Въведение
Сублимационното сушене (лиофилизация) е техника, широко използвана във фармацевтичните технологии за превръщане на термолабилни вещества като протеини или липозоми - без термична обработка - в използваеми и съхраняеми форми. Целта на лиофилизацията е внимателно отстраняване на водата от разтворите, за да се получи стабилен прах с определена остатъчна влага и порьозност.
Съставът на даден продукт оказва решаващо влияние върху параметрите на процеса и по този начин оказва влияние и върху вида, качеството и стабилността на получения лиофилизат. Динамичната сканираща калориметрия (ДСК) предоставя важна информация за избора на подходящи условия.
Разтворите, които трябва да бъдат лиофилизирани, обикновено са сложни многокомпонентни системи, състоящи се от активни съставки, добавки и вода. Помощните вещества включват тониращи соли (за регулиране на изотоничността), буферни вещества, криопротектори (за защита от увреждане по време на замразяване) и изграждащи вещества, които придават структура на лиофилизирания продукт. Захари като захароза или трехалоза са се доказали като много ефективни при стабилизирането на протеините [5]. Следващите съображения се основават на захарозата като моделно вещество. Посочените разтвори са произведени от наличната в търговската мрежа захароза с фармацевтично качество (Caesar & Loretz, Hilden) и двойно дестилирана вода.
Процесът на лиофилизация обикновено може да се раздели на 3 последователни етапа:
Дълбоко замразяване
Захарните разтвори са склонни да се пренасищат. При охлаждане се образува лед и все по-вискозен разтвор на захароза. Нарастващият вискозитет затруднява дифузионните процеси, които са необходими за кристализацията. В резултат на това системата не кристализира, а се втвърдява като недостатъчно охладена течност без пълно фазово разделяне (стъкло). Температурата на встъкляване на максимално концентрирания разтвор се обозначава като Tg' и е специфична за веществото [3].
По време на охлаждането често може да се наблюдава преохлаждане. Фармацевтичните разтвори за парентерално приложение (приложение, избягващо стомашно-чревния тракт), които трябва да са без частици, представляват екстремен случай. Те практически нямат хетерогенни примеси, които биха могли да действат като кристализационни ядра. Поради това зародишът на кристали в такива разтвори често е вероятен само при температура, приближаваща се до -40 °C.
Поведението при замразяване на 10% разтвор на захароза е показано на фигура 2. Пробата е охладена с помощта на NETZSCH DSC 204 F1 (вж. фигура 1) в затворен алуминиев тигел при контролирана скорост на охлаждане от 5 K/min. Преохладеният разтвор се втвърдява изключително бързо при -20 °C (екстраполирана температура на настъпване).
Грубите петна от вътрешната страна на тигела или следите от замърсяване, причинени от подготовката, могат да послужат като семенни кристали. Поради тази причина температурите на втвърдяване, определени по този начин, обикновено не могат да бъдат свързани с концентрацията на използваните захарни разтвори.
По време на прехода от вода към лед настъпва промяна в специфичната топлина от 4,18 J/g-K (вода) до 2,1 J/g-K (лед, малко под точката на замръзване), което е основната причина за ясното изместване на основната линия преди и след пика на втвърдяване/топене (фигура 2: преход от вода към лед - и фигура 3: преход от лед към вода).
При последващото нагряване със скорост на нагряване 5 K/min (фигура 3) стъкловидният преход на максимално концентрирания разтвор се появява при -32 °C (средна точка). Тази стойност е в добро съответствие с литературните данни, според които се предполага, че температурите са -32°C и -33°C [2], [4].
Стъкловидният преход е последван от ендотермичен пик по време на нагряване (вмъкнат на фигура 3), чиято екстраполирана начална температура, Tm´, описва началото на топенето на леда. Според Roos [1] максималната "концентрация на замръзване" може да се наблюдава само при температури на замръзване между Tg´и Tm´.
Областта под пика на топене съответства на частта свободна вода. Референтната точка тук е топлината на топене на леда от 333,7 J/g.
В разтвори с ниска концентрация делът на захарозата може да се определи по височината на съответния стъклообразуващ преход. На фигура 4 височините на стъпалата (стойностите на ΔСпецифичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) за разтвори от 5 %, 10 % и 20 % - с резултати от 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K и 0,516 J/g-K - са в много добро съответствие с мащабиране на концентрацията с коефициент 2, докато температурите на стъклопрехода остават до голяма степен постоянни. Съществува линейна зависимост между височината на стъпката и концентрацията (фиг. 5).
Освен това с увеличаване на концентрацията на разтворите на захароза началото на топенето на леда (екстраполирана начална температура) се измества към по-ниски стойности на фигура 6. При по-високи концентрации това води до по-малък интервал между стъклопрехода на максимално концентрирания разтвор и началото на топенето на свободната вода.
Някои аморфни вещества отново кристализират при нагряване над температурата на встъкляване. Този ефект, наречен девитрификация или студена кристализация, може да се използва за промяна на порьозността и остатъчната влага на лиофилизата [2] чрез темпериране на материала над температурата на рекристализация (екстраполирано начало). Вследствие на рекристализацията настъпва фазово разделяне и освободената "незамразена" вода се превръща в лед. Както е показано на фигура 3 обаче, в случая на захарозата не настъпва посткристализация.
Първично сушене
При този етап замразеният лед се отстранява във вакуум чрез сублимация (преминаване от твърдо в газообразно агрегатно състояние).
По време на този процес - при който топлината се подава отвън - температурата в продукта не трябва да се повишава над температурата на стъкловидния преход, тъй като това води до омекване на рамковата структура и разрушаване на системата [5]. Разрушаването на рамковата структура по време на фазата на сушене се нарича колапс.
Въпреки че се съобщават температури на колапс, които са средно с 1 до 5 К по-високи от съответните температури на встъкляване [6], стъкловидните преходи на максимално концентрирани разтвори, Tg´, които могат да се определят с помощта на DSC, са добри референтни точки за тяхното положение.
Вторично сушене
На този етап продуктът се изсушава до желаното крайно ниво на влажност чрез десорбиране на водата, съдържаща се в матрицата, посредством бавно повишаване на температурата.
В аморфните лиофилизати водата трябва да дифундира от стъкловидната фаза към повърхността. Този доста бавен процес е причината етапът на последващо сушене често да е този, който определя скоростта на лиофилизация за аморфни лиофилизати [2].
Поради омекотяващия ефект на водата температурата на стъклопреход на аморфната фаза е пряко свързана със съдържанието на уловената вода. С напредването на обезводняването Tg (стъкловидният преход на захарозата като твърдо вещество) се увеличава; неговото положение също може да се определи бързо и точно с помощта на DSC.
Заключение
Съществени характеристики за проектиране на процеса на първично сушене са температурата на стъклопреход на максимално концентрирания разтвор (Tg´) и температурата на разрушаване, при която материалът омеква така, че вече не може да поддържа собствената си структура и започва да тече. С помощта на DSC (понякога като TM-DSC*) може лесно да се определи Tg´.
Температурата на колапс е малко по-висока от Tg´; точният интервал между Tg´и температурата на колапс зависи от състава на материала.