Ο ρόλος της DSC στις διεργασίες λυοφιλίωσης

Η διαδικασία ξήρανσης με κατάψυξη αποτελείται από τρία βήματα

Η φάση της κατάψυξης, η λεγόμενη "πρωτογενής ξήρανση" και, τέλος, η "δευτερογενής ξήρανση".

• Η φάση της κατάψυξης κατά την οποία η ουσία καταψύχεται με ρυθμό κατάψυξης selected
• Η λεγόμενη ´πρωτογενής ξήρανση´: Ο πάγος απομακρύνεται από το συμπυκνωμένο με κατάψυξη διάλυμα με εξάχνωση υπό μειωμένη πίεση. Σε αυτό το στάδιο, η θερμοκρασία του προϊόντος είναι συνήθως στους -35°C έως -20°C.
• Η ´δεύτερη ξήρανση´: Η θερμοκρασία αυξάνεται περαιτέρω για την ξήρανση του προϊόντος στο τελικό επίπεδο υγρασίας μέσω της εκρόφησης του νερού που περιέχεται στη μήτρα. Προκειμένου να ληφθεί ένα σταθερό κέικ, απαιτείται συγκέντρωση νερού π.χ. 1% ή λιγότερο [1].

Για να αποφευχθεί οποιαδήποτε απώλεια δραστικότητας της φαρμακευτικής ουσίας, προστίθενται συνήθως κρυο- ή λυοπροστατευτικά, όπως σάκχαρα (π.χ. σακχαρόζη ή τρεαλόζη) ή πολυμερή.

Η θερμοκρασία κατάρρευσης είναι καθοριστική

Μια κρίσιμη παράμετρος για τη ρύθμιση μιας διεργασίας λυοφιλίωσης είναι η θερμοκρασία κατάρρευσης, η οποία συχνά ονομάζεται _Tc. Σε αυτή τη θερμοκρασία, το υλικό είτε λιώνει είτε μαλακώνει ώστε να μην μπορεί πλέον να υποστηρίξει τη δομή του και αρχίζει να ρέει. Για το λόγο αυτό, η ουσία πρέπει να διατηρείται κάτω από την _Tc εντός της φάσης "πρωτογενούς ξήρανσης". Ωστόσο, μια πολύ χαμηλή θερμοκρασία διεργασίας οδηγεί σε απαράδεκτη αργή εξέλιξη. Επομένως, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την τιμή της κρίσιμης θερμοκρασίας. Για κρυσταλλικά συστήματα, η μέγιστη ανεκτή θερμοκρασία αντιστοιχεί στην ευτηκτική θερμοκρασία τήξης [1-3]. Μόνο κάτω από αυτό το σημείο το σύστημα είναι πλήρως στερεό. Όμως τα περισσότερα σκευάσματα που αποξηραίνονται με κατάψυξη περιέχουν άμορφες φάσεις και στην περίπτωση αυτή, η θερμοκρασία κατάρρευσης είναι κοντά στη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης της μέγιστης συμπυκνωμένης διαλυμένης ουσίας με κατάψυξη (_Tg´). Σε πολλές περιπτώσεις, η _Tc είναι ελαφρώς υψηλότερη από την _Tg´, ενώ η ακριβής διαφορά μεταξύ των δύο θερμοκρασιών εξαρτάται από το σκεύασμα [2].

Η DSC (διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης) προσδιορίζει την _Tg´..

Τα όργαναDSC είναι σχεδιασμένα για να ανιχνεύουν τις αλλαγές στην ειδική θερμοχωρητικότητα των υλικών, καθώς αυτή λαμβάνει χώρα κατά τη διέλευση από μια υαλώδη μετάβαση. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το σήμα DSC κατά τη θέρμανση ενός κατεψυγμένου διαλύματος σακχαρόζης 10%. Η κατάψυξη καθώς και η θέρμανση πραγματοποιήθηκαν με το όργανο με ταχύτητα 5 K/min. Η εκτιμώμενη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης του μέγιστα συμπυκνωμένου διαλύματος (Tg´_, δίνεται εδώ ως μέση τιμή) προκύπτει στους -32°C και ταιριάζει καλά με τις βιβλιογραφικές τιμές [4]. Το ύψος του ενδοθερμικού βήματος εκφράζεται ως _{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} και ανέρχεται εδώ σε 0,28 J/(gK).

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η Tg' είναι ελαφρώς χαμηλότερη από τη θερμοκρασία κατάρρευσης σε πολλά σκευάσματα και επομένως αποτελεί ένα μάλλον συντηρητικό ανώτατο όριο, αν και αυτό δεν επηρεάζει την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Εάν το στάδιο υαλώδους μετάβασης επικαλύπτεται από φαινόμενα χαλάρωσης ή κορυφές κρυστάλλωσης που σχετίζονται με ένα από τα συστατικά του σκευάσματος, η DSC με διαμόρφωση θερμοκρασίας (TM-DSC ή mt-DSC) μπορεί να βοηθήσει στο διαχωρισμό.

... και η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης του αποξηραμένου προϊόντος

Πολλά λυοφιλοποιημένα προϊόντα παραμένουν στην άμορφη μορφή τους μετά την ξήρανση. Καθώς το νερό έχει μαλακτικό αποτέλεσμα, η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης της άμορφης φάσης σχετίζεται άμεσα με την περιεκτικότητα του υπολειπόμενου νερού που έχει εγκλωβιστεί. Έτσι, η DSC μπορεί επιπλέον να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της κατάστασης ξήρανσης του υλικού. Βιβλιογραφία: [1] E. Meister and H. Gieseler, A significant comparison between collapse and 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, p 221-229