Introduktion
Stabiliteten af API'er (aktive farmaceutiske ingredienser) og hjælpestoffer er direkte relateret til deres opbevaringsforhold: Opbevaring ved forkert temperatur (for varmt eller for koldt) kan påvirke deres virkning, sikkerhed og holdbarhed. De tests for farmaceutisk opbevaringsstabilitet, der er beskrevet i WHO's (World Health Organization) og ICH's (International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Human Use) retningslinjer, kræver mindst 6 måneder for at blive gennemført. [1, 2]
De første oplysninger om et stofs stabilitet under specifikke temperaturforhold kan fås inden for de første par timer. Til dette formål evalueres kinetikken i stoffets nedbrydningsproces (termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, desolvering, dehydrering) og bruges til at bestemme dets opførsel under langvarige isotermer. Dette gør det muligt at foretage en hurtig indledende sortering af API'er/hjælpestoffer.
I det følgende fastlægges kinetikken for dehydreringsreaktionen for calciumhydrogenphosphatdihydrat, CaHPO4-2H2O(også kaldet DCP). For at gøre dette bruges termogravimetriske målinger udført ved forskellige opvarmningshastigheder til at evaluere reaktionskinetikken ved hjælp af NETZSCH Kinetics Neo-softwaren.
Målebetingelser
DCP er et fyldstof, som ofte bruges til tablettering. Stoffet, der blev brugt til målingerne, blev venligst stillet til rådighed af JRS Pharma (kommercielt navn: Emcompress®). Forsøgsbetingelserne er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Testbetingelser
Apparat | TG 209 F1 Nevio koblet til FT-IR spektrometer fra Bruker Optics (PERSEUS® kobling) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| Prøve | DCP Emcompress® (JRS Pharma) | |
| Masse af prøve | 3.71 mg | 3.71 mg til 4,30 mg |
| Digel | Lukket Concavus® (Al) med gennembrudt låg | |
| Temperaturprogram | 30°C til 300°C | |
| Opvarmningshastighed | 10 K/min | 1 K/min til 20 K/min |
Resultater af målinger
TGA-FT-IR-måling på DCP
Figur 1 viser massetabskurven (grøn) og Gram Schmidt-plottet (sort), der er resultatet af TGA-FTIR-målingen på DCP. Gram Schmidt-kurven angiver de temperaturområder, hvor frigivne gasser blev påvist. Tre massetabstrin er synlige mellem stuetemperatur og 300 °C, hvilket svarer til tre maksima i Gram-Schmidt-plottet. Den målte restmasse på 79 % svarer til den teoretiske restmasse efter tabet af 2H2Ofra DCP.
FT-IR-spektrene for de produkter, der frigives under opvarmningen, analyseres for at kontrollere, om det kun er vand eller også andre komponenter, der frigives i dette temperaturområde. Figur 2 viser FT-IR-spektrene for de stoffer, der blev frigivet under målingen, i en tredimensionel visning. Udtræk af spektrene ved forskellige temperaturer viser, at de påviste massetabstrin kun skyldes udvikling af vand (se figur 3A, 3B og 3C, FT-IR-spektre af de stoffer, der frigives ved 110 °C, 159 °C og 205 °C, samt 3D, sammenligningsspektrum for vand fra EPA-NIST-biblioteket).
Det er kendt fra litteraturen [4], at overfladevand og strukturelt vand begynder at forlade krystalstrukturen omkring 80 °C, hvor en amorf fase begynder at blive dannet. Mængden af stof i den amorfe fase stiger under nedbrydningen op til 200-220 °C og varierer med opvarmningshastigheden.
Kinetisk analyse af dehydreringsprocessen
Figur 4 viser TGA-målingskurverne for DCP ved 6 forskellige opvarmningshastigheder mellem 1 og 20 K/min. Som forventet for denne kinetiske proces forskydes massetabstrinnene til højere temperaturer med stigende opvarmningshastigheder.
Denne afhængighed af massetabstrinnene af opvarmningshastigheden gør det muligt at bruge TGA-kurverne til en kinetisk analyse af dehydreringen. Til dette blev Kinetics Neo-softwaren (fra NETZSCH-Gerätebau GmbH) brugt. Den kan tildele hvert enkelt trin forskellige reaktionstyper med deres egne kinetiske parametre, såsom aktiveringsenergi, reaktionsorden og præeksponentiel faktor. Baseret på resultaterne er Kinetics Neo i stand til at simulere reaktionen(erne) for brugerspecificerede temperaturprogrammer, f.eks. langtidsisotermer ved en bestemt temperatur.
Følgende observationer hjælper med at bestemme antallet og typen af de kinetiske trin.
- Tilstedeværelsen af tre massetabstrin tyder på, at processen forløber over mindst tre trin.
- Det faktum, at kurverne ved en lav opvarmningshastighed krydser kurverne ved en høj opvarmningshastighed (se temperaturområdet 150 °C-190 °C), er en indikation på, at et reaktionstrin bør beskrives af en konkurrerende eller parallel reaktionsmodel.
- Efter det tredje massetabstrin fortsætter massen med at falde; dette kan beskrives med et ekstra trin i kinetikmodellen.
I sidste ende fandt man ud af, at følgende model bedst beskriver processen:
- Reaktionstrinnet A → B beskriver det første massetabstrin i TGA-kurven og kommer fra frigivelsen af overfladevand.
Reaktionstrinnene
B → C → D
C → E
kan svare til de trin, der er beskrevet af Rabatin et al. [3]:
CaHPO4 - 2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) →H2O(g)
hvilket fører til dannelsen af forskellige støkiometriske mængder vand med CaHPO4 -H2O[produkt D] og CaHPO4 - yH2O[produkt E].
Derudover er dannelsen af den amorfe fase startet, hvilket afhænger af opvarmningshastigheden. Jo lavere opvarmningshastighed, jo længere varighed af den amorfe fase. Forskellige varigheder af den amorfe fase som følge af forskellige opvarmningshastigheder kan være ansvarlige for forskellige TGA-værdier efter det andet nedbrydningstrin ved 180 °C og ansvarlige for nedbrydningen på parallelle måder. I Kinetics Neo beskrives produkterne D og E med F (F = D + E). - Detektionstemperaturen for det tredje massetabstrin er i overensstemmelse med DTA-målingen beskrevet af Rabatin et al. [3], hvor der blev detekteret en top ved 195 °C. Forfatterne forbandt denne top med følgende mekanisme: CaHPO4- xH2O→ CaHPO4 (amorf) + xH2O
Dette korrelerede igen med trinnet F → G fra Kinetics Neo. - Reaktionstrinnet G → H beskriver det kontinuerlige massefald over 200 °C.
Figur 5 viser den gode overensstemmelse mellem de målte TGA-kurver og dem, der er beregnet af Kinetics Neo ved hjælp af den beskrevne kinetikmodel. Korrelationskoefficienten mellem de målte og beregnede kurver er 0,999.
Parametrene for hvert reaktionstrin beregnet af Kinetics Neo er opsummeret i tabel 2.
Tabel 2: Kinetiske parametre for reaktionstrinnene
| Reaktionstrin | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| Reaktionstype | niende orden med autokatalyse | niende orden | niende orden | niende orden | diffusion | nth order |
| Aktiveringsenergi [kJ-mol-1] | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| Log (præeksponentiel faktor) | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| Reaktionsrækkefølge | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| Bidrag | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
Fra kinetikevaluering til forudsigelser af prøvens opførsel
Kendskab til reaktionskinetikken gør det muligt at simulere dehydreringsprocessen for ethvert valgt temperaturprogram, herunder langvarige isotermer.
Figur 6 viser dehydreringen af DCP i løbet af to år ved forskellige opbevaringstemperaturer. Ifølge denne simulering vil der være et massetab på mere end 3 % efter 6 måneder ved en opbevaringstemperatur på 30 °C (rød kurve). Ved 50 °C vil massetabet dog allerede være mere end 5 % inden for samme periode (lys orange).
Derudover indeholder Kinetics Neo et klimakort, der tager højde for de gennemsnitlige temperaturmønstre i løbet af de seneste år for de forskellige regioner i verden, herunder temperaturvariationer i løbet af året. Ved hjælp af disse oplysninger er Kinetics Neo i stand til at tilpasse sin forudsigelse af prøveadfærd for et givet land. For eksempel viser figur 7 og 8 forudsigelseskurverne for calciumhydrogenphosphatdihydrat over to år i henholdsvis Paris (Frankrig) og Jakarta (Indonesien). Som forventet adskiller prøvens opførsel sig meget mellem de to byer. Dehydreringen går hurtigere i Jakarta på grund af de højere temperaturer sammenlignet med Paris.
Konklusion
Kombinationen af termogravimetri og Kinetics Neo er et stærkt værktøj til at få indledende oplysninger om et stofs stabilitet ved specifikke opbevaringstemperaturer.
Det kan bruges til screening af API'er (aktive farmaceutiske ingredienser) og hjælpestoffer under udviklingen af et nyt farmaceutisk produkt for at foretage en forhåndsudvælgelse til stabilitetsundersøgelser af længere varighed.