Въведение
Стабилността на API (активни фармацевтични съставки) и помощни вещества е пряко свързана с условията на съхранение: Съхраняването им при неподходяща температура (прекалено топло или прекалено студено) може да повлияе на тяхната ефикасност, безопасност и срок на годност. Тестовете за стабилност при съхранение на фармацевтични продукти, описани в ръководствата на СЗО (Световната здравна организация) и ICH (Международния съвет за хармонизация на техническите изисквания за хуманна употреба), изискват минимум 6 месеца за провеждане. [1, 2]
Първоначалната информация за стабилността на веществото при определени температурни условия може да се получи през първите няколко часа. За тази цел се оценява кинетиката на процеса на разграждане на веществото (термично разграждане, десолвация, дехидратация) и се използва за определяне на поведението му по време на продължителни изотерми. Това позволява бързото извършване на първоначалното сортиране на API/excipients.
По-долу е установена кинетиката на реакцията на дехидратация за калциев хидрогенфосфат дихидрат, CaHPO4-2H2O(наричан също DCP). За тази цел се използват термогравиметрични измервания, извършени при различни скорости на нагряване, за да се оцени кинетиката на реакцията с помощта на софтуера NETZSCH Kinetics Neo.
Условия за измерване
DCP е пълнител, който обикновено се използва за таблетиране. Веществото, използвано за измерванията, беше любезно предоставено от JRS Pharma (търговско наименование: Emcompress®). Експерименталните условия са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Условия за изпитване
Устройство | TG 209 F1 Nevio , свързан с FT-IR спектрометър от Bruker Optics (PERSEUS® свързване) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| Проба | DCP Emcompress® (JRS Pharma) | |
| Маса на пробата | 3.71 mg | 3.71 mg до 4,30 mg |
| Тигел | Затворен Concavus® (Al) с пробит капак | |
| Температурна програма | 30°C до 300°C | |
| Скорост на нагряване | 10 K/min | 1 K/min до 20 K/min |
Резултати от измерването
TGA-FT-IR измерване на DCP
На фигура 1 са показани кривата на масовите загуби (зелено) и графиката на Грам Шмид (черно), получени в резултат на TGA-FTIR измерването на DCP. Кривата на Грам Шмидт показва температурните диапазони, в които са открити отделените газове. Виждат се три стъпки на загуба на маса между стайна температура и 300 °C, които съответстват на три максимума в графиката на Грам-Шмидт. Измерената остатъчна маса от 79 % съответства на теоретичната остатъчна маса след загубата на 2H2Oот DCP.
Анализират се FT-IR спектрите на продуктите, освободени по време на нагряването, за да се провери дали в този температурен диапазон се освобождава само вода или и други компоненти. На фигура 2 са показани FT-IR спектрите на веществата, освободени по време на измерването, в триизмерен вид. Извличането на спектрите при различни температури показва, че откритите стъпки на загуба на маса се дължат само на отделянето на вода (вж. фигури 3A, 3B и 3C, FT-IR спектри на веществата, отделени при 110°C, 159°C и 205°C, както и 3D, спектър за сравнение на водата от библиотеката на EPA-NIST).
От литературата [4] е известно, че повърхностната и структурната вода започват да напускат кристалната структура около 80°C, като в този момент започва да се образува аморфна фаза. Количеството на веществото в аморфната фаза се увеличава по време на разлагането до 200-220°C и варира в зависимост от скоростта на нагряване.
Кинетичен анализ на процеса на дехидратация
На фигура 4 са представени кривите на TGA измерванията за DCP при 6 различни скорости на нагряване между 1 и 20 K/min. Както се очаква за този кинетичен процес, стъпките на загуба на маса се изместват към по-високи температури с увеличаване на скоростта на нагряване.
Тази зависимост на стъпките на загуба на маса от скоростта на нагряване позволява използването на TGA-кривите за кинетичен анализ на дехидратацията. За тази цел е използван софтуерът Kinetics Neo (на NETZSCH-Gerätebau GmbH). Той може да задава на всяка отделна стъпка различни типове реакции със собствени кинетични параметри, като например енергия на активиране, ред на реакцията и преекспоненциален фактор. Въз основа на получените резултати Kinetics Neo може да симулира реакцията(ите) за зададени от потребителя температурни програми, напр. дълготрайни изотерми при определена температура.
Следните наблюдения помагат да се определи броят и видът на етапите на кинетиката.
- Наличието на три етапа на загуба на маса предполага, че процесът протича в продължение на поне три стъпки.
- Фактът, че кривите при ниска скорост на нагряване се пресичат с кривите при висока скорост на нагряване (вж. температурния интервал 150°C-190°C), е индикация, че дадена стъпка от реакцията трябва да се опише чрез модел на конкурентна или паралелна реакция.
- След третата стъпка на загуба на маса, масата продължава да намалява; това може да се опише с допълнителна стъпка в модела на кинетиката.
В крайна сметка бе установено, че следният модел описва най-добре процеса:
- Реакционната стъпка A → B описва първата стъпка на загуба на маса от кривата на TGA и идва от освобождаването на повърхностна вода.
Реакционните стъпки
B → C → D
C → E
могат да съответстват на стъпките, описани от Rabatin et al. [3]:
CaHPO4 - 2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) →H2O(g)
, което води до образуването на различни стехиометрични количества вода с CaHPO4 -H2O[продукт D] и CaHPO4 - yH2O[продукт E].
Освен това е започнало образуването на аморфна фаза, което зависи от скоростта на нагряване. Колкото по-ниска е скоростта на нагряване, толкова по-дълга е продължителността на аморфната фаза. Различната продължителност на аморфната фаза, произтичаща от различните скорости на нагряване, може да е причина за различните стойности на TGA след втората стъпка на разлагане при 180 °C и да е причина за паралелното разлагане. В кинетиката Neo продуктите D и E се описват с F (F = D + E). - Температурата на откриване на третата стъпка на загуба на маса е в съответствие с DTA-измерването, описано от Rabatin et al. [3], при което е открит пик при 195°C. Авторите свързват този пик със следния механизъм: CaHPO4- xH2O→ CaHPO4 (аморфен) + xH2O
Това от своя страна корелира със стъпката F → G от Kinetics Neo. - Реакционната стъпка G → H описва непрекъснатото намаляване на масата над 200 °C.
Фигура 5 показва доброто съответствие между измерените TGA криви и тези, изчислени от Kinetics Neo, като се използва описаният кинетичен модел. Коефициентът на корелация между измерените и изчислените криви възлиза на 0,999.
Параметрите на всеки етап от реакцията, изчислени от Kinetics Neo, са обобщени в таблица 2.
Таблица 2: Кинетични параметри на етапите на реакцията
| Стъпка на реакцията | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| Вид реакция | n-ти ред с автокатализа | n-ти ред | n-ти ред | n-ти ред | дифузия | n-ти ред |
| Енергия на активация [kJ-mol-1] | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| Log (преекспоненциален фактор) | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| Ред на реакциите | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| Вноска | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
От оценка на кинетиката до прогнозиране на поведението на пробата
Познаването на кинетиката на реакцията позволява да се симулира процесът на дехидратация за всяка избрана температурна програма, включително изотерми за дълъг период от време.
На фигура 6 е показана дехидратацията на DCP в продължение на две години при различни температури на съхранение. Според тази симулация след 6 месеца при температура на съхранение от 30 °C ще има загуба на маса от над 3 % (червена крива). При температура 50°C обаче загубата на маса ще бъде повече от 5 % за същия период (светлооранжева крива).
Освен това Kinetics Neo съдържа климатична карта, която отчита средните температурни модели през последните години за различните региони на света, включително температурните колебания през годината. Използвайки тази информация, Kinetics Neo е в състояние да адаптира прогнозата си за поведението на пробите за дадена страна. Например на фигури 7 и 8 са показани кривите на прогнозиране за калциев хидрогенфосфат дихидрат за две години съответно в Париж (Франция) и Джакарта (Индонезия). Както се очакваше, поведението на пробата се различава значително в двата града. Дехидратацията протича по-бързо в Джакарта поради по-високите температури в сравнение с тези в Париж.
Заключение
Комбинацията от термогравиметрия и кинетика Neo е мощен инструмент за получаване на първоначална информация за стабилността на дадено вещество при определени температури на съхранение.
Тя може да се използва за скрининг на API (активни фармацевтични съставки) и помощни вещества по време на разработването на нов фармацевтичен продукт, за да се направи предварителен подбор за изследвания на стабилността с по-голяма продължителност.