13.08.2020 by Dr. Gabriele Kaiser
Úloha DSC v lyofilizačních procesech
Mnohé API (aktivní farmaceutické látky) nebo přípravky, zejména ty, které jsou založeny na biofarmakách, jsou ve vodných roztocích tepelně citlivé a nestabilní. Zejména tato druhá vlastnost je velmi nepříznivá, pokud mají být podávány jako injekční léková forma, např. vakcíny. Aby se dosáhlo vyšší stability a delší doby použitelnosti, musí se takové složky léčiv sušit. Vzhledem k jejich termolabilitě však není možné odstranit vodu pouhým zahřátím. Lyofilizace nebo lyofilizace je šetrnou alternativou, jak přeměnit API a/nebo směsi mezi API a pomocnými látkami na použitelné a skladovatelné formy bez tepelné úpravy.
Zjistěte, jak může termická analýza pomoci určit parametry procesu lyofilizace.
Proces lyofilizace se skládá ze tří kroků
Fáze mražení, tzv. "primární sušení" a nakonec "sekundární sušení".
- Fáze zmrazování, během níž je látka zmrazována při zvolené rychlosti zmrazování
- Takzvané ´primární sušení´: Led se ze zmrazeného roztoku odstraní sublimací za sníženého tlaku. V této fázi je teplota produktu obvykle přibližně -35 °C až -20 °C.
- Sekundární sušení: Teplota se dále zvyšuje, aby se produkt vysušil na konečnou úroveň vlhkosti desorpcí vody obsažené v matrici. Pro získání stabilního koláče je požadována koncentrace vody např. 1 % nebo méně [1].
Aby se zabránilo ztrátě aktivity léčivé látky, přidávají se obvykle kryo- nebo lyoochranné látky, jako jsou cukry (např. sacharóza nebo trehalóza) nebo polymery.
Rozhodující je teplota kolapsu
Kritickým parametrem pro nastavení lyofilizačního procesu je teplota kolapsu, často označovaná jako Tc. Při této teplotě se materiál buď roztaví, nebo změkne tak, že již nedokáže udržet svou vlastní strukturu a začne téct. Z tohoto důvodu by se látka měla ve fázi ´primárního sušení´ udržovat pod hodnotou Tc. Příliš nízká teplota procesu však vede k nepřijatelně pomalému postupu. Proto je důležité znát hodnotu kritické teploty. U krystalických systémů odpovídá maximálně přípustná teplota eutektické teplotě tání [1 - 3]. Pouze pod touto teplotou je systém zcela pevný. Většina lyofilizovaných přípravků však obsahuje amorfní fáze a v tomto případě se teplota kolapsu blíží teplotě skelného přechodu maximálně koncentrovaného roztoku (Tg´). V mnoha případech je Tc o něco vyšší než Tg´, přičemž přesný rozdíl mezi oběma teplotami závisí na formulaci [2].
DSC (diferenciální skenovací kalorimetrie) určuje Tg´..
PřístrojeDSC jsou určeny ke zjišťování změn měrné tepelné kapacity materiálů, ke kterým dochází při průchodu skelným přechodem. Obr. 1 ukazuje signál DSC při zahřívání zmraženého 10% roztoku sacharózy. Zmrazování i zahřívání probíhalo na přístroji rychlostí 5 K/min. Vyhodnocená teplota skelného přechodu maximálně koncentrovaného roztoku (Tg´, zde udávaná jako střední hodnota) vychází na -32 °C a dobře odpovídá literárním hodnotám [4]. Výška EndotermickéPřechod vzorku nebo reakce je endotermická, pokud je k přeměně zapotřebí tepla.endotermického kroku je vyjádřena jako ΔMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp a činí zde 0,28 J/(gK).
Jak bylo uvedeno výše, Tg' je u mnoha přípravků mírně pod teplotou kolapsu, a představuje proto spíše konzervativní horní hranici, ačkoli to nemá žádný vliv na kvalitu konečného produktu. Pokud je stupeň skelného přechodu překryt relaxačními efekty nebo krystalizačními píky souvisejícími s jednou ze složek formulace, může k oddělení pomoci teplotně modulovaná DSC (TM-DSC nebo mt-DSC).
... a teplota skelného přechodu sušeného produktu
Mnoho lyofilizovaných produktů zůstává po vysušení v amorfní formě. Protože voda vykazuje změkčující účinek, teplota skelného přechodu amorfní fáze přímo souvisí s obsahem zadržené zbytkové vody. DSC lze tedy dále použít ke stanovení stavu vysušení materiálu. Literatura: [1] E. Meister a H. Gieseler, A significant comparison between collapse and Glass Transition TemperatureThe glass transition is one of the most important properties of amorphous and semi-crystalline materials, e.g., inorganic glasses, amorphous metals, polymers, pharmaceuticals and food ingredients, etc., and describes the temperature region where the mechanical properties of the materials change from hard and brittle to more soft, deformable or rubbery.glass transition temperatures (Významné srovnání teplot kolapsu a skelného přechodu), European Pharmaceutical Review, online, září 2008 https://www.europeanpharmaceuticalreview . com/article/1479/a-significant-comparison-between-collapse-and-glass-transition-temperatures/ [2] V. Kett, Development of Freeze-dried Formulations Using Thermal Analysis and Microscopy, American Pharmaceutical Review, online, září 2010 https://www.americanpharmaceuticalreview.com/Featured-Articles/36885-Development-of-Freeze-dried-Formulations-Using-Thermal-Analysis-and-Microscopy/ [3] H. Schiffter-Weinle, Immer schön trocken bleiben, Deutsche Apothekerzeitung, online https://www . deutsche-apotheker-zeitung.de/daz-az/2016/daz-44-2016/immer-schoen-trocken-bleiben [4] F. Franks, Freeze-drying of bioproducts: putting principles into practice, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 1998, 45, s. 221-229