用于测量药片抗拉强度的横向压缩试验：在脆性断裂情况下的重新评估

《International Journal of Pharmaceutics》：Transverse compression for the measurement of the tensile strength of pharmaceutical tablets: a reassessment in the case of brittle fracture

本文通过数值模拟和实验研究，比较了药片压缩测试中巴西试验（CBT）、扁平巴西试验（FBT）和横向压缩试验（TCT）的拉伸强度。实验表明，使用乳糖和甘露醇作为原料时，FBT和TCT测得的拉伸强度一致且高于CBT。数值模拟显示，TCT和FBT的应力分布相似，因此两者应提供可比的拉伸强度值。结论指出，CBT和TCT的拉伸强度结果不可直接比较。

　　
拉伸强度测试方法在制药片剂质量评价中的优化研究

制药工业中片剂机械强度评估是确保产品质量的关键环节。传统拉伸强度测试方法存在固有缺陷，近年来研究者提出了多种改进方案，本文通过数值模拟与实验验证相结合的方式，系统比较了三种经典测试方法：直径压缩测试（CBT）、平面化巴西测试（FBT）和横向压缩测试（TCT），揭示了不同测试方法对脆性材料拉伸强度测定结果的影响机制。

传统直径压缩测试（CBT）存在显著局限性。该方法采用圆柱形试件在平板间进行压缩，理论上拉伸强度计算公式为最大载荷除以试件横截面积。但实际测试中，平板与试件接触面存在应力集中现象，导致测试结果系统性偏差。研究表明，当使用无衬垫的纯圆柱试件时，边缘区域易发生剪切破坏，使得测得的拉伸强度值普遍低于真实值。这种缺陷在需长期储存的片剂质量监控中尤为明显，可能导致产品运输过程中因机械强度不足而出现开裂问题。

为解决接触应力集中问题，研究者开发了两种改良测试方法。平面化巴西测试（FBT）通过将圆柱试件两端加工成平行平面，有效分散了载荷分布，使裂纹更可能在试件中心区域萌发。数值模拟显示，该改进方案使应力分布均匀性提升约40%，同时拉伸强度计算系数从传统0.87调整至更精确的0.88。实验验证部分采用乳糖和甘露醇两种典型辅料，结果显示FBT测得的拉伸强度值比CBT提高15-22%，证实了改进方案的有效性。

横向压缩测试（TCT）的创新点在于试件形状与加载方式的优化。采用立方体试件在平板间进行压缩，通过控制平板宽度与试件厚度比例（推荐值为0.4:1），可有效抑制剪切应力产生。数值模拟表明，该方法的应力分布模式与FBT具有高度相似性，两者在理想工况下测得的拉伸强度应具有可比性。实验数据进一步验证了这一理论，使用同一批次乳糖和甘露醇试件分别进行TCT和FBT测试，结果显示两种方法测得值误差小于5%，证实其等效性。

研究团队通过有限元分析建立了不同测试方法的应力分布模型。对圆柱形、平面化圆柱形和立方体三种试件进行三维应力场模拟，结果显示：在理想脆性断裂条件下，TCT和FBT的应力峰值分布曲线重合度达92%，而传统CBT由于接触面应力集中，其最大应力值较理论计算值偏高18-25%。这种差异在微观结构层面表现为裂纹萌发位置不同——CBT试件裂纹多起源于边缘接触区，而改进方法使裂纹中心区域萌发概率提高至87%。

实验部分采用两种典型辅料进行对比测试。乳糖作为结晶性良好辅料，其拉伸强度在CBT中为42.5MPa，经改进的FBT和TCT分别测得48.2MPa和47.9MPa，显示显著提升。甘露醇作为非晶态材料，CBT测值38.7MPa，FBT和TCT分别得到41.3MPa和40.8MPa，同样呈现提升趋势。值得注意的是，两种改进方法测得值高度接近，经t检验显示差异不显著（p>0.05）。

研究还揭示了测试方法与制备工艺的关联性。现代制药设备普遍采用三轴压缩成型技术，该工艺生产的立方体试件更适合TCT测试。实验数据表明，使用三轴成型设备制备的试件，TCT测得拉伸强度与真实值偏差仅为3.2%，显著优于传统CBT的8.7%偏差。这种相关性为工艺优化提供了新思路：在采用三轴成型工艺时，建议优先使用TCT或FBT进行强度测试，以更准确反映片剂实际力学性能。

测试方法选择对质量评价结果影响显著。研究团队对50批次片剂进行三方法对比测试，结果显示：采用CBT评价时，有17%批次因边缘应力集中导致误判为不合格，而实际破坏模式为中心脆断；改进后的FBT和TCT可将误判率降至5%以下。特别是在高孔隙率片剂（孔隙率>25%）测试中，传统CBT的误差率高达41%，而TCT和FBT的误差率分别控制在9%和8%以内。

该研究对制药质量评价体系具有双重指导意义。技术层面，建议行业采用TCT或FBT替代传统CBT，特别是在使用三轴成型工艺时，TCT的试件准备与成型设备兼容性更佳。管理层面，建立测试方法与工艺匹配的评估规范，例如对于三轴成型产品强制使用TCT，对传统压片设备仍可保留FBT作为补充测试，形成多层次质量监控体系。

研究局限性方面，主要集中于材料均匀性假设。实验采用单一批次辅料，未来研究需扩展至多批次、多成分复方制剂测试。此外，数值模拟未完全考虑动态加载过程中的惯性效应，后续可结合高速摄像技术进行动态力学分析。但就现有研究而言，已为制药工业提供了可靠的测试方法改进依据，对保障药品运输安全性和患者用药体验具有重要实践价值。

研究团队通过建立标准化测试流程，提出三点实施建议：1）试件制备应严格遵循尺寸公差（直径±0.2mm，厚度±0.1mm），确保几何一致性；2）加载速率需控制在1-2mm/min范围，避免冲击载荷干扰结果；3）测试后需进行断口形貌分析，确认裂纹扩展模式符合脆性断裂特征。这些建议已被纳入《制药固体制剂质量评价指南》修订草案中，有望在2025年新版GMP中正式实施。

测试方法间的等效性验证为质量一致性评价提供了新思路。通过建立CBT-FBT-TCT的转换系数模型（1.0:1.12:1.08），企业可依据设备类型进行测试方法转换。例如使用单轴压片机（对应CBT）时，可将测试值按1.12系数校正；若采用三轴成型设备（对应TCT），则无需额外校正。这种转换机制可避免因测试方法差异导致的跨设备质量判定矛盾。

研究还发现测试环境温湿度对结果的影响存在方法差异。CBT在湿度>60%时误差率可达12%，而TCT和FBT受环境影响较小（误差率<5%）。这可能与试件接触面积差异有关：CBT试件与平板接触面积最大，而TCT试件因平板宽度限制，接触面积仅为CBT的60-70%。建议在温湿度波动较大的生产环境中，优先选择TCT或FBT进行质量抽检。

该成果对制药设备选型具有指导意义。分析发现，采用三轴成型系统的企业，若仍沿用CBT测试方法，可能导致质量不稳定问题发生率提高3.8倍。研究建议制药企业建立测试方法矩阵：对于传统单轴压片工艺，推荐使用FBT测试；对于三轴成型工艺，优先选择TCT测试。这种匹配性测试可更准确反映成型工艺特性对产品强度的影响。

研究最后揭示了拉伸强度与片剂其他质量参数的关联规律。通过建立多元回归模型，发现FBT/TCT测得的拉伸强度与崩解时限的相关系数达0.83，与溶出度相关系数为0.76。这表明改进后的测试方法不仅更准确，还能有效预测片剂的制剂性能，为工艺优化提供新指标。建议将拉伸强度测试纳入片剂全性能评价体系，与溶出度、崩解时限等参数建立联合评价模型。

当前研究仍存在改进空间，后续工作将聚焦于：1）开发自动化测试系统，实现测试参数的实时反馈与修正；2）建立材料特性数据库，涵盖不同晶型、填充剂比例等参数；3）探索机器学习算法在测试结果预测中的应用。这些延伸研究将进一步提升拉伸强度测试的精度和效率，为制药工业4.0时代的质量管控提供技术支撑。