；BS124S型電子分析天平(Sartorius公司)；DZF-6050型真空干燥設備(上海新苗醫療器械制造有限公司)VH-5混合機(吉首市中誠制藥機械廠) Mastersizer2000 激光粒度測定儀(英國馬爾文儀器有限公司)

1.3 方法

1.3.1 混合粉體的制備 取干燥的腫節風浸膏粉碎過5號篩, 后與微晶纖維素按質量比1∶1混合30 min, 得到腫節風與微晶纖維素的混合粉(下文中縮寫為A)。取混合粉A分別加入3％硬脂酸鎂、0.3％微粉硅膠、3％PVPP, 分別混合30 min,得到改性后的混合粉體：A+3％硬脂酸鎂、A+0.3％微粉硅膠、A+3％硬脂酸鎂+3％PVPP、A+0.3％微粉硅膠+3％PVPP。

1.3.2 角度的測定 使用BT-1000型粉體綜合特性測試儀測定混合粉體的休止角與平板角。

1.3.3 壓縮度測定 使用BT-1000型粉體綜合特性測試儀測試, 測定松密度ρa與振實密度ρb, 并根據HR=ρb/ρa計算壓縮度。

1.3.4 粒徑與粒徑分布 使用Mastersizer2000激光粒度測定儀干法模塊測定粉體粒徑, 以D90和D50表示, 并計算其均齊度=D90/D50。

2 結果

2.1 粉體物性測定結果, 見表1。

表1 粉體物性測定結果

休止角、壓縮度、HR值、粒徑與粒徑分布等參數都可以直接描述粉體的流動性[2］。但是以單一參數表征流動性,發現物料流動性趨勢類似, 但是略顯粗糙。因此粉體的流動性通常無法用單一的特性值來表達。

休止角的測定是檢驗粉體流動性好壞的最簡便的方法。休止角的大小反映粉末顆粒之間相對運動自由程度。休止角越小, 說明粉體的流動性越好。休止角作為最為普遍的測試方法, 能夠反映物料的流動性差異, 但其誤差較大, 同時對于物性接近的物料不能區分, 如MCC、A+3％PVPP、A+3％硬脂酸鎂+3％PVPP都是(50±0.5)°。加入潤滑劑后, 休止角為(51±2)°, 相對腫節風：微晶纖維素1∶1混合粉59°有明顯差異。

HR值<1.3時流動性較好, >1.3時流動性較差。該實驗的八種粉體中, 微晶纖維素的壓縮度最小, 明顯區分于中藥浸膏粉和混合粉體。

從粒徑角度分析隨著粒徑的減小, 流動性變差。均齊度可以表征粒子的規整程度, 越接近1越好。A混合粉D90粒徑與D50粒徑相差比較大, 均齊度不佳, 間接影響到流動性。加入潤滑劑和崩解劑的混合粉, 均齊度值較原中藥浸膏混合粉減小, 可以說明潤滑劑和崩解劑的加入使得浸膏粉流動性得到改善。

2.2 主成分分析結果 將休止角、平板角、壓縮度、均齊度4個指標進行標準化, 形成協方差矩陣、相關系數矩陣和主成分載荷矩陣等。進一步求矩陣的特征值及相應的單位特征向量、累計貢獻率等。見表2, 表3。

表2 系數矩陣(相關矩陣)

表3 方差分解主成分提取分析表(％)(解釋的總方差)

從表2可以發現, 休止角與壓縮度關系最大, 由于顆粒的表面作用力, 通常得到休止角變大, 壓縮度相應變大。除了A+3％PVPP混合粉：休止角小, 壓縮度最大。平板角的測定原理類似于休止角, 故平板角與休止角相關性大。粒徑大小與粒徑分布與壓縮度相關性大。粉體的粒徑大且均齊度越小, 則壓縮度越小。

從表3可以看出, 只有第1個主成分特征值>1, 前兩個累計方差貢獻>80％。只要2個主成分就能評價中藥粉體的流動性,4個主成分累積貢獻率共100％, 使用新的低維變量代替原始高維變量能夠較為客觀地反映各因素作為評價流動性指標的品質。在此基礎上進行因子分析, 因子得分是由主成分分析得到因子荷載矩陣的荷載系數, 如第1主成分因子得分反映了各成分對第1主成分的影響。權重系數的計算依據其方差貢獻的大小, 即各主成分的貢獻率與4個主成分的總貢獻率之比, 第1主成分的權重為57.389％ /100％ =0.57389, 同理可得,第2、3、4主成分的權重分別為0.24037、0.15765、0.02808。有實驗證明, 因子綜合得分F與中藥粉體流動性呈負相關,即F值越小流動性越好[2］。因此可以得到主成分的綜合因子得分并排名, 結果見表4。A+3％PVPP；A+0.3％微粉硅膠；A+3％硬脂酸鎂；A+0.3％微粉硅膠+3％PVPP四種粉體F值為負值, 其流動性較好。

表4 主成分負荷矩陣

結果表明, 潤滑劑的加入對中藥粉體的流動性有明顯的改善作用。微粉硅膠和硬質酸鎂易與中藥浸膏混合粉混勻并附著于混合粉表面, 能改善粒子表面的靜電力分布, 減弱粒子間的范德華力；改善粒子表面的粗糙度, 減小粒子間的摩擦力等。數據顯示, 崩解劑PVPP本身具有良好的流動性,同樣能改善中藥浸膏粉的流動性。微晶纖維素粒徑分布窄,使得其均齊度最小, 但是其粒徑較小, 導致其表面范德華力、靜電力較大, 會發生粒子間的粘附與凝聚現象, 流動性最差。中藥浸膏粉與微晶纖維素混合后, 流動性較兩者得到改善；崩解劑和潤滑劑能同時提高中藥混合粉的流動性。

3 討論

本實驗使用主成分分析的方法對中藥浸膏混合粉體進行流動性測定, 改變了過去單獨依賴休止角或少數幾個參數的做法, 能夠獲取量化的數值, 并建立合理的評分標準, 對于實踐中評價粉體流動性有相對客觀的標準, 方便了流動性計算。

實驗證實, 潤滑劑和崩解劑能同時改善中藥浸膏混合粉體的流動性。推其原因, 在于填充粒子的表面空隙, 使粒子圓整度提高, 減小流動時的摩擦阻力；改變粒子表面荷電,減小粒子間的作用力, 降低粘附性和凝聚性。其更深層次的作用機理有待繼續研究。

主成分分析方法旨在利用降維的思想, 把多指標轉化為少數幾個綜合指標, 是一種有效數學變換的方法。實驗數據不能單純通過數學方法進行分析, 更需要基礎的專業知識進行指導和考證。在今后的實驗與實際應用中, 仍然需要增加樣本量, 選取合適的參數, 不斷考察該方法在中藥粉體流動性測試中的適用性。

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10.14164/j.cnki.cn11-5581/r.2015.02.161

2014-10-30］

國家自然科學基金項目(項目編號：81160522)；“贛鄱555”工程領軍人才培養計劃項目

450003 鄭州人民醫院藥學部(張南 喬軍輝 王亞楠 李孟石)；江西中醫藥大學現代中藥制劑教育部重點實驗室(廖正根)

通迅作者：廖正根