生物和医药工业

该题目下的文章录自《近代X射线多晶体衍射—实验技术与数据分析》（马礼敦，化学工业出版社，2004）第11章。内容很多，这是第3部分。
　　　三、生物和医药工业
　　　希望健康长寿，始终是人类的追求。医药有助于人的健康长寿，近代医药已使人类的寿命延长了一倍，当然，不会就此满足。对致病原因，医疗诊断方法，医疗器械与药物的研究是当前的一个热门课题。
（一）半水合L-胱氨酸锌的结构测定
　　　生命必需元素与氨基酸的配合物为生命必需元素的载体，常参与一系列重要的生命过程，如作为酶中生物催化过程的活性中心，约有三分之一的酶中金属离子起重要的作用，因而此等配合物是生物分子生物功能的基础。康立涛等合成了人体必需，但不能够自身合成的8种氨基酸之一的L-胱氨酸（L-C₆H₁₂O₄N₂S₂）与对人体必需的14种微量元素之一的Zn的配合物L-胱氨酸锌，并用X射线粉末衍射对其进行结构表征，作了指标化，救是其晶胞参数、所属晶系可能的空间群。
　　　使用D/MAX-rB转靶衍射仪，以步长为0.02°，每步停留20s进行扫描。获得7°～70°（2θ）的高准确衍射谱。
　　　对图谱进行零点校正（-0.030°）S-G平滑，Rachinger双线人离，扣除Ka2形成的衍射，然后寻峰，得利用于分析的前30条衍射峰的峰位2θobs，结果列于表11-3。

使用了指标化程序DICVOL91，TREOR90和衍射仪带的CELL对衍射谱进行指数标定。由这三个程序得到的各晶胞参数，所属晶系及符合因子Mn和Fn，列于表11-4。
从表11-4可见，取25条衍射时DICVOL和CELL都险出不止一个晶系和可能的晶胞。但比较而言，正交晶系的符合指数较高，应更可靠此，如取30条衍射线，则DICVOL和TREOR都只检出一种可能晶胞和晶系。可以合理地判断化合物应属正交晶系。然后，用ERACER程序对晶系胞参数进行精修。所得结果为：零点漂移-0.030(0.002)°，正交晶系，α=2.01724(0.0036)nm，b=0.96073(0.00018)nm，c=0.50333(0.00008)nm，V=0.975459nm3。按此晶胞参数计算的2θcal及相应衍射指数均列入表11-3。从Δ2θ可以看出，与实验值相符得较好。依据消光规则，推得可能的空间群为P2122，不过，2θ为37.16°处的衍射峰为(621)衍射和(040)衍射的重叠，如取(040)指数，则可能空间群为P2₁2₁2。

（二）人骨中磷灰石晶粒尺寸的测定
　　　骨质疏松症是人老以后骨头退化造成的一种常见老年病，给老年人带来许多痛苦，有不少老人一跤摔下去后，就再也起不来了。许多人从各方面研究这一疾病，希望找到病因，并能国以预防或治疗。利用X射线衍射，研究骨头的结构，从结构的角度进行探讨，也是一种常用的方法。
　　　骨头主要由有机质（胶原Collagen）和无机矿物质（主要是磷灰石apatite）构成。人老以后，这两方面都有减少，造成骨质量和强度的下降。Psycharis等用X射线多晶体衍射并结合TEM和IR研究过有患骨质疏松症的骨中磷灰石的晶型，晶粒尺寸和晶粒形状。他们用了两组样品，A组取自12们患骨质疏松症妇女的骨片，B组取自9位未患骨质疏松症妇女的骨片。图11-18（a）中为A5样品的衍射图，经分析，符合于一种叫francolitea的磷灰石，其成分为Ca₅(PO₄)₄F，属P63/m空间群。图中也绘出了标准Francolite的衍射谱，可见骨中磷灰石晶粒细小，衍射线大大宽化了。图11-18（b）中为B2号样品的衍射图，使之与图11-18（a）比较，可以认为两者几乎一样，但B2的衍射峰似更宽此，从本底来看，非晶成分似也更多一些。

他们利用Rietveld方法对衍射谱拟合以求晶粒的尺寸。使用的程序是FULLPROF，峰形函数为PV，峰宽函数为
　　　　　　　　　　　　FWHM²_G=Utan²2θ+Vtan2θ+W            （11-2）
　　　　　　　　　　　　FWHM²_L=Xtan+[Y+F（SZ）/cosθ]       （11-3）
式中，下标G和L分别表示高斯组分和洛伦兹组分，Y为描述各向同性晶粒宽化的参数，而F（SZ）是描述各向异性晶粒宽化的参数。他们以不存在衍射峰宽化的francolite样品作为标样。作Rietveld精修时，被精修的仅是U、V、W、X4个参量挪来应用，且在精个过程中不变，被精修的仅是Y或F（SZ）两个参量。他们用了Frankolite中提供的各种模型似合，其中结果最好的是杆（针）壮模型。对于杆状晶粒的外形，可用平行和垂直于杆轴方向的尺寸D_//和D_┻表表达，
       D_//=180Kλ/πY，D_┻=180 Kλ/π（Y+SZ）  （11-4）
式中，K=1.0，X射线波长λ＝1.5418Å。对于杆状晶粒，F（SZ）=SZ•sinψ，Ψ为反射晶面的法线与杆轴方向间的夹角。在图11-18（b）中同时画出了似合谱，差谱及各种R因子，可见是拟合得相当好的。将从拟合得到的各试样的晶胞参数（a、c）和晶粒尺寸（D_// ，D_┻）按A、B组进行平均，所得结果列入表11-5。

从表中数据可得：元骨质疏松症骨片中的磷灰石晶粒比患骨质疏松症骨片中的磷灰石晶粒略小。结合化学分析，他们还得出Mg²⁺、CO₃^2-等离子的存在也与晶粒变小，结晶降低相联系，正常骨片中Ca、Mg、P的含量均较高。晶粒的长大，结晶度的下降，总骨量的减少，也许是造成骨质疏松症的部分原因。
（三）TiO₂/HA复合生物膜的制备
　　　金属钛及其合金是良好的生物医用金属材料，这是因为它有良好的生物相容性，生物环境下的抗蚀性及优异的力学性能。因而，常作为骨骼的代用品而植入人体。但是也有一些问题，如其弹性模量与人骨相差较大，故容易造成应力集中和骨吸收的不良后果；还有其成分与组织人骨相差太大，是生物惰性的。如能有一定的生物活性，能与有关组织形成化学结合，那当然更好了。为此，需对其表面进行改性。已经提出了许多表面改性的方法和配方，主要是在钛表面进行改层羟基磷石（HA）。但是Ti和HA的膨胀系数不匹配，在冷热变化中会产生应力，影响涂层的附着强度，因而又提出了一种在HA中添加金红石（TiO₂）的配方。他们的涂膜方法是射频磁控溅射法。掺TiO₂的靶材是将金属钛粉（20%）加入HA中，在球磨机中强力混合12h后再冷压成型，然后在115℃的电阻炉中烧结果3h得到。图11-19中为HA粉（a），烧结后HA（b）及TiO₂/HA靶（c）的XPD图。从图11-19（a）可知，合成产物确为羟基磷灰石，衍射峰较宽，说明粒子较细。在图11-19（b）中，除HA的衍射峰外，还有β-Ca₃（PO₄）₂。的衍射峰，说明HA在115℃烧结时有一部分分解成β-Ca₃（PO₄）₂。同时，衍射峰变得比较窄，说明烧结时晶粒长大了。而图11-19（c）中，除HA、β-Ca₃（PO₄）₂的衍射峰外，还出现了金红石（TiO₂）的衍射峰。谫明烧结中Ti氧化成TiO₂，得到了需要的增强剂。图11-20为溅射涂膜以后的XPD图。图11-20（a）为溅射1h试样的XPD图，除基体材料Ti的衍射峰外，出现了金红石（R）的衍射峰。在2θ近30°处有一个宽而矮的峰，经分析为非晶CaHPO₄•2H₂O的峰，无羟基磷灰石的衍射峰

说明TiO₂先被溅射。图11-20（b）是溅射线2h的XPD谱，R的峰更高，更尖锐了，说明膜中R的量更多了，同时出现了β-Ca₃(PO4)₂的衍射峰，从本底线及弥散峰可知，基中还有许多非晶成分。
　　　从DTA图知道晶化温度为670～680℃。将溅射膜在700℃作小蒸气处理，力11-21中为溅射薄膜水蒸气处理0.5h后的XPD图，与图11-20相比，可见非晶成分大大减少，而且出现了羟基磷灰石的衍射峰，有了从非晶态到晶态的相变。
（四）药物中的多相态现象
　　　药物中普遍存在多相态现象，即同一化学组成的药物可以有不同的聚集态（如晶态、无定形态、悬浮液等）及不同的晶型（如同分异构、几何异构等）存在的现象，在药学界常将其称为多晶型，而且将不同的溶剂合物也包括在内。如巴比妥药物及甾体类药物70%、磺胺类药物40%都有多相态现象。磺胺-5-甲氧嘧啶就有6种相态，其中一种为无定形态，两种为水合物，另三种为晶型不同的晶态。药物在不同的情况不结晶，所包含的溶剂分子数可以不同，如头孢菌素Ⅲ及Ⅳ就8～10种溶剂合物，雌二醇可与30多种溶剂生成溶剂全物。
　　　不同相态药物的药效有时虽相近，更多的时候是不同的，甚至有很大的区别。氯霉素有A、B两种晶型，A型是无效的，B型是有效的。很不幸，在认识此点之前生产的氯霉素，片剂及胶囊均匀无效A型，只有混悬剂在制剂过程中自动转化为B型，才是有效的。又如销炎痛有α、β、γ三种晶型，其中α型有较大毒性，不能作药用，γ型才有药效。再如柳安苄心定的左旋S（-）和R（+）两种异构体有着完全不同的药性，S（-）是支气管扩张药，而R（+）是抗血小板凝聚药。
　　　药物的药效不仅与其药性有关，还与许多物理性质（溶解度、溶解速度、分散度、压片性能等）密切相关，只有在具备有效的药性和合适的物理性能时才能有关，只有在具备有效的药性和合适的物性理性能时才能有良好的药效。
一些药典已将X射衍射分析规定为药物相态的标准分析方法，并规定某些药物必须规定某些药物必须由X射衍射确认其物相，如卡马西平必须由X射线衍射确认为β型。一些出口药物也必须附有X射线衍射谱。在第一章中曾介绍，陈亮维测定了我国药典中各种晶体药物的X射线多晶体衍射谱，并汇编出版。X射线多晶体衍射还可以对药物原料及制剂中的不同相态、成分进行定量分析。Bergese等为含大量无定形物质的药物作物相定量分析提出一种新的衍射-吸收法。生产工艺的少许变化有可能改变产物的相态，吴聆等曾用X射线粉末衍射研究了甲苯咪唑咀嚼片的生产条件对其晶型变化的影响，见图11-22。从此决定了生产有效晶型应采用的生产温度。此外，压力和温度等也均是影响药物相态的重要因素。

中医药是我国的瑰宝，数千年来造福于亿万人民，今日更是发扬光大，影响到世界。中药的质量过去主要凭经验判断，现在使其现代化。唐长馥、张汉明等已利用X射线衍射对数百种中药材进行了表征，其中18种名贵中药材的衍射谱已汇编成册出版。近年，郑启泰、吕扬等也在这方面做了许多工作。归结起来，X射线多晶体衍射可在下列几方面为中药现代化进行工作。

对中药材进行表征与真伪鉴别
　　　中药与西药不同，不是单一的化学物质，而是天然的动物、植物或矿物。对中药的识别从来是靠形象描述。由于形态的复杂性，在许多情况下容易搞错，一名多物及一物多名现象并不少见。而X射线粉末衍射谱是单一物相衍射谱的叠合，仍具有指纹性，因而可作为一种表征中药材的现代测试手段。图11-23（a）（b）分别是人参与冬虫夏草真伪品衍射普的比较。

2．成分分析
　　　中药总是一种复合药，利用X射线粉末衍射可以分析出它所含的各种物相及相对含量。可以分析不同产地、不同采摘期、不同部位药材组成的变化。
3．追随中药材的炮制过程，看出炮制过程中的物相变化情况，对炮制工艺的合理性做出判断
　　　唐长馥等研究了白参的炮制过程。发现炮制后产品的衍射谱（图11-24）与图11-23（a）截然不同，失去了原有的牲峰群，出现了许多明锐的衍射峰，经分析乃是蔗糖，说明这一过程损坏了参体内的原有成分，不宜采用。

检查中药材贮存过程上的相变化