静电电荷对颗粒粘附与粉末流动性的影响机制及预测模型优化研究

针对微量样品条件下粉末流动性预测的难题，Wolfson Centre团队创新性地提出基于Bond数(Bo)的预测方法，发现静电电荷会显著影响对乙酰氨基酚(acetaminophen)的颗粒粘附力测量，导致其与传统剪切测试(PFT)结果偏差达20倍。该研究通过电荷传感器量化了不同材料(乳糖lactose、硬脂酸镁Mg stearate等)的电荷质量比(CMR)，揭示了静电效应对低固结应力下粉末流动的关键影响，为制药工业中API(活性药物成分)的微量化开发提供了重要指导。

　　

在制药工业中，粉末流动性是决定生产工艺成败的关键参数。传统剪切测试(PFT)虽能准确表征流动性能，但动辄需要数十克样品，这对于早期研发阶段珍贵的活性药物成分(API)无疑是巨大挑战。Wolfson Centre for Bulk Solids Handling Technology的研究团队另辟蹊径，开发出仅需毫克级样品的Bond数(Bo)预测模型——通过测量颗粒在玻璃基板上的脱离加速度来量化粘附力与重力比值，成功预测了乳糖(lactose)、硬脂酸镁(Mg stearate)等多种辅料的流动函数(FFc)。然而在对乙酰氨基酚(acetaminophen)的测试中却出现戏剧性偏差：预测值比实测值高出20倍，这个"异常信号"揭开了静电电荷影响粉末流动的奥秘。

研究人员采用机械表面能测试仪测量Bo数，结合激光衍射法(Mastersizer 3000)获取粒径分布(D₅₀)，并通过创新设计的感应电荷传感器检测电荷质量比(CMR)。特别针对两种对乙酰氨基酚(普通型与微粉化型)和三种常规辅料进行系统对比，所有测试均在20-25℃、40-60% RH条件下完成。

4.1 流动特性
剪切测试显示对乙酰氨基酚的流动函数(FFc)在0.8kPa固结应力下仅为1.6-1.8，远低于Bo数预测值。其休止角(AoR)达52-55°，压缩指数(CI)38%，均显著高于其他材料，暗示存在特殊作用力干扰。

4.3 预测差异
关键发现在于：随着固结应力从0.8kPa升至9.0kPa，预测与实测差异从150%降至20%，证明静电效应在低压条件下占主导。计算显示对乙酰氨基酚的电荷力/重力比(F_e/F_g)达1.5，是钙碳酸盐(0.001)的1500倍。

4.4 电荷水平
微粉化对乙酰氨基酚净电荷达3.49nC/g，呈现双极性分布；而常规辅料电荷<0.2nC/g且为单极性。图像力模型计算发现需将介电常数(a)调高2500倍才能匹配实测数据，暗示实际存在多颗粒团聚效应。

4.6 静电影响机制
SEM图像揭示对乙酰氨基酚颗粒形成松散团聚体(约270颗粒/簇)，而低电荷材料如硬脂酸镁则形成致密聚集体。这种电荷诱导的"蓬松结构"在低压下显著增强粘附，但在高压固结时被破坏，解释了流动函数差异随应力变化的规律。

这项发表于《International Journal of Pharmaceutics》的研究首次量化了静电电荷对Bo数测量的干扰机制。通过建立电荷校正因子，未来可优化微量样品的流动性预测模型。更深远的意义在于揭示了药物粉末加工中静电控制的必要性——特别是对于对乙酰氨基酚这类高电荷API，在低应力操作(如分装、输送)时需特别考虑电荷中和措施。Wolfson Centre开发的感应电荷传感器为这类研究提供了创新工具，其测量精度可达单颗粒簇级别(0.05mg)，为理解颗粒-电荷-流动性的复杂相互作用打开了新窗口。