Úvod
Stabilita API (účinných farmaceutických látek) a pomocných látek přímo souvisí s podmínkami jejich skladování: Skladování při nevhodné teplotě (příliš teplo nebo příliš chladno) může ovlivnit jejich účinnost, bezpečnost a dobu použitelnosti. Testy stability skladování léčiv popsané v pokynech WHO (Světové zdravotnické organizace) a ICH (Mezinárodní rady pro harmonizaci technických požadavků pro humánní použití) vyžadují minimálně 6 měsíců. [1, 2]
Prvotní informace o stabilitě látky za specifických teplotních podmínek lze získat během několika prvních hodin. Za tímto účelem se vyhodnocuje kinetika rozkladného procesu látky (tepelný Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad, desolvatace, dehydratace) a používá se k určení jejího chování během dlouhodobých izoterm. To umožňuje rychlé provedení počátečního třídění API/pomocných látek.
V následujícím textu je stanovena kinetika dehydratační reakce pro dihydrát hydrogenfosforečnanu vápenatého, CaHPO4-2H2O(nazývaný také DCP). Za tímto účelem se k vyhodnocení reakční kinetiky pomocí softwaru NETZSCH Kinetics Neo použijí termogravimetrická měření prováděná při různých rychlostech zahřívání.
Podmínky měření
DCP je plnivo, které se běžně používá k tabletování. Látku použitou pro měření laskavě poskytla společnost JRS Pharma (obchodní název: Emcompress®). Experimentální podmínky jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Zkušební podmínky
Zařízení | TG 209 F1 Nevio ve spojení s FT-IR spektrometrem od společnosti Bruker Optics (PERSEUS® spojení) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| Vzorek | DCP Emcompress® (JRS Pharma) | |
| Hmotnost vzorku | 3.71 mg | 3.71 mg až 4,30 mg |
| Kelímek | Uzavřený Concavus® (Al) s propíchnutým víkem | |
| Teplotní program | 30 °C až 300 °C | |
| Rychlost zahřívání | 10 K/min | 1 K/min až 20 K/min |
Výsledky měření
Měření TGA-FT-IR na DCP
Na obrázku 1 je zobrazena křivka hmotnostních ztrát (zelená) a Gramův Schmidtův graf (černý), které jsou výsledkem měření TGA-FTIR na DCP. Gram Schmidtova křivka označuje teplotní rozsahy, ve kterých byly zjištěny uvolněné plyny. Mezi pokojovou teplotou a teplotou 300 °C jsou patrné tři stupně úbytku hmotnosti, které odpovídají třem maximům na Gram-Schmidtově grafu. Naměřená zbytková hmotnost 79 % odpovídá teoretické zbytkové hmotnosti po ztrátě 2H2Oz DCP.
Analyzují se FT-IR spektra produktů uvolňovaných při zahřívání, aby se ověřilo, zda se v tomto teplotním rozsahu uvolňuje pouze voda, nebo i další složky. Na obrázku 2 jsou zobrazena FT-IR spektra látek uvolněných během měření v trojrozměrném zobrazení. Extrakce spekter při různých teplotách ukazuje, že zjištěné kroky úbytku hmotnosti jsou způsobeny pouze vývinem vody (viz obrázky 3A, 3B a 3C, FT-IR spektra látek uvolněných při 110 °C, 159 °C a 205 °C a také 3D, srovnávací spektrum vody z knihovny EPA-NIST).
Z literatury [4] je známo, že povrchová a strukturní voda začínají opouštět krystalovou strukturu kolem 80 °C, kdy se začíná tvořit amorfní fáze. Množství látky v amorfní fázi se během rozkladu zvyšuje až do 200-220 °C a mění se s rychlostí zahřívání.
Kinetická analýza procesu dehydratace
Na obrázku 4 jsou znázorněny křivky měření TGA pro DCP při 6 různých rychlostech ohřevu mezi 1 a 20 K/min. Jak se u tohoto kinetického procesu očekávalo, s rostoucí rychlostí ohřevu se kroky úbytku hmotnosti posouvají k vyšším teplotám.
Tato závislost hmotnostních ztrát na rychlosti ohřevu umožňuje použít křivky TGA pro kinetickou analýzu dehydratace. K tomu byl použit software Kinetics Neo (od společnosti NETZSCH-Gerätebau GmbH). Ten dokáže každému jednotlivému kroku přiřadit různé typy reakcí s vlastními kinetickými parametry, jako je aktivační energie, pořadí reakce a preexponenciální faktor. Na základě výsledků je Kinetics Neo schopen simulovat reakci (reakce) pro teplotní programy zadané uživatelem, např. dlouhodobé izotermy při určité teplotě.
Následující pozorování pomáhají určit počet a typ kinetických kroků.
- Přítomnost tří kroků ztráty hmotnosti naznačuje, že proces probíhá v průběhu nejméně tří kroků.
- Skutečnost, že křivky při nízké rychlosti zahřívání se prolínají s křivkami při vysoké rychlosti zahřívání (viz teplotní rozsah 150 °C-190 °C), je známkou toho, že reakční krok by měl být popsán modelem kompetitivní nebo paralelní reakce.
- Po třetím kroku ztráty hmotnosti pokračuje pokles hmotnosti; to může být popsáno dalším krokem v kinetickém modelu.
Nakonec bylo zjištěno, že tento model nejlépe popisuje tento proces:
- Reakční krok A → B popisuje první krok úbytku hmotnosti na křivce TGA a pochází z uvolňování povrchové vody.
Reakční kroky
B → C → D
C → E
mohou odpovídat krokům popsaným Rabatinem et al. [3]:
CaHPO4 - 2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) →H2O(g)
vedoucí k tvorbě různých stechiometrických množství vody s CaHPO4 -H2O[produkt D] a CaHPO4 - yH2O[produkt E].
Kromě toho začala tvorba amorfní fáze, která závisí na rychlosti zahřívání. Čím nižší je rychlost zahřívání, tím déle trvá amorfní fáze. Různé doby trvání amorfní fáze v důsledku různých rychlostí ohřevu mohou být příčinou různých hodnot TGA po druhém kroku rozkladu při 180 °C a odpovědné za paralelní Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad. Na adrese Kinetics Neo jsou produkty D a E popsány pomocí F (F = D + E). - Teplota detekce třetího kroku úbytku hmoty je v souladu s měřením DTA popsaným Rabatinem et al [3], při kterém byl detekován pík při 195 °C. Autoři tento pík spojují s následujícím mechanismem: CaHPO4- xH2O→ CaHPO4 (amorfní) + xH2O
To zase souviselo s krokem F → G z Kinetics Neo. - Reakční krok G → H popisuje kontinuální pokles hmotnosti nad 200 °C.
Obrázek 5 ukazuje dobrou shodu mezi naměřenými křivkami TGA a křivkami vypočtenými pomocí Kinetics Neo s využitím popsaného modelu kinetiky. Koeficient korelace mezi naměřenými a vypočtenými křivkami činí 0,999.
Parametry jednotlivých reakčních kroků vypočtené pomocí Kinetics Neo jsou shrnuty v tabulce 2.
Tabulka 2: Kinetické parametry reakčních kroků
| Reakční krok | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| Typ reakce | n-tého řádu s autokatalýza | n-tého řádu | n-tého řádu | n-tý řád | difúze | n-tého řádu |
| Aktivační energie [kJ-mol-1] | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| Log (předexponenciální faktor) | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| Pořadí reakce | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| Příspěvek | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
Od hodnocení kinetiky k předpovědím chování vzorku
Znalost reakční kinetiky umožňuje simulovat proces dehydratace pro libovolný zvolený teplotní program, včetně dlouhodobých izoterm.
Obrázek 6 ukazuje dehydrataci DCP v průběhu dvou let pro různé teploty skladování. Podle této simulace dojde po 6 měsících při teplotě skladování 30 °C k úbytku hmotnosti o více než 3 % (červená křivka). Při teplotě 50 °C však bude úbytek hmotnosti během stejné doby již více než 5 % (světle oranžová barva).
Kromě toho obsahuje Kinetics Neo klimatickou mapu, která zohledňuje průběh průměrných teplot v posledních letech v různých oblastech světa včetně teplotních výkyvů během roku. Na základě těchto informací je Kinetics Neo schopen přizpůsobit svou předpověď chování vzorků pro danou zemi. Například obrázky 7 a 8 ukazují předpovědní křivky pro dihydrát hydrogenfosforečnanu vápenatého v průběhu dvou let v Paříži (Francie), resp. v Jakartě (Indonésie). Podle očekávání se chování vzorku v obou městech značně liší. V Jakartě probíhá dehydratace rychleji kvůli vyšším teplotám než v Paříži.
Závěr
Kombinace termogravimetrie a Kinetics Neo je účinným nástrojem pro získání prvotních informací o stabilitě látky při určitých teplotách skladování.
Může být použita pro screening API (účinných farmaceutických látek) a pomocných látek během vývoje nového farmaceutického výrobku s cílem provést předběžný výběr pro dlouhodobější stabilitní studie.