13.08.2020 by Dr. Gabriele Kaiser
DSC's rolle i lyofiliseringsprocesser
Mange API'er (aktive farmaceutiske ingredienser) eller formuleringer, især dem, der er baseret på biofarmaceutiske produkter, er varmefølsomme og ustabile i vandige opløsninger. Især sidstnævnte egenskab er meget ugunstig, hvis de skal administreres som en injicerbar doseringsform som vacciner. For at opnå højere stabilitet og længere holdbarhed skal sådanne lægemiddelingredienser tørres. Men på grund af deres termolabilitet er det ikke muligt at fjerne vandet blot ved opvarmning. Frysetørring eller frysetørring er et skånsomt alternativ til at omdanne API'er og/eller blandinger mellem API'er og hjælpestoffer til brugbare og opbevarbare former uden varmebehandling.
Lær, hvordan termisk analyse kan hjælpe med at bestemme parametrene for frysetørringsprocessen.
Frysetørringsprocessen består af tre trin
Frysefasen, den såkaldte 'primære tørring' og endelig den 'sekundære tørring'.
- Indfrysningsfasen, hvor stoffet indfryses ved en valgt indfrysningshastighed
- Den såkaldte 'primære tørring': Isen fjernes fra den frysekoncentrerede opløsning ved sublimering under reduceret tryk. På dette trin er produkttemperaturen normalt omkring -35 °C til -20 °C.
- Den "sekundære tørring": Temperaturen øges yderligere for at tørre produktet til det endelige fugtniveau via desorption af det vand, der er indeholdt i matricen. For at få en stabil kage kræves en vandkoncentration på f.eks. 1 % eller mindre [1].
For at undgå aktivitetstab af lægemiddelstoffet tilsættes typisk kryo- eller lyobeskyttende midler som sukker (f.eks. saccharose eller trehalose) eller polymerer.
Kollapstemperaturen er afgørende
En kritisk parameter for opsætningen af en frysetørringsproces er kollapstemperaturen, ofte kaldet Tc. Ved denne temperatur smelter eller blødgøres materialet, så det ikke længere kan bære sin egen struktur og begynder at flyde. Derfor skal stoffet holdes under Tc i den "primære tørringsfase". Men en for lav procestemperatur fører til en uacceptabel langsom progression. Derfor er det vigtigt at kende værdien af den kritiske temperatur. For krystallinske systemer svarer den maksimalt acceptable temperatur til den eutektiske Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur [1 - 3]. Kun under dette punkt er systemet helt fast. Men de fleste frysetørrede formuleringer indeholder amorfe faser, og i dette tilfælde er kollapstemperaturen tæt på glasovergangstemperaturen for det maksimalt frysekoncentrerede opløste stof (Tg´). I mange tilfælde er Tc lidt højere end Tg´, mens den nøjagtige forskel mellem de to temperaturer er formuleringsafhængig [2].
DSC (Differential Scanning Calorimetry) bestemmer Tg´..
DSC-instrumenter er designet til at registrere ændringer i materialers specifikke varmekapacitet, som finder sted, når de passerer en glasovergang. Fig. 1 viser DSC-signalet under opvarmning af en frossen 10 % saccharoseopløsning. Både nedfrysning og opvarmning blev udført med instrumentet ved 5 K/min. Den evaluerede glasovergangstemperatur for den maksimalt koncentrerede opløsning (Tg´, her angivet som midtpunkt) resulterer i -32 °C og passer godt til litteraturværdier [4]. Højden på det endotermiske trin udtrykkes som ΔSpecifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp og udgør her 0,28 J/(gK).
Som nævnt ovenfor ligger Tg' lidt under kollapstemperaturen i mange formuleringer og repræsenterer derfor en ret konservativ øvre grænse, selvom dette ikke har nogen indflydelse på kvaliteten af det endelige produkt. Hvis glasovergangstrinnet overlappes af afslapningseffekter eller krystalliseringstoppe relateret til en af formuleringskomponenterne, kan temperaturmoduleret DSC (TM-DSC eller mt-DSC) hjælpe med at adskille dem.
... og det tørrede produkts glasovergangstemperatur
Mange frysetørrede produkter forbliver i deres amorfe form efter tørring. Da vand har en blødgørende effekt, er glasovergangstemperaturen i den amorfe fase direkte relateret til det indesluttede restvandindhold. DSC kan derfor også bruges til at bestemme materialets tørrestatus. Litteratur: [1] E. Meister og 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, European Pharmaceutical Review, online, september 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, september 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