UV/Vis光谱在药物片剂中的穿透深度与有效样本量表征研究及其在实时释放测试中的应用

为解决制药行业实时释放测试(RTRT)中UV/Vis光谱技术的样本代表性问题，研究人员通过制备双层片剂系统，结合Kubelka-Munk模型和微CT分析，首次量化了UV/Vis辐射在片剂中的穿透深度(0.1-0.4 mm)与有效样本量(0.84-2.01 mm3)，证实了波长和粒径依赖性，为PAT技术应用提供了关键参数依据。

　　

在制药行业数字化转型的浪潮中，实时释放测试(RTRT)正逐步取代传统的离线检测方法。作为口服固体制剂中最常见的剂型，片剂的质量控制尤为关键。传统近红外(NIR)光谱虽能监测关键质量属性(CQAs)，但需要复杂的多元分析且设备昂贵。相比之下，紫外-可见(UV/Vis)光谱具有操作简单、灵敏度高和成本低的优势，但其在片剂中的穿透深度和有效样本量长期缺乏系统研究，这直接关系到测量结果的代表性和RTRT应用的可靠性。

针对这一技术空白，来自国内多所高校联合研究团队在《Journal of Pharmaceutical Sciences》发表了创新性研究成果。他们设计了一套精巧的双层片剂实验系统：下层固定为含80%二氧化钛(TiO₂)和20%微晶纤维素(MCC)的强反射层，上层则采用不同粒径的MCC、乳糖或含10%茶碱的配方，通过液压压片机逐步增加上层厚度。利用正交排列的UV/Vis探头(224-820 nm)记录光谱变化，结合Kubelka-芒克(Kubelka-Munk)理论模型计算理论穿透深度，并通过微计算机断层扫描(micro-CT)验证活性药物成分(API)的空间分布。

关键技术方法包括：(1)双层片剂梯度厚度设计；(2)UV/Vis反射光谱结合标准正态变量(SNV)预处理；(3)Kubelka-Munk模型拟合计算理论穿透深度；(4)基于60°光锥角的有效样本量抛物线模型计算；(5)3D U-Net神经网络分割micro-CT数据验证API分布均匀性。

【材料与方法】
研究选用三种粒径的MCC(未分级d₅₀=122.5 μm、粗分级159.25 μm、细分级68.50 μm)和乳糖(d₅₀=133.75 μm)作为主要辅料，茶碱(d₅₀=99.90 μm)作为模型API。通过干法分散激光粒度仪表征原料粒径分布，确保实验设计的科学性。

【实验结果】

1. 穿透深度表征：实验测得UV/Vis辐射在片剂中的穿透深度呈现显著波长依赖性，UV区(＜380 nm)因强吸收作用穿透较浅(0.1-0.2 mm)，可见光区(380-780 nm)受非相干散射影响维持在0.15-0.3 mm，近红外区(＞780 nm)因散射减弱可达0.4 mm。粒径效应明显，粗颗粒MCC穿透深度(1.38 mm)显著高于细颗粒(0.68 mm)。

2. 理论模型验证：Kubelka-Munk模型计算的理论穿透深度(0.25-1.38 mm)普遍高于实验值，这与模型假设的理想均匀介质条件有关。在331 nm波长下，含茶碱配方(MT)的穿透深度降至0.73 mm，证实API的紫外吸收特性会影响测量深度。

3. 有效样本量：基于抛物线穿透模型计算，60°光锥角下最大有效检测体积达2.01 mm³。对直径8 mm、高4 mm的含API片剂，UV/Vis可检测约0.5-1.05%的茶碱分子量，这一比例在均匀分布体系中具有代表性。

4. API分布验证：micro-CT结合3D U-Net分析显示，茶碱在LT(乳糖-茶碱)片剂中呈空间均匀分布(Dice系数=0.96)，局部API体积分数(＜4%-10%)沿Z轴无显著变化，证实表面测量可代表整体组成。

【结论与意义】
该研究首次系统量化了UV/Vis光谱在药物片剂中的穿透特性，建立了"波长-粒径-穿透深度"的关联模型，为过程分析技术(PAT)的工业化应用提供了关键参数。研究发现：(1)UV/Vis的有效检测区域集中在表层0.4 mm以内，适合监测表面CQAs；(2)粗颗粒制剂具有更深穿透能力，而API添加会降低UV区穿透深度；(3)在均匀体系中，不足1%的API检测量已具有统计学代表性。这些结论为UV/Vis替代NIR用于RTRT提供了理论依据，特别适合监测铬化API(如茶碱)的含量和分布。研究采用的"双层梯度厚度设计+光学模型验证"方法，为其他固体剂型的穿透深度研究建立了标准化范式。随着制药4.0的发展，该成果将推动更经济高效的在线质量监控系统建设，加速药品生产的数字化转型。