Εισαγωγή
Η ξήρανση υπό κατάψυξη (λυοφιλίωση) είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται ευρέως στις φαρμακευτικές τεχνολογίες για τη μετατροπή θερμοδιαλυτών ουσιών, όπως πρωτεΐνες ή λιποσώματα - χωρίς θερμική επεξεργασία - σε χρήσιμες και αποθηκεύσιμες μορφές. Ο στόχος της λυοφιλίωσης είναι η ήπια απομάκρυνση του νερού από τα διαλύματα για την απόκτηση μιας σταθερής σκόνης με καθορισμένη υπολειπόμενη υγρασία και πορώδες.
Η σύνθεση ενός προϊόντος επηρεάζει αποφασιστικά τις παραμέτρους της διαδικασίας και συνεπώς επηρεάζει επίσης τον τύπο, την ποιότητα και τη σταθερότητα του παραγόμενου λυοφιλοποιημένου προϊόντος. Η δυναμική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) παρέχει σημαντικές πληροφορίες για την selectων κατάλληλων συνθηκών.
Τα προς λυοφιλοποίηση διαλύματα είναι συνήθως πολύπλοκα συστήματα πολλαπλών συστατικών που αποτελούνται από δραστικά συστατικά, πρόσθετα και νερό. Τα βοηθητικά περιλαμβάνουν τονωτικά άλατα (για τη ρύθμιση της ισοτονίας), ρυθμιστικές ουσίες, κρυοπροστατευτικά (για προστασία από βλάβες κατά την κατάψυξη) και δομικά συστατικά που δίνουν δομή στο προϊόν που αποξηραίνεται με κατάψυξη. Τα σάκχαρα, όπως η σακχαρόζη ή η τρεαλόζη, έχουν αποδειχθεί πολύ αποτελεσματικά στη σταθεροποίηση των πρωτεϊνών [5]. Οι ακόλουθες εκτιμήσεις βασίζονται στη σακχαρόζη ως πρότυπη ουσία. Τα αναφερόμενα διαλύματα παρασκευάστηκαν από εμπορικά διαθέσιμη σακχαρόζη φαρμακευτικής ποιότητας (Caesar & Loretz, Hilden) και διπλά αποσταγμένο νερό.
Η διαδικασία της λυοφιλίωσης μπορεί γενικά να χωριστεί σε 3 διαδοχικά στάδια:
Βαθιά κατάψυξη
Τα διαλύματα ζάχαρης τείνουν να υπερκορεστούν. Κατά την ψύξη, σχηματίζεται πάγος και ένα όλο και πιο ιξώδες διάλυμα σακχαρόζης. Το αυξανόμενο ιξώδες περιπλέκει τις διαδικασίες διάχυσης, οι οποίες θα ήταν απαραίτητες για την κρυστάλλωση. Ως αποτέλεσμα, το σύστημα δεν κρυσταλλώνεται, αλλά στερεοποιείται ως υποψυγμένο υγρό χωρίς πλήρη διαχωρισμό φάσεων (γυαλί). Η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης του μέγιστα συμπυκνωμένου διαλύματος χαρακτηρίζεται ως Tg' και εξαρτάται από την ουσία [3].
Κατά τη διάρκεια της ψύξης μπορεί συχνά να παρατηρηθεί υπέρψυξη. Τα φαρμακευτικά διαλύματα για παρεντερική εφαρμογή (χορήγηση με αποφυγή του γαστρεντερικού σωλήνα), τα οποία πρέπει να είναι απαλλαγμένα από σωματίδια, αποτελούν ακραία περίπτωση. Δεν έχουν σχεδόν καθόλου ετερογενείς προσμίξεις που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως πυρήνες κρυστάλλωσης. Επομένως, η πυρηνοποίηση κρυστάλλων σε τέτοια διαλύματα είναι συχνά πιθανή μόνο όταν η θερμοκρασία πλησιάζει τους -40°C.
Η συμπεριφορά κατάψυξης ενός διαλύματος σακχαρόζης 10% παρουσιάζεται στο σχήμα 2. Το δείγμα ψύχθηκε με το NETZSCH DSC 204 F1 (βλ. σχήμα 1) σε κλειστό χωνευτήρι αλουμινίου με ελεγχόμενο ρυθμό ψύξης 5 K/min. Το υπέρψυκτο διάλυμα στερεοποιείται εξαιρετικά γρήγορα στους -20°C (εξωλογιστική θερμοκρασία έναρξης).
Τα τραχιά spots στο εσωτερικό του χωνευτηρίου ή τα ίχνη μόλυνσης που προκλήθηκαν από την προετοιμασία μπορούν να χρησιμεύσουν ως κρύσταλλοι σποράς. Για το λόγο αυτό, οι θερμοκρασίες στερεοποίησης που προσδιορίζονται με αυτόν τον τρόπο δεν μπορούν γενικά να συσχετιστούν με τη συγκέντρωση των χρησιμοποιούμενων διαλυμάτων σακχάρων.
Κατά τη διάρκεια της μετάβασης από το νερό στον πάγο, λαμβάνει χώρα μια μεταβολή της ειδικής θερμότητας από 4,18 J/g-K (νερό) σε 2,1 J/g-K (πάγος, ακριβώς κάτω από το σημείο πήξης), η οποία είναι κυρίως υπεύθυνη για τη σαφή μετατόπιση της βασικής γραμμής πριν και μετά την κορυφή στερεοποίησης/ τήξης (σχήμα 2: μετάβαση από το νερό στον πάγο - και σχήμα 3: μετάβαση από τον πάγο στο νερό).
Κατά την επακόλουθη θέρμανση με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min (σχήμα 3), η υαλώδης μετάβαση του μέγιστα συμπυκνωμένου διαλύματος εμφανίζεται στους -32°C (μέσο σημείο). Η τιμή αυτή βρίσκεται σε καλή συμφωνία με τα βιβλιογραφικά δεδομένα που υποθέτουν -32°C και -33°C [2], [4].
Η υαλώδης μετάβαση ακολουθείται από μια ενδοθερμική κορυφή κατά τη θέρμανση (ένθετο στο σχήμα 3), η προεκτιμώμενη θερμοκρασία έναρξης της οποίας, Tm´, περιγράφει την έναρξη της τήξης του πάγου. Σύμφωνα με τον Roos [1], η μέγιστη "συγκέντρωση κατάψυξης" μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε θερμοκρασίες κατάψυξης μεταξύ Tg´και Tm´.
Η περιοχή κάτω από την κορυφή τήξης αντιστοιχεί στο τμήμα του ελεύθερου νερού. Το σημείο αναφοράς εδώ είναι η θερμότητα τήξης του πάγου 333,7 J/g.
Σε διαλύματα χαμηλής συγκέντρωσης, η αναλογία σακχαρόζης μπορεί να προσδιοριστεί από το ύψος της αντίστοιχης υαλώδους μετάπτωσης. Στο σχήμα 4, τα ύψη βαθμίδας (τιμές ΔΕιδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) για διαλύματα 5%, 10% και 20% - με αποτελέσματα 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K και 0,516 J/g-K - βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με κλιμάκωση της συγκέντρωσης κατά 2 φορές, ενώ οι θερμοκρασίες υαλώδους μετάβασης παραμένουν largely σταθερές. Υπάρχει γραμμική σχέση μεταξύ του ύψους της βαθμίδας και της συγκέντρωσης (σχήμα 5).
Επιπλέον, καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των διαλυμάτων σακχαρόζης, η έναρξη της τήξης του πάγου (προεκτιμώμενη θερμοκρασία έναρξης) μετατοπίζεται σε χαμηλότερες τιμές στο σχήμα 6. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα μικρότερο διάστημα μεταξύ της υαλώδους μετάβασης του μέγιστα συμπυκνωμένου διαλύματος και της έναρξης τήξης του ελεύθερου νερού.
Ορισμένες άμορφες ουσίες κρυσταλλώνονται και πάλι κατά τη θέρμανση πάνω από τη θερμοκρασία υάλου. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται αποπυράκτωση ή ψυχρή κρυστάλλωση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει το πορώδες και την υπολειμματική υγρασία του λυοφιλιωμένου υλικού [2] με τη σκλήρυνση του υλικού πάνω από τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης (εξωστρεφής έναρξη). Λόγω της ανακρυστάλλωσης, πραγματοποιείται διαχωρισμός φάσεων και το "μη παγωμένο" νερό που απελευθερώνεται μετατρέπεται σε πάγο. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, ωστόσο, στην περίπτωση της σακχαρόζης δεν λαμβάνει χώρα μετακρυστάλλωση.
Πρωτογενής ξήρανση
Σε αυτό το στάδιο, ο παγωμένος πάγος απομακρύνεται σε κενό με εξάχνωση (μετάβαση από τη στερεή στην αέρια κατάσταση αδρανών).
Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας - κατά την οποία παρέχεται θερμότητα από το εξωτερικό - η θερμοκρασία στο προϊόν δεν πρέπει να αυξηθεί πάνω από τη θερμοκρασία της υαλώδους μετάβασης, καθώς αυτό οδηγεί σε μαλάκυνση της δομής του πλαισίου και κατάρρευση του συστήματος [5]. Η καταστροφή της δομής του σκελετού κατά τη φάση της ξήρανσης ονομάζεται κατάρρευση.
Αν και αναφέρονται θερμοκρασίες κατάρρευσης που είναι κατά μέσο όρο 1 έως 5 Κ υψηλότερες από τις αντίστοιχες θερμοκρασίες υαλώδους μετάπτωσης [6], οι υαλώδεις μεταπτώσεις των μέγιστα συμπυκνωμένων διαλυμάτων, Tg´, οι οποίες μπορούν να προσδιοριστούν μέσω DSC, αποτελούν καλά σημεία αναφοράς για τη θέση τους.
Δευτερογενής ξήρανση
Σε αυτό το στάδιο, το προϊόν ξηραίνεται στο επιθυμητό τελικό επίπεδο υγρασίας με την εκρόφηση του νερού που περιέχεται στη μήτρα μέσω μιας αργής αύξησης της θερμοκρασίας.
Στα άμορφα λυοφιλιωμένα προϊόντα, το νερό πρέπει να διαχυθεί από την υαλώδη φάση προς την επιφάνεια. Αυτή η μάλλον αργή διαδικασία είναι ο λόγος που το στάδιο μετά την ξήρανση είναι συχνά εκείνο που καθορίζει την ταχύτητα της ξήρανσης υπό ψύξη για τα άμορφα λυοφιλιωμένα [2].
Λόγω της μαλακτικής επίδρασης του νερού, η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης της άμορφης φάσης σχετίζεται άμεσα με την περιεκτικότητα σε εγκλωβισμένο νερό. Καθώς προχωρά η αφυδάτωση, η Tg (η υαλώδης μετάβαση της σακχαρόζης ως στερεού) αυξάνεται- η θέση της μπορεί επίσης να προσδιοριστεί γρήγορα και με ακρίβεια μέσω της DSC.
Συμπέρασμα
Βασικά χαρακτηριστικά για το σχεδιασμό της πρωτογενούς διαδικασίας ξήρανσης είναι η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης του μέγιστου συμπυκνωμένου διαλύματος (Tg´) και η θερμοκρασία κατάρρευσης στην οποία το υλικό μαλακώνει, ώστε να μην μπορεί πλέον να υποστηρίξει τη δομή του και αρχίζει να ρέει. Χρησιμοποιώντας DSC (μερικές φορές ως TM-DSC*), η Tg´μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί.
Η θερμοκρασία κατάρρευσης είναι ελαφρώς υψηλότερη από την Tg´-το ακριβές διάστημα μεταξύ της Tg´και της θερμοκρασίας κατάρρευσης εξαρτάται από το σκεύασμα.