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皮肤外用乳膏软膏流变学表征

更新更新时间:2023-04-17      点击次数:5024

前言

软膏剂(Ointments)是系指药物与适宜基质均匀混合制成,具有一定稠度的半固体外用制剂。软膏具有一定粘稠度,而且可以根据药物与基质的混合程度不同分为溶液型和混悬型软膏。药物在基质中的分散状态存在差异,溶液型软膏的药物颗粒非常小,可共熔或溶解于基质中;而混悬型的软膏,其药物颗粒大小高于溶液型,通常为细粉状,可以均匀分散混合在基质中。

乳膏制剂就是将药物混合分散在乳状液型的基质中,最后形成了均匀混合而成的半固体制剂。乳膏剂可以根据所使用的乳化剂的不同,分类为油包水型乳膏与水包油型乳膏两种。常用的油包水型乳膏有羊毛脂和脂肪醇,水包油型乳膏有钠皂和脂肪醇硫酸钠类等。

这类药物的配方属于水油乳化、固液分散的多相体系,美国药典归类乳膏软膏为复杂制剂。简单来看,软膏黏稠一些,乳膏黏度小一些。从药物配方来看,配方本身的稳定性存在很大差异,这就为流变学的表征带来了挑战。无论是根据中国FDA发布的《皮肤外用化学仿制药研究技术指导原则(试行)》(2021年第23号)的要求,还是美国/欧盟药典的合规性描述,对于皮肤外用制剂的流变学表征都提出了非常具体的要求。在本篇文章里,我们重点讨论这个问题并试图为之找到答案。

1、乳膏软膏的流变学表征对于制剂的开发有哪些帮助?

2、 乳膏软膏的流变学表征的一般评价手段?

流变学作为一种物性分析的手段,可以从力的微观角度,表征药物制剂的原料质量、配方稳定性、制剂涂抹特性以及质量的一致性评价,对药物制剂的设计,处方组成,制备工艺等具有重要意义。

1.1   原辅料的黏度测量和流变学特征

比如软膏制剂中经常用到的油脂性基质的有凡士林、石蜡、液状石蜡、硅油、蜂蜡、硬脂酸、羊毛脂等;水溶性基质主要有聚乙二醇。这些基质的黏度作为一个重要的质量控制参量来评估原材料的一致性,控制批间差;同时,部分原材料的流变学特性的研究,也有助于为工艺处方的设计提供重要参考。

白蜂蜡作为常用的软膏剂基质,其流变学特性与软膏剂涂展性和附着性密切相关。杨锐等(药用辅料白蜂蜡流变学构效关系研究研究结果,药物分析杂志[J],1775-1781,2021(41),10)研究显示中蜂蜡与西蜂蜡、以及不同厂家西蜂蜡之间上述流变学特性方面的差异,因此白蜂蜡在作为软膏剂基质的选择时应关注不同来源同种白蜂蜡对制剂质量方面的潜在影响。

比如石蜡,在质量标准中要求运动黏度(通则0633第一法),在40°C(毛细管内径为1. 0mm±0. 05mm)不得小于12mm2/s

1.2   制剂配方设计的流变学要求

乳膏软膏的配方设计,需要格外关注配方的稳定性,涂抹特性,温度耐受程度等几个因素。王灵敏(芙蓉方乳膏剂处方优化及流变学研究,环球中医药[J]. 2022,15(07))等 将芙蓉膏改为乳剂型软膏,选出处方,确定了芙蓉膏基质处方,引入流变学评价,建立了流变参数物理指纹图谱,为中药乳膏剂的处方优化及质量评价提供了新的研究思路和方法。

如果是分散体,还要考虑分散特性。比如,药典四部通则0109中的描述如下:

『五、软膏剂、乳膏剂基质应均匀、细腻,涂于皮肤或黏膜上应无刺激性。软膏剂中不溶性原料药物,应预先用适宜的方法制成细粉,确保粒度符合规定。』

均匀、细腻,这是对基质黏度的要求,具有一定合适的黏度;细粉力度符合规定,这是要求粉末在基质中具有良好的分散性;涂于皮肤或黏膜上应无刺激性,要求制剂具有良好的涂抹性。

以上,这些对于软膏乳膏的流变学特性提出了更多的要求。特别是制剂的稳定性分析,通过流变学可以容易实现差异分析,找到不同配方之间的差别,进一步评估配方的稳定性,为处方的设计和优化提供非常重要的参考。一般来说,建议考察制剂的屈服应力、零剪切黏度和平台弹性模量的大小以及与储能模量的比较关系。再来看药典四部通则0109中的描述:

『六、软膏剂、乳膏剂应具有适当的黏稠度,应易涂布于皮肤或黏膜上,不融化,黏稠度随季节变化应很小。』

这其实也是对制剂稳定性的要求,特别强调了“不融化,黏稠随季节变化小"的特点。这就要求开发的制剂对温度具有很宽的冗余度。温度高了不融化,不流动,不变稀;温度低了变稠,变硬。需要一个良好的温度稳定性。这一特征可以通过测试黏度-温度曲线或者动态测试温度扫描模式来测试表征乳膏软膏的温度稳定性。

另外,乳膏软膏具有易于涂抹的特性。从流变学角度来看,要求设计的配方具有剪切变稀的特点,方便在皮肤上进行涂抹;同时,配方也要具备良好的触变性,在患者进行涂抹的时候才有更好的使用体验,另外良好的触变性对于有效剂量给药也能起到促进作用。因此,良好的涂抹特性或者容器内挤出的便利性,可以从制剂的屈服应力、流动曲线和触变性测试来进行表征优化。

具体到一些固体颗粒分散的软膏乳膏来说,恰当的粒径和基质的最佳混合工艺,才可以实现良好的分散效果。获得良好的分散,对于制剂的稳定性以及有效给药都会起到正向作用。因此,如何评估粉末类的样品在基质中分散,这又是一个流变学需要面对的问题这一现象通过粘性黏弹区的宽窄可以实现分析评估。LVR区域越宽,表明固体颗粒分散越好。

1.3   软膏剂制备工艺的流变学特征

评价一个制剂的制备工艺是否合适,是否都照顾到了该制剂应用、稳定性、依从性等方方面面,应该是多维度的。除了常规的理化特性,流变特性对于制剂API的均匀性、稠度、涂展性、附着性等有着极为重要的作用。

在分散体乳膏软膏的制备过程中,涉及到制备工艺的优化、制备机械的选择。这些均可以通过流变参数的分析来反馈指导制备工艺和机械设备的选择。具有良好分散性,或者具有更小固体颗粒的混悬乳膏,肯定在黏度,内聚强度和LVR宽度上有所区别。当然,除了流变,还可以测试颗粒粒径,电荷以及稳定指数。

为了研制更适合涂抹的软膏,需要表征制剂的流动性能。制剂有屈服应力,才不至于盖子一打开,药物就流出来或者忘记拧上盖子了,药物溢出的到处都是;或者挤到皮肤表面,呈喷射状。因此,制剂需要一定的屈服应力,这样才可以在皮肤表面形成一定膜厚的涂层,有利于药物的吸收利用。但同时,屈服应力不能太大,否则不容易挤出,也不利于在皮肤铺展。所以,在考察制剂的制备工艺的时候,应该多角度去分析制剂的流变特性,形成一套适合于一类配方的评价体系,对制备工艺的参数优化很有帮助。

1.4   一致性评价的重要依据

半固体制剂的流变学性质是产品关键物料属性和关键工艺参数的综合结果,反映了制剂的微观结构,对药物从制剂中的释放、皮肤渗透以及皮肤滞留有重要影响,还影响制剂稳定性和患者顺应性。因此在半固体制剂的仿制药开发中,流变学在保证产品质量和保持与原研制剂的一致性方面起着关键作用。

FDAEMA以及CDE对局部外用半固体制剂仿制药流变学研究内容的阐述

监管机构

研究内容阐述

FDA

①对于剪切应力相对于剪切速率和黏度相对于剪切速率的表征,至少应该包括3种剪切速率(低、中、高)下的黏度数据,并包括可及剪切速率范围内的完整流动曲线,直到识别出低或高剪切平台(如有可能)

②如果被测材料表现出塑性流动行为,应报告屈服应力值

③应测量和报告线性黏弹性响应(储能模量和损耗模量相对于频率的表征)

EMA

①剪切应力(或黏度)相对于剪切速率的完整流动曲线,包括剪切速率增加和减少范围内的多个数据点,以便清楚地识别曲线上升或下降段的任何线性部分;所得到的曲线应通过(修正的)幂律方程来表征,以便产生数值数据

②屈服应力和蠕变

③线性黏弹性响应(储能模量和损耗模量相对于频率的表征)

④应提供流变图谱,按剪切和时间效应对产品流变行为进行归类(如假塑性、膨胀性或触变性流体),并用合适的指标进行表征,例如:黏度曲线上特定剪切速率下的黏度(100 s-1对应的黏度);塑性流动的屈服应力值;触变相对面积;储能模量和损耗模量;表观黏度:损耗因子()

⑤应测定至少3批受试和原研制剂的上述参数,每批至少重复12次;一致性标准为:受试和参比制剂均值之差的90%置信限应不超过参比制剂均值可接受限度的士10%,假定数据呈正态分布

CDE

①剪切应力相对于剪切速率的完整流动曲线

②屈服应力和蠕变试验

③线性黏弹性响应

从法规的角度看,关于制剂一致性评价,流变学的重要性不言而喻,是一种必要的手段。各种法规对测试的指标也有了明确的要求,区别在于检测的指标上有部分差异。

但目前所面临的难题是,我们开发的方法,如何去评价这些方法的合理性呢?比如,在面对凡士林含量很高的软膏进行测试的时候,如何定义高中低剪切速率呢?不同的体系,到底选择哪一种方法来评价屈服应力更合适呢? 尽管存在一些关于流变学的适用性和整体重要性的文献报告,但对于这种技术的正式验证程序缺乏理解和标准化。迄今为止,文献中既没有定义半固体流变曲线的参数,也没有定义其接受限,且流变学参数有多种定义和表征方式。下来,是我们讨论的重点。


声明:以下观点仅代表个人对于流变学的理解和测试过程中形成的实践经验的总结,作为一种探讨供大家参考。

2.1 线性黏弹区-LVR-振幅扫描


具有粘弹性的流体,在小形变或者低应力条件下,流体的模量不依赖于形变或者应力的增加而改变,或者应力随着形变的变化呈现线性,根据公式:


图片

也就是模量是一个常数。这个区域定义为该材料的线性黏弹区,也就是竖线的左侧区域。

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在这一区域内,制剂有如下特性:

1、 制剂表现为类固体特性。

2、 线性黏弹区的测试是无损检测,不破坏样品的微结构特征;

线性黏弹区LVR测试的意义:

3、 这一区间进行的测试是小形变测试,可以做到有效表征;

4、 LVR测试可以表征屈服应力,内聚强度以及从类固体到流体的流动过程;

5、 LVR区间的宽窄可以表达分散性能;

6、 得到线性黏弹区间或者等效最大应力,为下一步的粘弹性测试提供参考;

LVR可以得到的参数如下:

参数符号

参数解释性描述

参数意义

G'LVR

平台弹性模量

表征弹性模量

τ (LVR

线性黏弹区对应的应力

可以定义为制剂的屈服应力,线性黏弹区的最大应力极限

τ (G'= G"

相变交叉点对应的应力

可以定义为屈服应力,表示制剂开始流动

ɣ max

线性黏弹区对应的应变

线性黏弹区的最大形变,为下一步的测试提供参考


损耗子正切值

表达黏弹比,可以表征内聚强度

2.2 线性粘弹性响应-频率扫描

频率扫描对于一致性评价的重要性应该得到重新认识并且深化加强对这一手段的理解和评估。从高频到低频测试的过程,是从快到慢的过程,是时间短到时间长的过程,是从低温到高温的过程。这一过程可以等效制剂很多重要的产品性能和不同的应用场景,又是在LVR区间完成的测试,可以理解为制剂在近似静态的条件下,物性信息的quan方位,全信息的表达,一般视为制剂的“流变指纹信息"。具体展开来看:

1、高频100rad/s或者以上的G'弹性模量可以表征软膏的涂抹触感。G'这个数值应当在一个合理的区间,这可以借助其他仪器的分析数据,帮助来描述定义这个合适的区间。G'太小,制剂太稀,在皮肤表面的滞留性变差,进而影响有效部位的药物渗透和治疗;G'太大,制剂太硬,患者依从性变差,涂抹困难,特别是低温环境中用药,制剂基质太硬,非常不利于用药。个人建议,从涂抹角度出发,构建一个关于温度、频率、模量的数学模型,建立一个被验证和设计的软膏或者乳膏在高频条件下的模量窗口,会是一件非常有意义的事情,感兴趣的读者可以进行探讨研究。

2、低频0.1rad/S或者0.01HZ,此时的G'G"的相互关系可以表征制剂体系的稳定性。在低频条件下(  1rad/s),G’应表现出较小的斜率甚至平行于x轴,此时体系具有较好的运输储存稳定性,同时还需要G’>G’’。优于低频和高温是等效的,低频下的数据可以预测制剂在高温条件下的稳定性和涂抹特性。比如夏天使用的治疗蚊虫叮咬的乳膏软膏,就需要考虑夏天的环境温度对涂抹的影响。下图软膏的测试数据很好体现了这部分的经验规律。

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下图的乳膏就表现出了在低频条件下ω = 1.174 rad/s的稳定性不够,意味着随着时间的增加,这个产品会出现分层,或者沉淀等不期望的现象出现。这是一个不合格的制剂配方。

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3、频率扫描是一致性评价的首要测试。如果频率扫描的模量,,复数黏度都在合理的置信区间内,基本可以判断这是一个一致性大概率会满足评价要求的制剂配方。如果频率扫描结果差异就很大,再去研究其他的流变学指标意义不大。个人建议,乳膏软膏制剂的一致性评价,先测试线性粘弹性响应。设置参数:频率变化范围:100~0.1rad/s10-0.1Hz,根据LVR测试结果选择一个合理的应力或者应变。

2.3 蠕变恢复测试

蠕变恢复可以更加丰富的表征制剂的粘弹性信息,更加接近真实的反应制剂配方差异、工艺差异、甚至原辅料的差异。这张图例清晰地描述了蠕变-恢复的每个阶段:结构破坏、结构重整和稳态结构以及应力撤去后的恢复。与频率扫描结合起来,wan全可以对制剂的一致性评价作出科学的判断。测试蠕变需要特别注意施加应力的大小。

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1、 施加的力在线性黏弹区内

通过LVR测试,获取了制剂的屈服应力。蠕变是长时间尺度,即对应于低频条件下的测试因此设定的应力必须在被测样品的线性粘弹区内.一般情况都是用很小的应力模拟重力的作用确定适当应力的方法是设定不同的应力进行多次测量在线性粘弹区内,施加不同应力测量的应变或柔量结果基本相同。

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也就是在LVR区间内,做几次筛选测试,找到合理的应力范围。与此同时,要特别留意设备的测试下限的极限。

2、 蠕变时间要达到稳态:测试的时间要足够长。因为蠕变是一个长时间尺度的测试,时间足够材料才有时间进行弹性结构的重整并进入到稳态状态。个人推荐蠕变至少300S甚至时间更长。蠕变恢复可以得到的参数如下:

符号

名称

解释描述

意义

γ-max

最大应变

在特定应力和时间内材料发生的最大应变值,一般是蠕变峰值

表达了形变的难易,γ-max越大,越容易形变,制剂越柔,越容易流动

γ-e

弹性形变

蠕变切线与Y轴的交点,γ=f(t)曲线

材料固有的弹性信息

γ-r

可恢复形变

形变中可恢复的部分

γ-max =γ-r  +   γ-nr

黏弹比 =γ-nr /γ-r  %

γ-nr

不可恢复形变

形变中不可恢复的部分

η

零切粘度

剪切速率为零时的粘度

描述制剂稳定性

J-e

稳态平衡柔量

弹性形变与应力之比

柔量越大,越容易变形和流动

λ

特征松弛时间

零切粘度与平衡柔量的乘积,公式λ=η 0 *Je

松弛时间越短,材料的应力效应越弱,应力消除越快

2.4 触变性

触变性测试可以对制剂的涂抹性进行相对比较。一个合理的配方,肯定需要在涂抹性上有良好的用药体验。触变性有两种表达方式:

(1) 时间曲线

在恒定的剪切速率下观察样品内部结构的破坏以动态振荡测试或旋转方式在等待不同时间之后观察和确定该样品结构的重建即三段测量模式(动态振荡 + 稳态剪切 + 动态振荡).

(2) 流动曲线

在恒定温度下逐渐升高剪切速率到某一设定点然后再降低剪切速率到原点通过流动曲线的滞后环面积测量样品的触变性即触变环或者滞后环模式.到底采取哪一种方式来测试软膏乳膏的触变性呢?我个人建议,要根据不同的制剂类型来选择。如果是乳膏类的制剂,样品本身比较稀,可以耐受平板转子的高剪切,采用滞后环的方式也可以;设备的灵敏度足够,采用三段式也可以。如果是软膏样品,特别是黏度大,凡士林含量高的样品,不适合用滞后环的方式,建议采用三段式的方式测试。为了便于测试分析的相对比较,个人建议都采用三段式最好,原因如下:

1、 三段式测试采用震荡模式,数据的重复性比旋转方式的滞后环要好。本身触变性不是一个容易获取稳定测试数据的测试,样品本身受上样方式,刮的手法,样品的剪切或者热史,测试夹具的下压速度等因素影响很大;旋转方式又受限于制剂本身结构的特点,不耐受高速剪切。三段式荡模式本身第一段和第三段都采用LVR区间内的动态测试,数据的重复性,数据质量都有优于滞后环的旋转模式。

2、 滞后环测试的时候,针对稀溶液最合适;选择圆筒转子,可以做高速剪切破坏。但是由于圆通转子尺寸比较大,在插入测试样品的瞬间,对样品本身结构影响大,直接影响测试的重复性。下图是一个软膏类样品做的重复测试。一个60S后的回复百分比是66.86%,一个是75%,多做几次的话,肯定落在15%的置信区间内。

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  1. 2.5  屈服应力测试

屈服应力对整个流变学的测试、数据解析,流变现象理解异常关键,是材料的特征属性,只要配方定了,屈服应力也就确定了。屈服应力又是一个抽象的、理论上的概念。事实上,流动是一个过程,而不是某一个拐点。所以,这就导致了屈服应力的表达有很多种方法,每一个方法得到的结果各不相同。因为,只要这些数值落在一个区间内,都是合理的。常用的屈服应力测试方法如下:

测试方法

描述

建议适用范围

曲线形态

应力增长-控制形变模式(CD)

  • 0 : 设定恒定的剪切速率,测得最大剪切应力t 对应于时间t (线性坐标)

固形物含量高、颗粒大小不均匀的样品,例如水泥,砂浆,花生酱,果酱,金属粉末,污泥、锡膏等

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控制速率  (CR)扫描模式

  • 0 : 设定连续增大的剪切速率,外推流动曲线到剪切速率为零时的应力(线性坐标)

符合某种流动类型的流体,比如宾汉,卡松流体模型,巧克力,聚氨酯胶,牙膏等

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控制应力(CS)扫描模式

连续增大的剪切应力施加到被测样品上观察产生的形变曲线斜率变化 两个切线的交点对应的应力(双对数坐标形变ɣ - 应力t)

均匀样品,流动性好的样品。比如酸奶,化妆品乳液,混悬液,口服液,鼻喷剂等

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振荡(OSC)振幅扫描模式

以某一频率的正弦波施加到被测样品上应力幅度逐渐增加,曲线斜率变化两个切线的 交点对应的应力(双对数坐标形变ɣ - 应力t)

适合于绝大多数样品。高固形物含量,没有内聚强度的样品不适合;或者容易分层沉降的样品不适合

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因此,乳膏软膏的屈服应力测试,个人建议采用振幅扫描的方式获取。这样得到的数据稳定性,可信度都比较高,而且可以清晰的表达从开始流动到wan全流动的全过程。屈服应力参数对于表征制剂的挤出、涂抹特性,稳定性也就具备了坚实的统计学意义。如下图,得到的屈服应力在51~386Pa之间都合理,从重复稳定的角度,我推荐LVR处对应的应力作为屈服应力更合适。还可以报告LVR区间内的损耗因子的正切值,作为材料粘弹性的表征数据。

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  1. 2.6 流动曲线

一致性评价的原则上明确要求表达低剪切速率和高剪切速率条件下的完整流动曲线,EMA还要求如有可能,报告符合流动方程的特征数值。问题的关键是,对于给定的样品,剪切速率的合理范围应该是多少呢?这个要看具体的样品,设备的测试下限,还有与转子的匹配程度。

乳膏软膏通常都具有屈服应力,为了完整的表达低剪切速率条件下的应力和黏度变化,建议采用Log的取数方式.低剪切从0.01S-1开始即可;还有部分软膏,比如特别黏稠或者比较硬的样品,剪切速率不能高,很容易被离心出去,因此,高剪切速率做到10S-1甚至1-S就到了极限。低剪切(不大于0.1 s-1)关系样品的微结构:凝胶的结构强度、膏剂的稳定性;高剪切(不低于100 s-1)关系样品实际使用情况:是否更易涂均匀。流动曲线最终要建立一个标准样品的置信区间,自研的样品落在置信区间内就可以了。比如下图,建立一个15%的置信区间的评价办法。xin

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每个流变仪都有自己标称的扭矩范围,比如哈克MARSIQ AIR的范围是1uNm~150mNm.这个范围是评价测试条件是否合理的根本依据。作为流变仪最重要的三个参数:应力,应变和剪切速率,基本计算公式如下:

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无论是黏度测试还是模量测试,M扭矩值必须在合理的范围内。这就要求测量马达的限制,转子与测试样品之间必须匹配。也就是说,在选择剪切速率,形变控制或者应力控制的时候,扭矩需要大于最小扭矩,并且建议如果条件允许,最好可以大于zui低扭矩的10倍。对于哈克流变仪MARSIQ AIR或者VISCOTESTER IQ 系列设备来说,屏幕上有一个颜色显示条,红色代表低于扭矩下限,黄色代表10倍扭矩之内,绿色代表扭矩输出在合理范围内,数据有效。所以,在做条件设定优化的时候,务必评估在该条件下的扭矩值,是否大于zui低扭矩,最好在10倍zui低扭矩以上。

3.2 法向应力FN

乳膏和软膏无论是进行哪一个类型的测试,务必留意测试转子下压到设定间隙时候样品反馈给法向力传感器的FN数据。通常条件下,在开始测试采集数据之前,法向力需要维持在一个较小的水平上,建议1~2N比较合适。如果法向力过大,可以采取如下措施:

1、 给一个非常小的预剪切,让样品在结构上尽快松弛下来;

2、 更换一个更小尺寸的转子;

3、 控制转子下压的速度,尽可能慢的达到设定间隙;

4、 适当提高间隙距离(如果测试剪切速率允许的话);

在做流动曲线测试过程中,如果测试过程中出现法向力是负值的情况,表明样品处于即将离心出去的临界状态,表示剪切速率已经到达最大限值了。如下图所示,在剪切过程中,法向应力应该是逐步下降的过程。

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3.3 尽量采用控制应力模式 

市面上绝大多数的流变仪都是应力控制的仪器,采用CS应力控制模式,数据的稳定性更好。在做振荡测试的时候,应力控制和形变控制是等效的。

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3.4 测试数据的置信区间设置

推荐参考文献(Rheology by Design: A Regulatory Tutorial for Analytical Method Validation,Ana Simões et.al, Pharmaceutics 2020, 12, 820)的数据,15%比较合适。当然也会遇到参比本身的差异也很大,设置为20%也合理。实际上这个在法规上没有明确的定义。

3.5 流变仪配置推荐

文章到了最后,终不能免俗。写出来一个软膏乳膏推荐的配置,供各位参考。

流变仪设备主机:空气轴承,扭矩下限1uNm甚至更低,具备控制应力、控制形变、控制速率模式

具有法向力传感器:0.01~50N甚至下限数据更低

频率范围:0.001~50HZ甚至下限数据更低

测试夹具:P20平板1套,磨砂P20平板一套(可选项),C35/2C锥板一套,P60平板一套(可选项)

温控单元:半导体或者液体都可以


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