基于主成分分析的中药粉体流动性表征研究

杜 焰，冯 怡，徐德生，赵立杰，李晓海，熊耀坤

（1.上海中医药大学中药现代制剂技术教育部工程研究中心，上海 201203；2.江西师范大学化学化工学院，江西 南昌 330022）

在中药固体制剂的生产中，生产原料的流动性对制剂产品质量有重要影响［1］，例如流动性差的粉体往往表面粗糙或易黏结成块导致药物不易分散，不便患者服用；流动性差的物料，各成分往往很难混和均匀和填充，从而影响药物的准确含量，在片剂、胶囊剂等的成型或填充时，造成装量差异等等。尤其是随着粉末直压技术的流行，制剂生产对原料的流动性、可压性要求更加严格，选择适合直接压片的中药粉体配方，首要的问题就是使用较高流动性的药用粉体。准确表征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［2-3］。

药用粉体的流动性评价方法较多，最基本的方法是流速法［4］，即将待测药用粉体通过漏斗流出，同时测定流出的速度。在实践中，即便使用流通口径很大的漏斗，还是有很多药用粉体不能通过漏斗，因此在实际生产中多改用测定粉体的休止角来表征流动性，休止角越小表示流动性越好。然而休止角的测定往往受人为因素影响较大，而且不准确。于是，又有人使用压缩度、平均崩塌时间、粒度分形维、均匀度、黏聚力、内摩擦角等方法测定粉体的流动性［5-8］，尽管如此，这些方法过于注重单一因素，仍然不能很好地表征药用粉体的流动性。

主成分分析 (PCA)是一种多元统计分析方法，它特别擅长处理多个指标，是一种降维或者把多个指标转化为少数几个综合指标的一种方法，已经初步应用于中药材的品质综合评价与分类中［9］。其核心是保证在原始数据信息丢失最小的情况下，对高维变量进行降维处理。例如，原始数据中有多个变量，即有多个主成分，实际只考虑贡献率最大(方差最大)的主成分，通常是主成分1(PCA1)、主成分2(PCA2)前二主成分，这些主成分被认为是原始数据中的真实信号，需要对其进行进一步分析才能解释其深刻内涵，而其余主成分则被认为是噪声信号而丢弃。因此主成分 (PCA)成为解决原始数据信息分析的有效手段［10］。流动性恰恰有很多影响因素，将多个影响因素测定结果依据其对流动性影响的强弱程度进行标准化后PCA分析，作为评价粉体流动性的方法的研究目前尚未报道。基于此，本实验在前期研究工作的基础上采用主成分分析方法对7种常见中药粉体和3种已知较好流动性的直压辅料进行比较，且进行综合评价与分类研究［11］。本实验将主要测试粉体的休止角、压缩度、平板角、均齐度、黏聚力、内摩擦角等指标进行表征。

1 仪器与材料

Mastersize scroco2000激光粒度仪 (英国Malvern公司)，BT—1000粉体综合特性测试仪 (丹东百特仪器有限公司)，FA1004N电子天平 (上海精密科学仪器有限公司)，ZJ型应变控制式直剪仪(南京土壤仪器厂有限公司公路仪器分公司)。

直压辅料:优化微晶纤维素，prosolve SMCC 90(德国 JRS公司)；微晶纤维素，PH102，PH200(美国FMC公司)。中药粉体:按中国药典2010年版一部方法制备甘草提取物、陈皮提取物、清喉咽方提取物、玄麦甘桔方提取物、乐脉方提取物、山菊降压方提取物、精制冠心方提取物［12］。

2 方法和结果

2.1 粉体综合特性测试 用粉体综合特性测试仪可以测定各样品的物理量。所有项目平行测定3次，结果见表1。

2.1.1 角度测量 休止角:样品通过漏斗均匀流出，直到获得最高的圆锥体为止，测量圆锥体斜面与平面的夹角即为休止角。平板角:平板埋入样品中，升起平板，测量平板斜面与平面的夹角即为平板角。

2.1.2 压缩度测量 松密度:预先精密称定密度金属容器 (容积100 cm3)的质量，计算质量G0，再通过振动筛加入样品，当粉末充满金属密度容器后停止加料，用刮板将多余的粉体刮出，并用毛刷清除容器外部粉末，精密称定，计算总质量G1，再按公式计算ρB=(G1－G0)/100。振实密度:通过振动筛加入样品，开启震动约5 min至容器内样品高度不发生变化，精密称定总质量G2，再按公式计算ρT=(G2－G0)/100。压缩度:豪斯纳比率 (Hausner ratio)HR= ρT/ρB。

表1 粉体综合特性测试结果(n=3，)Tab.1 Results of sample characteristic features determination(n=3，)

表1 粉体综合特性测试结果(n=3，)Tab.1 Results of sample characteristic features determination(n=3，)

样 品 休止角/° 平板角/° 压缩度冠心方55±1 87±2 1.85±0.03陈皮 51±1 64±3 2.21±0.02玄麦 44±1 88±4 1.64±0.04甘草 51±1 66±2 1.91±0.02清喉咽方 50±1 65±3 1.62±0.01乐脉方 44±1 61±3 1.68±0.02山菊降压方 39±1 88±1 1.46±0.01 SMCC90 37±1 51±2 1.35±0.01 PH102 32±1 35±1 1.39±0.01 PH200 31±1 35±1 1.29±0.01

图1 冠心方提取物粒径分布Fig.1 Results of Guanxinfang's particle size and particle size distribution determination(n=3，)

表2 粒径分布测试结果 (n=3，)Tab.2 Results of sample's particle size and particle size distribution determination(n=3，)

表2 粒径分布测试结果 (n=3，)Tab.2 Results of sample's particle size and particle size distribution determination(n=3，)

样 品 粒径分布D50/μm粒径分布D90/μm均齐度(D90/D50)/μm冠心方62±1 272±2 4.4±0.3陈皮 10±1 87±1 8.7±0.4玄麦 58±1 417±2 7.2±0.1甘草 24±1 65±1 3.8±0.1清喉咽方 56±1 244±2 9.3±0.2乐脉方 58±1 348±2 8.1±0.1山菊降压方 79±1 363±2 4.6±0.3 SMCC90 100±2 223±2 2.23±0.1 PH102 108±2 223±2 2.07±0.1 PH200 246±2 420±2 1.84±0.1

图2 抗剪强度与垂直压力关系Fig.2 Relationship between shear strength and vertical pressure

2.2 粒径与粒径分布的测定 取待测粉体约3g，置于Mastersize scroco 2000型激光粒度仪干法进样器金属盒上，选择已建立的工作方法，以空气为分散媒介，颗粒折射率设为1.5，粒径分布如图1，均齐度=D90/D50，测定粉体的粒径分布与均齐度结果见表2。

2.3 黏聚力的测定［13］用取土环刀取样品约50 g加至直剪仪的剪切盒中，在400 kPa垂直压力预压5 min，然后分别记录垂直压力为50、100、200、300、400 kPa下的测力环读数R，平行测定3次。计算抗剪强度 (τ=R·A，A为测力环系数189.4 kPa/mm)。以抗剪强度为纵坐标，垂直压力 (x)为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，线性回归所得直线在纵坐标上的截距即为粉体黏聚力。可根据库仑公式计算抗剪强度τ(τ=σ·tanφ+C，σ和φ分别为垂直压力和内摩擦角)。

表3 黏聚力测试结果(n=3，，P＜0.05)Tab.3 Results of sample determination of coheresive(n=3，，P＜0.05)

表3 黏聚力测试结果(n=3，，P＜0.05)Tab.3 Results of sample determination of coheresive(n=3，，P＜0.05)

样 品 直线回归方程 黏聚力/kPa 内摩擦角/°冠心方 y=0.6794x +69.22 69.22±0.03 34±1陈皮 y=0.3733x+52.91 52.91±0.03 20±1玄麦 y=0.7664x+18.90 18.90±0.03 37±1甘草 y=0.7848x+15.33 15.33±0.02 38±1清喉咽方 y=0.7974x+12.01 12.01±0.02 39±1乐脉方 y=0.6153x+12.37 12.37±0.02 32±1山菊降压方 y=0.7494x+9.96 8.96±0.02 37±1 SMCC90 y=0.7539x+9.36 9.36±0.02 39±1 PH102 y=0.6565x+8.98 8.98±0.02 33±1 PH200 y=0.6133x +3.94 3.94±0.01 32±1

3 分析与讨论

3.1 粉体综合特性 粉体综合特性测试结果如表1所示，压缩度、休止角、平板角、黏度都可以描述粉体的流动性。根据经验，休止角小于30°时流动性较好，大于45°时流动性较差，压缩度小于1.3时流动性较好，大于1.3时流动性较差。从粒径角度分析，中药粉体颗粒较细，D50粒径多数小于100 μm，直压辅料均大于100 μm，随着粒径的减小，流动性变差。均齐度可以表征粒子的规整程度，越接近1越好。中药粉体由于性质不同均齐度差异较大，而直压辅料相对规整，均齐度相差不大，主要在2左右，有很好的流动性。玄麦甘桔方提取物、乐脉方提取物、陈皮提取物粒径小于50 μm，D90粒径与D50粒径相差比较大，均齐度不佳，间接影响到流动性。从黏聚力分析，中药颗粒本身的自重减小，因而附着力与自重的比值增大，故越细的颗粒越容易团聚，导致流动性差。而且中药粉体含水，颗粒间存在的液桥作用强，致使颗粒间的附着力增大，更容易团聚，形成二级粒子，同时所形成的架桥作用使颗粒间的空隙率增大。

内摩擦角是间接测量粉体摩擦力的方法，一般情况下内摩擦角与休止角差值越大，流动性越差，在实际单元操作中，内摩擦角与休止角差值大的物料流动情况不理想，如在加料器中可能形成鼠孔或产生严重的结拱现象。

3.2 主成分分析 原始数据采用天津理工学院刘世与编写的多元统计分析软件进行多元计算，并进行主成分分析和因子分析，同时将处理的数据导入软件Unscrambler 9.1进行绘制主成分分析二维图［14］。

3.2.1 多元计算分析 将休止角、平板角、压缩度、均齐度、黏聚力、内摩擦角等多个指标进行标准化，形成协方差矩阵、相关系数矩阵和主成分载荷矩阵等。进一步求矩阵的特征值及相应的单位特征向量、累计贡献率等。见表4、表5。从表4可以发现，休止角与压缩度和黏聚力关系最大，由于颗粒的团聚作用，黏度变大，休止角和压缩度增大。平板角的测定原理类似于休止角，故平板角与休止角相关性大。内摩擦角与压缩度和黏聚力是负相关，内摩擦角越小，压缩度和黏聚力越大。粒径大小与粒径分布与休止角相关性大。从表5可以看出，前2个主成分特征值大于1，累计方差贡献接近80%，只要2个主成分就能评价中药粉体的流动性，6个主成分累积贡献率共100%，使用新的低维变量代替原始高维变量能够较为客观地反映各因素作为评价流动性指标的品质。

在此基础上进行因子分析，因子得分是由主成分分析得来的因子荷载矩阵的荷载系数，如第1主成分因子得分综合反映了各成分对第1主成分的影响。权重系数的计算依据其方差贡献的大小，即各主成分的贡献率与6个主成分的总贡献率之比，第1主成分的权重为58.60%/100% =0.586，同理可得，第2、3、4、5、6主成分的权重分别为0.2006、0.1158、0.0672、0.0260、0.0044。将各主成分因子得分与其权重乘积之和相加，得出各个中药粉体样品的因子得分F，根据本课题组前期的研究表明，总因子得分F与流动性为负相关，得分越低，表明流动性越好。进而可以计算得出主成分的综合得分因子并进行排名，结果见表6。由主成分综合得分排名可知，综合品质较好的前5名为直压辅料PH200，PH102，SMCC90和山菊降压方、甘草提取物。

表4 样本的相关系数矩阵Tab.4 Correlation matrix of samples

表5 主成分特征值Tab.5 Principal component feature value of samples

表6 综合得分与排序结果Tab.6 Comprehensive scoring and ranking result of samples

3.2.2 主成分投影图 将处理后的数据导入软件simca-p进行主成分分析和绘制主成分分析二维图。如图3、4所示。从图4中可以发现，黏聚力在PCA1上的荷载最大，平板角在PCA2的荷载最大，反映第一主成分为黏性指标，第二主成分是角度指标。图3、4中，3个指标 (均齐度、HR、内摩擦角)比较接近，流动性较好的直压辅料SMCC90、PH102，PH200落在该指标区域附近，表明其性质与均齐度、HR、内摩擦角关系密切，冠心方和清喉咽与该3指标距离较远，暗示二者流动性较差。

图3 各样品的PCA1与PCA2贡献率图Fig.3 PCA1 and PCA2 contribution rate of samples

图4 各指标的PCA1与PCA2贡献率图Fig.4 PCA1 and PCA2 contribution rate of indicators

3.3 对比Carr指数分析 Carr流动性指数 (CI)法采用Carr推荐的方法［15］，主要将休止角、平板角、压缩度、分散度分别按0.25的权重进行加和，范围是0～100，Carr指数越大，粉体的流动性越好。本实验采用BT-1000粉体综合特性测试仪测量Carr指数。实验结果见表7。

表7 流动性指数和PCA得分结果Tab.7 Results of samples'Carr flowability index and PCA scores

由实验结果可以看出，使用主成分分析评分的结果与Carr流动性指数法完全一致，由于使用的样品量较少，暂时还不能看出差别。能达到CI值60以上的中药粉体不多，表明多数流动性不好，与直压辅料有差距，它们必须搅动或振动才能流动。

4 结论

本研究使用多元统计分析的方法对中药粉体进行流动性测定，改变了过去单独依赖休止角或少数几个参数的做法，能够获取量化的数值，并建立合理的评分标准，可以根据实际情况确定中药粉体流动性临界值，指导药物处方设计，对于实践中评价粉体流动性有相对客观的标准，方便了流动性计算。通过中药粉体和流动性较好的直压辅料微晶纤维素之间的对比，结果发现，中药原料多数流动性不好，对于主成分分析中总因子得分值在0.3以上的中药粉体，在流动性能上与直压辅料有较大差距，基本上不适合粉末直接压片，需要添加合适的辅料或改性提高其流动性。在小样本测试中，我们通过与Carr指数法对比，发现运用主成分分析得到的结果与综合打分的Carr指数法基本一致，且与实际流动情况相符合。二者的区别主要在于，Carr指数法是封闭体系，参数固定不可改变，而且误差较大，PCA方法是开放体系，可根据实际情况选择参数，可以增加和减少参数，一旦参数适合，描述可以更准确，如可以区分流动性十分接近的粉体。参数选定后，PCA分析较简单，一般只需要考虑主成分1和主成分2，具体计算和分析由计算机完成，得出相关结论。在今后的实验与实际应用中，仍然需要增加样本量，选取合适的参数，不断考察该方法在中药粉体流动性测试中的适用性。

［1］崔福德.药剂学［M］.北京:人民卫生出版社，2004:491-495.

［2］朱 蕾，冯 怡，徐德生.中药提取物与微晶纤维素混合物的物理性质与其片剂成型性的相关性研究［J］.中国医药工业杂志，2008，39(5):349-350.

［3］李姝琦，冯 怡，徐德生.影响粉末直接压片的中药提取物物理性质研究［J］.中国药学杂志，2010，45(8):608-610.

［4］The United States Pharmacopeial Convention U.S.Pharmacopeia［M］.The United States Pharmacopeial Convention Inc，USP 29-NF 24，2006，372:1174-1175.

［5］奚新国，张耀金.粉体流动性能的测试研究［J］.盐城工学院学报自然科学版，2003，16(1):4-7.

［6］Yang W L，Hsiau S S.Wet granular materials insheared flows［J］.Chemi Engi Sci，2005，60:4265-4274.

［7］Bhattachar S N，Heddon D B，Olsofsky A M，et al.Evaluation of the vibratory feeder method for assessment of powder flow properties［J］.Int J Pharm，2004，269(2):385-392.

［8］胡大为，胡小芳，林丽莹.粉体粒度分布分形维数与流动性及硬脂酸镁改进流动性［J］.中国粉体技术，2007，13(4):1-4.

［9］蒋海峰，欧阳臻，宿树兰，等.基于主成分分析和相似度分析的乳香药材质量评价研究［J］.中药材，2011，34(6):904-911.

［10］荆志伟，周才秀，王 忠.在运用主成分分析探索不同中药组分配伍干预脑缺血的基因表达模式［J］.中医杂志，2010，51(2):164-167.

［11］朱 蕾.中药提取物物理性质与片剂成型的相关性研究［D］.上海:上海中医药大学，2009.

［12］国家药典委员会.中华人民共和国药典:2010年版二部［S］.北京:中国医药科技出版社，2010:73-74.

［13］李姝琦.中药直接压片技术适宜性研究［D］.上海:上海中医药大学，2010.

［14］Haware R V，Tho I，Bauer-Brandl A.Application of multivariate methods to compression behavior evaluation of directly compressible materials［J］.Eur J Pharm Biopharm，2009，72:148-155.

［15］Carr R L.Evaluating flow properties of solids［J］.Chem Eng，1965，72:163-167.