宋舒虹，姚昌林，王 蕾，曲亞倩，陶緒堂

(山東大學(xué)，晶體材料研究所，晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100)

0 引 言

結(jié)晶在地球化學(xué)、生物及合成材料中占據(jù)核心地位，長(zhǎng)期以來(lái)一直受到研究人員的廣泛關(guān)注，如在化學(xué)、制藥和食品工業(yè)，結(jié)晶實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的造粒與提純。尤其在制藥領(lǐng)域，超過(guò)70%的藥物都是以固體形式存在的[1]，包含了多晶型、水合物、鹽和溶劑化物，除此之外，目前一些藥物的非晶態(tài)形式也得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)晶作為一個(gè)極其重要的步驟，深刻影響著藥物的上、下游加工工藝，其中藥物晶型是影響固體藥物質(zhì)量和療效的重要因素。藥物晶型不同使得藥物的溶解度、溶出速率、穩(wěn)定性等理化指標(biāo)有很大差異，直接影響到藥物的生物利用度、安全性和療效。因此藥物晶型研究是目前科學(xué)界及制藥工業(yè)界的重要研究?jī)?nèi)容和世界性前沿課題[2]。然而，目前晶型調(diào)控存在各種問(wèn)題，如晶型有時(shí)會(huì)突然“消失”，即晶型調(diào)控重復(fù)性、可控性差的問(wèn)題，晶型失控現(xiàn)象給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重后果，使產(chǎn)品研發(fā)遲滯、商業(yè)生產(chǎn)中斷。1998年，美國(guó)雅培公司的HIV蛋白酯酶抑制劑上市兩年后，發(fā)現(xiàn)相同的制劑工藝下，原料藥晶型“消失”，轉(zhuǎn)晶成了溶解度更小的更穩(wěn)定晶型，最終導(dǎo)致已經(jīng)上市的藥品撤出市場(chǎng)，損失達(dá)上億美元[3]?！鞍殡S結(jié)晶”也是晶型調(diào)控中常見(jiàn)的現(xiàn)象，它會(huì)影響晶型的純度，增加晶型調(diào)控的難度[4]。究其原因，是對(duì)晶型的成核和生長(zhǎng)過(guò)程研究不足，對(duì)晶體成核和生長(zhǎng)途徑及機(jī)理不清楚，不能準(zhǔn)確實(shí)施控制。因此加強(qiáng)藥物晶體的成核和生長(zhǎng)路徑研究，了解結(jié)晶過(guò)程的前驅(qū)體相，對(duì)于調(diào)控藥物分子晶型，實(shí)現(xiàn)晶型的主動(dòng)調(diào)控有重要理論指導(dǎo)意義[5]。

經(jīng)典成核理論[6-8](classical nucleation theory, CNT)認(rèn)為：結(jié)晶過(guò)程中存在一個(gè)臨界晶核尺寸，超過(guò)該尺寸，晶核通過(guò)單體的依次添加實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)，最終形成結(jié)構(gòu)有序的晶體。然而，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，在一些物質(zhì)的結(jié)晶過(guò)程中，單體首先轉(zhuǎn)變?yōu)榈途畚铩?fù)合物、富溶質(zhì)液滴、納米晶粒等中間態(tài)[9-11]，以該前驅(qū)體作為生長(zhǎng)單元實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)，研究人員將該過(guò)程歸結(jié)為非經(jīng)典的結(jié)晶路徑(non-classical crystallization, NCC)。在藥物結(jié)晶領(lǐng)域，不同晶型藥物結(jié)晶的中間過(guò)程是怎樣的？是否存在中間體？中間體如何繼續(xù)長(zhǎng)大并進(jìn)一步發(fā)展成為晶體？以上均是目前藥物結(jié)晶機(jī)理研究的重要內(nèi)容，也是難點(diǎn)所在。

1 溶液中的經(jīng)典結(jié)晶路徑

CNT認(rèn)為，結(jié)晶是一個(gè)由分子團(tuán)簇到晶核再到晶體的變化過(guò)程，而晶核是結(jié)晶前期溶液中的分子通過(guò)自組裝形成的一種有序聚集體，藥物的晶型是由成核過(guò)程所決定的。成核與化學(xué)反應(yīng)不同，有序聚集態(tài)的存在與否取決于它們的尺寸，晶核產(chǎn)生時(shí)需要消耗一定的自由能來(lái)形成新的界面，可利用的自由能取決于過(guò)飽和度。因此在過(guò)飽和溶液中，將分布一些穩(wěn)定的聚集態(tài)，根據(jù)所采用的過(guò)飽和度將存在一個(gè)臨界尺寸，超過(guò)這個(gè)尺寸，聚集態(tài)繼續(xù)長(zhǎng)大，低于該臨界尺寸則處于不穩(wěn)定狀態(tài)。過(guò)飽和度越高，臨界尺寸越小，越容易成核，產(chǎn)生的晶體數(shù)量也越多[12]。

1.1 基于CNT的成核熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)

1897年，奧斯特瓦爾德提出了著名的奧斯特瓦爾德階段定律(Ostwald’s law of stages)[13]，指出結(jié)晶過(guò)程中首先出現(xiàn)的是最不穩(wěn)定晶型，隨后出現(xiàn)穩(wěn)定性依次提高的其他晶型，不同晶型出現(xiàn)的先后順序與它們自身的穩(wěn)定性有關(guān)。奧斯特瓦爾德階段定律是在藥物結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中常用的指導(dǎo)原則, 是經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得到的一個(gè)基本規(guī)律，是對(duì)晶型成核難易程度的基本判斷依據(jù)。然而這個(gè)規(guī)則并不一直有效。例如CaCO3各個(gè)晶型在模擬體液中的轉(zhuǎn)化并不符合奧斯特瓦爾德階段定律[14]。對(duì)乙酰氨基酚從水中結(jié)晶得到的是穩(wěn)定晶型I[15]。奧斯特瓦爾德時(shí)期，由于飽和溶液或者熔體中存在亞穩(wěn)區(qū)間或過(guò)冷現(xiàn)象，即熱滯后現(xiàn)象，人們由此推斷成核存在勢(shì)壘。直到Volmer和Gibbs等闡明了決定成核過(guò)程的參數(shù)，進(jìn)一步發(fā)展了成核動(dòng)力學(xué)過(guò)程理論，成核勢(shì)壘才真正被人們理解[16-17]，即CNT。

CNT是目前唯一可用于解釋晶體成核過(guò)程的比較成熟的理論，并在后續(xù)發(fā)展中不斷得到完善[18]，該理論指出，晶體的成核速率J可簡(jiǎn)單地表達(dá)為：

(1)

式中：J為晶體成核速率，即單位時(shí)間內(nèi)單位體積過(guò)飽和溶液中產(chǎn)生晶體的數(shù)量；S為過(guò)飽和度，是評(píng)價(jià)過(guò)飽和體系脫離平衡態(tài)程度的指標(biāo)；A、B為常數(shù)，根據(jù)B/ln2S=W/kT又定義了成核功，即成核勢(shì)壘。

由成核速率表達(dá)式可知，由于存在成核勢(shì)壘，因此溶液結(jié)晶中通常存在一個(gè)亞穩(wěn)濃度區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，盡管溶液過(guò)飽和，自發(fā)成核可以近似忽略，超過(guò)該區(qū)間，過(guò)飽和體系是不穩(wěn)定的。這也從熱力學(xué)上解釋了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中觀察到成核延遲發(fā)生的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。另外，Mullin等[19]還提出了“生長(zhǎng)死區(qū)(growth dead zone)”的概念，通常出現(xiàn)在較低的過(guò)飽和度下，在該區(qū)間內(nèi)晶體不生長(zhǎng)，該區(qū)間的存在首先阻止了體系向平衡態(tài)的過(guò)渡，降低了產(chǎn)率，其次在多晶型體系下，該區(qū)間內(nèi)可能存在一個(gè)長(zhǎng)期存在的亞穩(wěn)相，誘導(dǎo)其他晶型的成核與生長(zhǎng)。對(duì)于澄清溶液中的均相成核，公式(2)定義了成核的熱力學(xué)參數(shù)B，而非均相成核中，界面能γ應(yīng)替換為有效界面能γHEN=ψ·γ，從而得到式(3)。對(duì)于活性模板，活化因子ψ的值在0～1之間，使B值減小，從而降低了成核勢(shì)壘。

(2)

(3)

式中：c為形狀因子；v為晶體中的分子體積；γ為界面能；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度。

界面能γ受晶核內(nèi)的分子排列及溶液與晶面表面之間相互作用的影響，因此也可以說(shuō)熱力學(xué)參數(shù)B包含了成核過(guò)程中有關(guān)分子水平的信息。CNT將晶核的界面能等同于與同一溶液接觸的無(wú)限大表面的界面能。通常在分子晶體的成核中，一種結(jié)晶化合物的界面能是各向異性的，這也就意味著一個(gè)合理的界面能應(yīng)該是晶核所有表面的加權(quán)平均值。Roberts等[20]通過(guò)計(jì)算阿司匹林晶體界面能，與結(jié)晶習(xí)性的變化相結(jié)合，說(shuō)明在乙醇水溶液中，隨著晶體疏水表面比例的增加，有效界面能從6 mJ/m2到42 mJ/m2不等，這也反映了式(2)和(3)中形狀因子c和界面能γ是相互依存的關(guān)系，缺少其中任何一個(gè)都難以獲取另一參數(shù)的有效信息。

從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)講，溶液中的團(tuán)簇自組裝之前，生長(zhǎng)單元必須首先由一個(gè)溶解、溶劑化的狀態(tài)過(guò)渡到一個(gè)部分去溶劑化、吸附在晶核表面的狀態(tài)，擴(kuò)散過(guò)程需要跨越能壘，跨越該能壘需要的活化能與去溶劑化和分子的構(gòu)象改變有關(guān)。式(1)中指前因子A可表達(dá)為：

A=zf*C0

(4)

式中：z為Zeldovich因子；f*為分子粘附率；C0為成核點(diǎn)濃度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得成核速率J隨過(guò)飽和度S的變化曲線，可以得到相應(yīng)的A值并估計(jì)f*C0，但由于除了在一些特殊情況下之外，成核點(diǎn)濃度C0難以確定，因此f*C0是所能獲得的有關(guān)分子動(dòng)力學(xué)的最有效信息，f*C0可用來(lái)推斷在不同溶劑中成核分子的相對(duì)吸附速率，分子的吸附過(guò)程通常與溶液中生長(zhǎng)單元的濃度呈線性關(guān)系，因此也常用f*C0/M的值來(lái)評(píng)估不同溶劑中的分子聚集態(tài)對(duì)成核速率的影響[21]，其中M為溶液物質(zhì)的質(zhì)量濃度。

Bernstein等提出多晶型體系中，各種晶型是獨(dú)立的均相成核體系，某種晶型成核和生長(zhǎng)是在幾種晶型熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)作用下相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果[22-23]。天津科技大學(xué)沙作良課題組研究了孕二烯酮在乙醇溶液中的結(jié)晶熱力學(xué)和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，得出結(jié)論：在低過(guò)飽和度下，結(jié)晶熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)都有利于形成穩(wěn)定晶型，然而在較高過(guò)飽和度下，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間會(huì)達(dá)到平衡，從而導(dǎo)致產(chǎn)生伴隨結(jié)晶現(xiàn)象[24]。龔俊波課題組對(duì)尿素在水溶液中的成核動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，探索了化學(xué)勢(shì)和成核溫度對(duì)成核速率的影響，雖然化學(xué)勢(shì)差是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，但它并不總是有利于成核過(guò)程。他們證明了當(dāng)化學(xué)勢(shì)差隨成核溫度的降低而增大時(shí)，動(dòng)力學(xué)因素起主導(dǎo)作用，使成核速率增大；然而，當(dāng)化學(xué)勢(shì)差隨成核溫度的升高而減小，在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面，提高成核溫度都有利于成核過(guò)程[25]。

1.2 從溶液化學(xué)角度理解成核

CNT得出，在溶液中分子團(tuán)簇克服能量勢(shì)壘成核和長(zhǎng)大。然而，從這種動(dòng)力學(xué)分析，很難得到關(guān)于團(tuán)簇的組成或分子堆積的相關(guān)信息。分子在溶液中自組裝產(chǎn)生成核前驅(qū)體，該前驅(qū)體可以直接作為晶體的生長(zhǎng)單元，或者經(jīng)過(guò)重排附著到生長(zhǎng)團(tuán)簇上實(shí)現(xiàn)成核與生長(zhǎng)。Cruz-Cabeza和Davey從溶液化學(xué)的角度，結(jié)合熱力學(xué)分析、晶體結(jié)構(gòu)與計(jì)算模擬，得到晶核與溶液中生長(zhǎng)單元、結(jié)構(gòu)合成子之間的關(guān)系，并提出了“成核過(guò)渡態(tài)”的概念[12]。CNT與非經(jīng)典成核理論中均未解決晶核中分子堆積方式即晶核結(jié)構(gòu)是什么這一問(wèn)題[26-27]。

為了從分子水平上理解成核過(guò)程，人們結(jié)合不同分子可能存在的自組裝模式和溶劑化形式開(kāi)展了大量研究，從溶液化學(xué)的角度表征了溶液中分子的存在形態(tài)，并與成核過(guò)程建立聯(lián)系。如糖精的晶體結(jié)構(gòu)中存在氫鍵二聚體[12]，如圖1所示，對(duì)其在不同溶劑中的分析發(fā)現(xiàn)，丙酮中分子的主要存在形式為溶劑化的單體，而在乙醇中分子的主要存在形式為溶劑化的單體和二聚體。在丙酮溶液中，成核過(guò)程由于涉及單體的堆積錯(cuò)誤，最終得到的是孿晶，而在乙醇溶液中，成核過(guò)程與二聚體的有序排列有關(guān)，得到的是單晶[28]。在甲苯中，2,6-二羥基苯甲酸的存在形態(tài)為中心對(duì)稱的羧酸二聚體，結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中得到的是晶型1[29]，而在氯仿中為不具有對(duì)稱中心的四聚體結(jié)構(gòu)，得到的是晶型2[30]，如圖2所示。結(jié)晶實(shí)驗(yàn)與溶液化學(xué)的對(duì)應(yīng)結(jié)果表明：成核與溶液中分子的自組裝過(guò)程有關(guān)。

圖1 糖精晶體結(jié)構(gòu)中的氫鍵二聚體[12]Fig.1 Hydrogen bonded saccharin dimer extracted from its crystal structure[12]

圖2 2,6-二羥基苯甲酸的兩種晶型[12]Fig.2 Two polymorphic forms of 2,6-dihydroxybenzoic acid[12]

圖3 兩種自組裝模式下的溶質(zhì)-溶質(zhì)分子對(duì)(a)氫鍵相互作用和(b)芳環(huán)堆積作用[31]Fig.3 Solute-solute pairs in two self-assembly modes:(a) hydrogen-bonding; (b) aromatic stacking[31]

Cruz-Cabeza和Davey研究了芳香族羧酸苯甲酸(BA)、對(duì)甲基苯甲酸(pTA)、對(duì)氨基苯甲酸(pABA)和對(duì)硝基苯甲酸(pNBA)等分子在不同溶劑中的成核動(dòng)力學(xué)。他們從物理化學(xué)的角度，首次考察了分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)與成核動(dòng)力學(xué)的關(guān)系。溶液中這些分子的自組裝模式有兩種：一種為氫鍵二聚體(hydrogen-bonded dimers, HBD)；另一種為通過(guò)芳環(huán)堆積作用形成二聚體(stacked dimers, SD)，由于芳環(huán)上具有不同取代基，且取代基的分子形狀不同，由此導(dǎo)致芳環(huán)堆積基元的幾何排列與重疊程度不同。圖3所示為兩種自組裝模式下分子的幾何形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)成核速率并不只是由單體吸附?jīng)Q定，還與對(duì)溶劑有依賴作用的芳環(huán)堆積相互作用力有關(guān)。即晶體的成核速率是由團(tuán)簇的生長(zhǎng)速率所決定的，而團(tuán)簇的生長(zhǎng)是單體分子通過(guò)芳環(huán)堆積作用附著到晶核表面實(shí)現(xiàn)的。芳環(huán)堆積作用是成核中的關(guān)鍵步驟[31]。

他們還研究了對(duì)氨基苯甲酸(pABA)不同晶型的成核動(dòng)力學(xué)，揭示這兩種不同晶型的成核路徑以及成核過(guò)程溶液中團(tuán)簇的分子堆積方式和組成。α-pABA中通過(guò)氫鍵相互作用形成了羧酸二聚體，它們沿b軸以平移方式無(wú)限堆積，實(shí)現(xiàn)了該晶型沿b軸的生長(zhǎng)，β-pABA中通過(guò)COOH…NH2相互作用形成了層內(nèi)四聚體結(jié)構(gòu)單元[32]，而分子堆積是通過(guò)層間形成的二聚體以中心對(duì)稱方式實(shí)現(xiàn)的[33]，如圖4所示。成核時(shí)分子通過(guò)芳環(huán)堆積作用自組裝形成二聚體，在大部分溶劑和過(guò)飽和環(huán)境下，二聚體中的分子是以平行方式排列的，這種排列方式在幾何上有利于后續(xù)的分子堆積，即通過(guò)酸與酸之間的相互作用形成α晶型。而在特定條件下，如低過(guò)飽和度或水溶液中，當(dāng)二聚體中的分子以反演方式排列時(shí)，不同的二聚體之間通過(guò)COOH…NH2作用連接形成β晶型，或者在另一種情況下，這種以反演方式堆積形成的二聚體經(jīng)過(guò)重排形成α晶型，圖5所示為pABA分子在不同的自組裝模式下結(jié)晶得到α和β晶型。在這里，水并非提供了溶液介導(dǎo)晶型轉(zhuǎn)變的途徑，而是由于pABA和水之間的界面張力較高，使得在某一區(qū)間內(nèi)不發(fā)生晶體的成核與生長(zhǎng)，α團(tuán)簇不繼續(xù)長(zhǎng)大，從而為β晶型的出現(xiàn)提供了充足的時(shí)間[21,34]。

圖4 β-pABA中的分子排列方式[33]Fig.4 β-pABA motifs[33]

圖5 pABA的α和β晶型溶液結(jié)晶中可能存在的自組裝路徑[33]Fig.5 Plausible self-assembly pathways in solution crystallization of α and β of pABA[33]

Davey等通過(guò)改變?nèi)軇┡c過(guò)飽和度，對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由成核誘導(dǎo)時(shí)間得到晶體的成核速率[35]。晶體的相對(duì)生長(zhǎng)速率越快，達(dá)到同等成核速率所需過(guò)飽和度的值就越低，說(shuō)明溶液中由分子到超分子團(tuán)簇的成核過(guò)程，速率限制步驟為團(tuán)簇生長(zhǎng)到臨界晶核尺寸[31]。以苯甲酸/甲苯體系為例[35]，實(shí)驗(yàn)得到的成核速率與過(guò)飽和度的關(guān)系滿足CNT，并利用數(shù)值擬合得到成核參數(shù)，在分子水平解釋了芳香族羧酸在不同溶劑中的成核。

圖6 TA晶型Ⅰ的扭轉(zhuǎn)構(gòu)象和晶型Ⅱ的平面構(gòu)象[37]Fig.6 Twisted-like and planar-like conformations found in forms Ⅰ and Ⅱ TA[37]

人們還探究了溶液中分子的存在形式對(duì)最終生長(zhǎng)單元所采取的構(gòu)象(晶型)是否有影響。以構(gòu)象多晶型藥物托芬那酸(TA)為例，此前Mattei和Li等[36]的研究表明：過(guò)飽和度影響TA的分子存在形式，從而影響其晶型。當(dāng)溶質(zhì)濃度提高，二聚體數(shù)量增多，二聚體中的分子構(gòu)象與晶型I的扭轉(zhuǎn)構(gòu)象相同(見(jiàn)圖6)，從而高過(guò)飽和度促進(jìn)晶型Ⅰ的形成。而Davey等[37]研究發(fā)現(xiàn)，TA在甲苯溶液中分子的主要存在形式為HBD，根據(jù)Mattei和Li的計(jì)算結(jié)果，該條件下結(jié)晶所得到的應(yīng)為晶型Ⅰ，而Davey等在同等條件下還得到了TA晶型Ⅱ，說(shuō)明溶液中分子的存在形式與構(gòu)象多晶型之間無(wú)必然聯(lián)系，無(wú)論分子在溶液中的存在形式為單體或二聚體，最終分子組裝成臨界晶核所采取的構(gòu)象不受影響。要想在溶液化學(xué)與晶型選擇性之間建立聯(lián)系，應(yīng)對(duì)高過(guò)飽和度下亞穩(wěn)晶型的出現(xiàn)做出解釋。乙水楊胺分子在溶液中以一種能量較高的構(gòu)象存在，這種高能量構(gòu)象在溶液中的濃度較低，然而在目前得到的乙水楊胺晶體中，乙水楊胺分子并非直接采用這種低濃度的高能量構(gòu)象，這與分子重排并接觸到晶體表面這一過(guò)程有關(guān)[38]。

溶液中溶劑對(duì)溶質(zhì)分子的溶劑化作用會(huì)降低溶質(zhì)的聚集程度，去溶劑化是形成分子團(tuán)簇的重要一步。苯甲酸在固態(tài)下或在非極性溶劑中都可以形成二聚體結(jié)構(gòu)[39]，根據(jù)能量計(jì)算[21](見(jiàn)表1)，苯甲酸在三種溶劑中二聚體的形成傾向由高到低：乙腈>乙酸乙酯>異丙醇，相應(yīng)的去溶劑化能力也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。以苯甲酸-甲苯體系為例，圖7(d)為苯甲酸在甲苯中形成的二聚體結(jié)構(gòu)，該二聚體通過(guò)與甲苯之間的π-π相互作用被溶劑化，與pABA相比，由于苯甲酸的甲苯溶液中本來(lái)就存在二聚體，成核過(guò)程不需要首先經(jīng)歷分子的去溶劑化(見(jiàn)圖8)，因此成核速率更快，在不同溶劑中，pABA的成核速率也隨去溶劑化能力呈現(xiàn)相應(yīng)的變化規(guī)律。

表1 pABA在三種溶劑中羧酸二聚體和單體的溶劑化自由能(293 K, 101.325 kPa)[21]Table 1 Solvation free energies of carboxylic acid dimer and two distinct monomers of pABA in three solvents, at 293 K and 101.325 kPa[21]

圖7 pABA在(a)異丙醇、(b)乙腈、(c)乙酸乙酯中的溶劑化形式和(d)苯甲酸在甲苯中的溶劑化形式[21]Fig.7 Solvation interactions in solution of pABA in(a) 2-propanol, (b) acetonitrile, (c) ethyl acetate and(d) benzoic acid in toluene[21]

圖8 自組裝二聚體和溶劑化單體的成核路徑[21]Fig.8 Nucleation pathways of self-assembled dimers andsolvated monomers[21]

2 熔體中的經(jīng)典結(jié)晶路徑

大部分藥物的結(jié)晶都是通過(guò)溶液結(jié)晶實(shí)現(xiàn)的，而很少采用熔融結(jié)晶。熔融結(jié)晶作為一種單一組分體系簡(jiǎn)化了影響結(jié)晶過(guò)程的因素，與溶液結(jié)晶相比，熔融結(jié)晶中無(wú)溶劑-溶質(zhì)相互作用和溶液介導(dǎo)晶型轉(zhuǎn)變。另外，越來(lái)越多文獻(xiàn)報(bào)道，一些難以通過(guò)傳統(tǒng)的溶液結(jié)晶方法得到的晶型，可以在熔融結(jié)晶中成功獲得，如灰黃霉素(GSF)晶型Ⅱ[40]、ROY晶型Y04[41]、吡羅昔康晶型Ⅵ和Ⅶ[42]。通過(guò)熔融結(jié)晶篩選得到的新晶型往往比溶液法篩選的晶型具有更高自由能。在固體口服劑型中無(wú)定形藥物已受到越來(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)闊o(wú)定形固體通常可以提高溶解性、溶解速率和低溶性藥物的生物利用度。然而，隨著時(shí)間的推移，高自由能非晶態(tài)藥物會(huì)有再結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致治療效果的喪失。因此，保持無(wú)定形藥物的物理穩(wěn)定性對(duì)于開(kāi)發(fā)藥物配方至關(guān)重要。研究無(wú)定形藥物(熔融)結(jié)晶過(guò)程具有重要意義。熔融結(jié)晶包括晶體的成核和生長(zhǎng)，相關(guān)研究表明，熔體中的晶體成核速率最大值所對(duì)應(yīng)的溫度要低于生長(zhǎng)速率最大值所對(duì)應(yīng)的溫度，意味著二者有著不同的動(dòng)力學(xué)，需要分開(kāi)研究。

2.1 熔體中的晶體成核動(dòng)力學(xué)

有機(jī)分子熔融結(jié)晶的成核動(dòng)力學(xué)報(bào)道較少。最近，Yu課題組測(cè)量了多元醇(D-山梨醇、D-阿糖醇、D-木糖醇和甘油)[43]在熔體中的成核速率，發(fā)現(xiàn)雖然它們結(jié)構(gòu)相似，但是成核速率卻相差近10個(gè)數(shù)量級(jí)。這些多元醇的成核速率可以通過(guò)CNT擬合出來(lái)，說(shuō)明它們成核過(guò)程符合經(jīng)典的成核理論。根據(jù)CNT[44-46]，熔融狀態(tài)下的晶體成核速率可表示為：

J=kJexp(-WC/kT)

(5)

(6)

式中：WC為成核的熱力學(xué)勢(shì)壘；σ為晶核與熔體界面自由能，需要指出的是，界面能σ微小差別就可以導(dǎo)致成核速率數(shù)量級(jí)差別，因此，在利用CNT解釋晶體的成核過(guò)程時(shí)，應(yīng)盡可能得到成核界面能σ的準(zhǔn)確值；ΔGV為晶體與熔體自由能之差；kJ為動(dòng)力學(xué)因子，表示分子與晶核結(jié)合的頻率，可以表示為一些熔體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的函數(shù)，如式(7)～(9)所示。

kJ=fDD

(7)

kJ=fη/η

(8)

kJ=fτ/τα

(9)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)；η為黏度；τα為結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)間；fD，fη，fτ均為溫度敏感性常數(shù)。

Yu課題組發(fā)現(xiàn)，用晶體的生長(zhǎng)速率u可更加簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確地計(jì)算出成核動(dòng)力學(xué)因子[43]：

kJ=fuu

(10)

式中：fu為溫度敏感性常數(shù)。

最近，Cai課題組研究了三種聚合物(HPMCAS、PVP、PEO)對(duì)氟康唑無(wú)定形成核速率的影響[47]，發(fā)現(xiàn)HPMCAS能夠明顯抑制氟康唑無(wú)定形成核速率，PVP對(duì)其成核速率影響不大，而PEO則能明顯加快其成核速率。該研究為如何選擇穩(wěn)定無(wú)定形聚合物提供了指導(dǎo)。

熔融結(jié)晶過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生交叉成核現(xiàn)象，Yu課題組提出了一種新的成核機(jī)理：交叉成核(cross nucleation)[48-49]，即最先成核的晶型(A)不會(huì)消耗完所有溶質(zhì)或發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，而是作為模板使另一種晶型(B)成核，相較于原始晶型(A)，新晶型(B)的熱力學(xué)穩(wěn)定性可能更高也可能更低，生長(zhǎng)速率大于等于原始晶型(A)。交叉成核與溶液介導(dǎo)相變中的二次成核有一定聯(lián)系但又存在差異[50-52]：相同的是，二者都是界面成核；不同的是，溶液介導(dǎo)相變中，二次成核的晶型一定比初始晶型有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。需要指出的是，交叉成核并非晶型轉(zhuǎn)變，D-甘露醇的α晶型在δ晶型上交叉成核證實(shí)了這一點(diǎn)[52]：(1)盡管δ晶型的穩(wěn)定性低于α晶型，但在實(shí)驗(yàn)條件下δ晶型有足夠的穩(wěn)定性，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中該晶型仍然在生長(zhǎng)；(2)晶型轉(zhuǎn)變速率應(yīng)隨溫度的升高而加快，但α晶型在δ晶型上出現(xiàn)的速率隨溫度升高而減慢，并且實(shí)驗(yàn)中觀察到α晶型也可以在D-甘露醇的最穩(wěn)定晶型β上成核。

2.2 熔體中的晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

在熔點(diǎn)附近，晶體生長(zhǎng)速率是由熱力學(xué)控制，溫度降低，熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力增加，晶體生長(zhǎng)速率加快；進(jìn)一步降溫，晶體生長(zhǎng)速率由分子擴(kuò)散限制，擴(kuò)散速率隨溫度降低而減慢，最終導(dǎo)致生長(zhǎng)速率減慢；當(dāng)溫度降低至Tg附近，生長(zhǎng)速率異常加快，比分子擴(kuò)散模式下的生長(zhǎng)速率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這種新的晶體生長(zhǎng)模型被稱為“玻璃態(tài)-晶體生長(zhǎng)模型(glass-crystal growth mode)”，簡(jiǎn)稱為GC生長(zhǎng)模型，這種快速生長(zhǎng)模式不僅僅出現(xiàn)在Tg以下，在溫度上升至1.15Tg時(shí)的熔融態(tài)下仍存在[53-55]。一些理論認(rèn)為，GC生長(zhǎng)模型可歸因于均相成核[56]、張力誘發(fā)分子遷移[57]、由局部分子遷移引發(fā)的固態(tài)相變[53]等。對(duì)于儲(chǔ)存溫度在Tg以下的無(wú)定形藥物，研究GC生長(zhǎng)模型對(duì)其穩(wěn)定性研究具有重要意義。

熔體中的晶體生長(zhǎng)另外一個(gè)重要特征是熔體表面的晶體生長(zhǎng)速率要遠(yuǎn)大于熔體內(nèi)部的晶體生長(zhǎng)速率，這是因?yàn)槿垠w表面分子遷移率要遠(yuǎn)高于熔體內(nèi)部的分子遷移率，如熔融態(tài)的硝苯地平[58]和灰黃霉素[59]的晶體表面生長(zhǎng)速率均遠(yuǎn)高于內(nèi)部。上文提到，一些有機(jī)小分子在Tg附近具有GC生長(zhǎng)現(xiàn)象，雖然GC生長(zhǎng)是一個(gè)內(nèi)部過(guò)程，但它可能與表面分子遷移率存在一定關(guān)系，這是因?yàn)榫w本身的密度高于玻璃態(tài)，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的最前端會(huì)不斷產(chǎn)生微裂紋(自由表面)，使分子有了較高的遷移速率而加快生長(zhǎng)速率。對(duì)于不同體系來(lái)說(shuō)，表面擴(kuò)散速率存在較大差異，造成這種差異主要有兩方面原因：一方面是分子尺寸，即表面分子擴(kuò)散速率隨分子尺寸增大而減慢；另一方面是分子間氫鍵，即表面分子擴(kuò)散速率隨分子間氫鍵增多而減慢。例如，灰黃霉素僅有氫鍵受體而無(wú)氫鍵給體，因此其晶體結(jié)構(gòu)中沒(méi)有分子間氫鍵，該體系下表面分子擴(kuò)散速率不受氫鍵影響，并符合“無(wú)分子間氫鍵”的無(wú)定形分子表面擴(kuò)散速率的總體趨勢(shì)，即表面擴(kuò)散速率隨分子尺寸的增大而減慢。為了解決無(wú)定形藥物表面分子遷移率較高使藥物穩(wěn)定性降低的問(wèn)題，目前常采用納米包覆的方法提高穩(wěn)定性，如將無(wú)定形吲哚美辛用聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)[60]、明膠[61]或殼聚糖[62]包覆后，其穩(wěn)定性明顯改善。另外也可采用引入聚合物添加劑抑制無(wú)定形藥物的成核與生長(zhǎng)過(guò)程，如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的加入提高無(wú)定形D-山梨醇和D-阿糖醇的穩(wěn)定性[63]。

3 溶液中的非經(jīng)典結(jié)晶路徑

隨著對(duì)成核研究的深入，由于CNT模型過(guò)于簡(jiǎn)化，它的不足之處也被人們發(fā)現(xiàn)。在蛋白質(zhì)結(jié)晶的成核動(dòng)力學(xué)研究中，Vekilov課題組發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的成核速率比根據(jù)CNT的預(yù)測(cè)值要低十個(gè)甚至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)[64-65]，他們通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)，證明在過(guò)飽和溶液中，會(huì)先形成蛋白質(zhì)分子的致密無(wú)序團(tuán)簇，隨后從該致密無(wú)序團(tuán)簇中形成晶核，并提出了兩步成核機(jī)理[66]。Myerson課題組用近紅外激光對(duì)甘氨酸溶液進(jìn)行輻照，采用線偏振和圓偏振能分別得到甘氨酸的不同晶型(γ和α)，這個(gè)結(jié)果可以證實(shí)甘氨酸的兩步成核機(jī)理，即分子聚集形成晶核前會(huì)經(jīng)歷一個(gè)高密度中間態(tài)[67]。后來(lái)他們利用小角X射線散射(SAXS)證實(shí)了甘氨酸的兩步成核過(guò)程，即單分子—二聚體—晶核這一成核路徑[68]。近十幾年，一系列原位表征技術(shù)的崛起(冷凍電鏡、原位透射電鏡、原位原子力顯微鏡)使在分子以及納米尺度直接觀察成核過(guò)程成為可能[69-71]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，除了經(jīng)典成核路徑，經(jīng)歷多核團(tuán)簇、亞穩(wěn)晶態(tài)、無(wú)定形或致密液態(tài)等中間態(tài)的多步成核路徑被提出[9-11]，即非經(jīng)典成核路徑(non-classical nucleation pathway)。研究者們利用原位表征技術(shù)不僅僅對(duì)蛋白質(zhì)晶體的成核與生長(zhǎng)，對(duì)生物礦化[72-73]、硅沸石[74]、無(wú)機(jī)納米材料[75-76]和有機(jī)晶體[77-78]等材料的成核和生長(zhǎng)過(guò)程也進(jìn)行了原位觀測(cè)，并對(duì)其非經(jīng)典結(jié)晶路徑進(jìn)行報(bào)道。

與經(jīng)典結(jié)晶路徑不同，非經(jīng)典結(jié)晶中采用的生長(zhǎng)單元不再是原子、離子或分子，而是更大的前驅(qū)體粒子[9,79]，涉及成核前團(tuán)簇(pre-nucleation cluster, PNC)的形成和兩步成核機(jī)理[11]。De Yoreo提出非經(jīng)典的晶體生長(zhǎng)機(jī)制中存在粒子在特定晶面上的定向附著(oriented attachment, OA)，OA使一些納米晶粒、低結(jié)晶度的納米晶粒生長(zhǎng)為單晶[9]，另外，最近的研究表明，OA還促成了一種重要的孿晶結(jié)構(gòu)——五重孿晶的形成[80]，這種OA所導(dǎo)致的晶體生長(zhǎng)受粒子間界面力的影響[81-82]。許多物質(zhì)都采用了非經(jīng)典的結(jié)晶路徑，如蛋白質(zhì)的結(jié)晶經(jīng)歷了由凝聚態(tài)液相到有序晶體轉(zhuǎn)變的過(guò)程[64-66,83]，碳酸鈣的成核也與溶液中成核前團(tuán)簇的形成有關(guān)[72,84-86]。藥物結(jié)晶中前驅(qū)體的存在會(huì)影響最終產(chǎn)物的晶型，無(wú)論前驅(qū)體為非晶態(tài)或晶態(tài)，或由短暫存在的亞穩(wěn)態(tài)組成，對(duì)其識(shí)別并進(jìn)一步表征將反映最終穩(wěn)定存在晶體的有效信息，對(duì)于多晶型體系來(lái)說(shuō)尤其重要。

Myerson課題組研究發(fā)現(xiàn)激光可以誘導(dǎo)甘氨酸過(guò)飽和溶液的成核，并達(dá)到較快的成核速率[87]，用同樣的方法，電子束與溶劑相互作用產(chǎn)生化學(xué)輻射可誘導(dǎo)氟芬那酸(FFA)的成核[88]。FFA的結(jié)晶溶液中存在3 nm和8 nm的粒子，其中不同數(shù)量的8 nm粒子會(huì)聚集到一起形成新的凝聚態(tài)團(tuán)簇，根據(jù)聚集程度的不同將這些凝聚態(tài)團(tuán)簇劃分為三個(gè)類(lèi)別，而之所以認(rèn)為這些小顆粒是非經(jīng)典成核中的PNCs，是因?yàn)樗麄儗?dǎo)致了新的亞穩(wěn)相的形成。如圖9所示，F(xiàn)FA非經(jīng)典結(jié)晶的中間過(guò)程可總結(jié)為以下兩點(diǎn):(1)PNCs聚集到一起，界面消失，結(jié)合成亞穩(wěn)的高密度液相凝聚態(tài)(dense liquid phase, DLP)，如圖10所示;(2)凝聚態(tài)的密度提高，趨向于晶態(tài)，并不斷吸收周?chē)苜|(zhì)，相對(duì)于亞穩(wěn)態(tài)前驅(qū)體密度提高，如圖11所示。其中PNCs是結(jié)構(gòu)有序的結(jié)晶態(tài)，因此在溶液中可以穩(wěn)定存在。

圖9 FFA非經(jīng)典結(jié)晶過(guò)程：聚集、凝結(jié)、致密中間體的成核、結(jié)晶[88]Fig.9 Nonclassical crystallization process of FFA: aggregation, coalescence, nucleus formation from the densifiedintermediate material and crystallization[88]

圖10 PNCs隨時(shí)間變化的聚集形態(tài)，伴隨著界面的消失，PNCs聚集形成一個(gè)連續(xù)的凝聚態(tài)需要180 s(標(biāo)尺：20 nm)[88]Fig.10 A time-lapse of each of the aggregates of PNCsundergoing coalescence. The process for the aggregated PNCs to coalesce and create a cohesive substance took 180 s, where separation between PNCs gradually reduced until there was no observable boundary between PNCs (Scale bars: 20 nm)[88]

圖11 FFA結(jié)晶前三種凝聚態(tài)團(tuán)簇的形貌變化過(guò)程：高密度核形成，然后消耗亞穩(wěn)連續(xù)相中的物質(zhì)，直到最終形成一個(gè)高密度的整體(標(biāo)尺：20 nm)[88]Fig.11 Morphological changes of the three aggregates illustrating the pre-crystallization process of FFA: an electron dense nucleus develops and then consumes the material in the metastable cohesive entity until a final electron dense entity was formed (Scale bars: 20 nm)[88]

C?lfen等[89]用電位滴定法監(jiān)測(cè)了布洛芬成核的早期階段，布洛芬成核前經(jīng)歷了液-液相分離過(guò)程，形成DLP，并以此作為成核的前驅(qū)體，如圖12所示。2D1H-1H NOESY NMR研究表明，DLP中和晶體中的分子間距離是類(lèi)似的，在DLP內(nèi)，與分子平移和旋轉(zhuǎn)相關(guān)的分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程減慢，布洛芬分子濃度更大，黏度高于周?chē)囊后w環(huán)境，這也解釋了DLP在成核前一段時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定存在的原因。Vekilov等[64]也提出黏度對(duì)DLP中間體內(nèi)有序核的形成起關(guān)鍵作用。

在過(guò)飽和的L-谷氨酸水溶液中，由于溶液與非晶態(tài)液滴之間的界面能較低，在能量上有利于形成非晶態(tài)中間體，如圖13所示，這種非晶態(tài)中間體是成核前團(tuán)簇聚集形成的，隨后，非晶態(tài)中間體進(jìn)一步合并，體系的總表面積減小，晶體的成核發(fā)生在非晶態(tài)中間體的內(nèi)部，形成了兩步成核過(guò)程[90]。非晶態(tài)中間體的存在不僅僅決定了初始成核過(guò)程，也對(duì)晶體形態(tài)、尺寸分布、平均尺寸和相變過(guò)程產(chǎn)生影響。C?lfen課題組[77]采用電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)、分析超速離心實(shí)驗(yàn)(AUC)和原位原子力顯微鏡(in situ AFM)等表征手段，研究了DL-谷氨酸一水合物表面及溶液中存在的前驅(qū)體團(tuán)簇，如圖14所示為團(tuán)簇存在時(shí)晶體的多步結(jié)晶路徑：溶液中成核前團(tuán)簇發(fā)生相分離，然后聚集形成更大的納米液滴，液滴吸附到晶體表面并擴(kuò)展使界面能降低，三維納米前驅(qū)體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎S晶核，在溶液中納米液滴的補(bǔ)給下，二維晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)新的分子層。由此可見(jiàn)，這種無(wú)序的納米前驅(qū)體不僅僅與晶體的成核過(guò)程有關(guān)，在生長(zhǎng)后期還起到了物質(zhì)儲(chǔ)存的作用。

圖12 布洛芬的水解平衡及成核和晶體生長(zhǎng)路徑[89]Fig.12 Protolysis equilibrium of ibuprofen with pathway of nucleation and crystal growth[89]

圖13 L-谷氨酸亞穩(wěn)區(qū)(MSZ)相分離初期非晶態(tài)中間體的TEM和SAED圖像，(a1～a4)、(b1～b4)和(c1～c4)分別對(duì)應(yīng)不同的亞穩(wěn)區(qū)間[90]Fig.13 TEM images and SAED pattern of amorphous intermediates in initial stages of phase separation of L-glutamic acid in the metastable zones (MSZ): (a1～a4),(b1～b4) and (c1～c4) correspond to different MSZ respectively[90]

圖14 DL-谷氨酸一水合物晶體的多步生長(zhǎng)路徑[77]Fig.14 Multistage growth pathway of DL-glutamic acid monohydrate crystal[77]

奧氮平(OZPN)是一種抗精神病藥物，屬于BCS Ⅱ類(lèi)藥[91]，目前所得到的該藥物所有晶型(OZPN I, OZPN Ⅱ, OZPN Ⅲ)和三種二水合物(OZPN DB，OZPN DD，OZPN DE)中分子均以二聚體形式排列。Florence課題組[92]研究表明，在93%的相對(duì)濕度下，OZPN晶型I的表面可得到OZPN DD，而在攪動(dòng)的水溶液中，晶型I表面首先產(chǎn)生OZPN DB，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的OZPN DD。OZPN I表面OZPN DD的產(chǎn)生可總結(jié)為以下幾步：如圖15所示，A密集的納米液滴在OZPN I (100)面的臺(tái)階處形成，B液滴進(jìn)一步聚集，C形成具有晶體特征的介觀尺度的液滴，D完全形成OZPN DD晶體排列在OZPN I (100)面上。OZPN晶型I在這里充當(dāng)了模板的作用。當(dāng)溶液處于攪動(dòng)條件下，液滴從晶體表面脫附，失去模板效應(yīng)，成核過(guò)程遵循路徑E～G，產(chǎn)生OZPN DB。這些密集的納米液滴不是一種穩(wěn)定相，它們沉積在晶體表面后通過(guò)與其他團(tuán)簇凝結(jié)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)，即使在不飽和的OZPN水溶液或水-乙醇溶液中也存在，它們本質(zhì)上是無(wú)序的，平均半徑為35 nm，在水溶液中，AFM下觀察到OZPN晶體(100)面上吸附著大小相近的團(tuán)簇，如圖16(a)所示。非晶態(tài)團(tuán)簇尺寸不隨OZPN濃度和溶劑組成而改變，根據(jù)模型假設(shè)OZPN分子形成二聚體并供給團(tuán)簇生長(zhǎng)，可以推斷：這種瞬態(tài)二聚體結(jié)構(gòu)與OZPN已知晶體結(jié)構(gòu)中的中心對(duì)稱二聚體相似，并且作為團(tuán)簇基本組成單元存在[93]。

圖15 OZPN DD在晶型I表面和OZPN DB在溶液中的成核過(guò)程[92]Fig.15 Nucleation process of OZPN DD on the surface of OZPN I crystal and OZPN DB in solution[92]

圖16 AFM下OZPN凝聚態(tài)團(tuán)簇(箭頭所示)在晶體表面的吸附 (a)在水中4 h后OZPN晶型Ⅰ(100)面的團(tuán)簇，作為無(wú)水OZPN晶型I轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔颫ZPN DD的動(dòng)力學(xué)中間體;(b)EtOH/H2O 1/1(v/v)飽和溶液中1 h后OZPN/EtOH/H2O表面的團(tuán)簇[93]Fig.16 Dense OZPN-rich clusters (indicated with arrows) on the surface of OZPN crystals imaged by AFM(a) clusters on (100) face of OZPN I after incubation in water for 4 h, these clusters are a kinetic intermediate in the transformation from anhydrous OZPN I to the hydrated form OZPN DD; (b) clusters on the surface of OZPN/EtOH/H2Oafter incubation for 1 h in saturated solution in EtOH/H2O 1/1 (v/v)[93]

晶體生長(zhǎng)中生長(zhǎng)單元到達(dá)臺(tái)階上的扭結(jié)點(diǎn)處具有兩種方式，生長(zhǎng)單元直接結(jié)合到扭結(jié)點(diǎn)處或生長(zhǎng)單元首先吸附到臺(tái)階面上，然后擴(kuò)散到扭結(jié)點(diǎn)，如圖17所示，經(jīng)典的晶體生長(zhǎng)理論認(rèn)為，晶體表面臺(tái)階的生長(zhǎng)是通過(guò)溶質(zhì)單體的結(jié)合實(shí)現(xiàn)的[94]，這種單分子反應(yīng)使得臺(tái)階生長(zhǎng)速率v與溶質(zhì)濃度C之間呈線性關(guān)系，即：

v=βΩ(C-Ce)

(11)

式中：Ce為溶解度，說(shuō)明分子吸附的可逆性；Ω為晶體內(nèi)的分子體積；β為有效動(dòng)力學(xué)系數(shù)，其中包含了與生長(zhǎng)機(jī)理有關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

Vekilov課題組[95]對(duì)公式(11)作了進(jìn)一步的推導(dǎo)，得出溶液中存在二聚體時(shí)臺(tái)階速率與溶質(zhì)濃度的關(guān)系，如表2所示，所對(duì)應(yīng)的曲線如圖18所示。奧氮平的2OZPN·EtOH·2H2O晶體臺(tái)階生長(zhǎng)速率v與溶質(zhì)濃度C之間的關(guān)系滿足上述第二種情況，生長(zhǎng)速率v與溶質(zhì)濃度C的二次方成正比，如圖19所示，拉曼測(cè)試與模擬進(jìn)一步表明：晶體生長(zhǎng)是以與溶質(zhì)單體共存的二聚體為生長(zhǎng)單元實(shí)現(xiàn)的。AFM下觀察到，具有較寬臺(tái)階面的臺(tái)階生長(zhǎng)速率較快，證明了表面擴(kuò)散機(jī)制的存在。

圖17 溶液中的生長(zhǎng)單元結(jié)合到扭結(jié)點(diǎn)處的兩種方式(i)直接結(jié)合; (ii)首先吸附到臺(tái)階面上，然后向臺(tái)階擴(kuò)散[95]Fig.17 Two pathways of a growth unit from solution to kinks: (i) direct incorporation and (ii) via adsorption on the terraces followed bydiffusion towards the steps[95]

圖18 不同情況下臺(tái)階速率與溶質(zhì)濃度的關(guān)系(分別對(duì)應(yīng)表2中的四種情況)[95]Fig.18 Correlations between step velocity and soluteconcentration under four cases (corresponding to four cases in table 2)[95]

表2 根據(jù)溶液中主要組分及生長(zhǎng)單元類(lèi)型劃分的四種情況下臺(tái)階速率v與溶質(zhì)濃度C之間的動(dòng)力學(xué)方程[95]Table 2 Kinetic laws that correlate step velocity v to the total solute concentration C for four cases classified according to the dominant solute species in solution and the form that incorporates into the steps[95]

圖19 2OZPN·EtOH·2H2O晶體生長(zhǎng)臺(tái)階生長(zhǎng)速率v與溶質(zhì)濃度C之間的關(guān)系[95] Fig.19 Correlations between step velocity v and solute concentration C of 2OZPN·EtOH·2H2O crystal[95]

4 結(jié)語(yǔ)與展望

由于藥物分子的性質(zhì)及生物利用度與其晶型息息相關(guān)，而最終產(chǎn)品的晶型由其成核和生長(zhǎng)路徑?jīng)Q定，因此，對(duì)于藥物分子，其成核和生長(zhǎng)路徑研究就變得非常重要，其結(jié)晶過(guò)程中是否經(jīng)過(guò)中間態(tài)？或者是否經(jīng)過(guò)瞬時(shí)的亞穩(wěn)晶型轉(zhuǎn)化而來(lái)？這些中間態(tài)與其最終晶型有怎樣的聯(lián)系？了解這些對(duì)于進(jìn)行晶型主動(dòng)調(diào)控，獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)勢(shì)晶型有著重要的意義。從溶液化學(xué)的角度，根據(jù)晶核或PNC中的分子堆積方式與體塊晶體結(jié)構(gòu)合成子是否存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以進(jìn)一步解釋經(jīng)典結(jié)晶與非經(jīng)典結(jié)晶路徑。一方面，當(dāng)晶核或PNC中的分子堆積方式與晶體結(jié)構(gòu)合成子之間存在直接對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，此時(shí)CNT是適用的；另一方面，當(dāng)二者不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，溶液中已經(jīng)形成的分子團(tuán)簇可能充當(dāng)了分子重排的位點(diǎn)，從而產(chǎn)生最終晶體結(jié)構(gòu)中的超分子合成子，這種兩步自組裝過(guò)程對(duì)應(yīng)了非經(jīng)典的結(jié)晶路徑。

對(duì)于一個(gè)給定的藥物分子，可以通過(guò)分析分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)判斷可能存在的分子自組裝模式，結(jié)合計(jì)算模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到分子的穩(wěn)定存在形式，即得到溶液化學(xué)的有效信息。即便如此，也很難預(yù)知分子在參與晶體生長(zhǎng)時(shí)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如分子重排等。非經(jīng)典結(jié)晶路徑涉及的中間態(tài)前驅(qū)體團(tuán)簇通常也是難以預(yù)知的，需借助先進(jìn)表征手段。因此，僅僅通過(guò)分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)難以預(yù)測(cè)藥物晶體的結(jié)晶路徑。盡管對(duì)非經(jīng)典結(jié)晶過(guò)程的表征困難重重，而且目前還缺乏可靠的理論體系來(lái)輔助解釋該結(jié)晶過(guò)程，對(duì)該路徑的研究仍是極其必要的。從分子水平研究溶液、熔體中成核和生長(zhǎng)過(guò)程，有賴于先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段的采用和理論的發(fā)展，藥物晶型控制是一個(gè)即具有基礎(chǔ)研究意義又具有巨大應(yīng)用前景的領(lǐng)域，值得更多的晶體生長(zhǎng)工作者關(guān)注！