Introducción
La estabilidad de los API (principios activos farmacéuticos) y los excipientes está directamente relacionada con sus condiciones de almacenamiento: El almacenamiento a una temperatura inadecuada (demasiado caliente o demasiado fría) puede afectar a su eficacia, seguridad y vida útil. Las pruebas de estabilidad farmacéutica durante el almacenamiento descritas en las directrices de la OMS (Organización Mundial de la Salud) y la ICH (Consejo Internacional para la Armonización de Requisitos Técnicos para Uso Humano) requieren un mínimo de 6 meses para completarse. [1, 2]
La información inicial sobre la estabilidad de una sustancia en condiciones específicas de temperatura puede obtenerse en las primeras horas. Para ello, se evalúa la cinética del proceso de degradación de la sustancia (Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica, desolvatación, deshidratación) y se utiliza para determinar su comportamiento durante isotermas de larga duración. Esto permite realizar rápidamente la clasificación inicial de los API/excipientes.
A continuación, se establece la cinética de la reacción de deshidratación del hidrogenofosfato de calcio dihidratado, CaHPO4-2H2O(también llamado DCP). Para ello, se utilizan mediciones termogravimétricas realizadas a diferentes velocidades de calentamiento para evaluar la cinética de reacción mediante el software NETZSCH Kinetics Neo.
Condiciones de medición
El DCP es una sustancia de relleno que se utiliza habitualmente para comprimir. La sustancia utilizada para las mediciones fue amablemente proporcionada por JRS Pharma (nombre comercial: Emcompress®). Las condiciones experimentales se resumen en la tabla 1.
Cuadro 1: Condiciones de ensayo
Dispositivo | TG 209 F1 Nevio acoplado al espectrómetro FT-IR de Bruker Optics (PERSEUS® acoplamiento) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| Muestra | DCP Emcompress® (JRS Pharma) | |
| Masa de la muestra | 3.71 mg | 3.71 mg a 4,30 mg |
| Crisol | Cerrado Concavus® (Al) con tapa perforada | |
| Programa de temperatura | 30°C a 300°C | |
| Velocidad de calentamiento | 10 K/min | 1 K/min a 20 K/min |
Resultados de las mediciones
Medición TGA-FT-IR en DCP
La figura 1 muestra la curva de pérdida de masa (verde) y el diagrama de Gram Schmidt (negro) resultantes de la medición TGA-FTIR en DCP. La curva de Gram Schmidt indica los rangos de temperatura en los que se detectaron los gases liberados. Se aprecian tres escalones de pérdida de masa entre la temperatura ambiente y los 300°C, que corresponden a tres máximos en el diagrama de Gram-Schmidt. La masa residual medida del 79% corresponde a la masa residual teórica tras la pérdida de 2 H2Odel DCP.
Los espectros FT-IR de los productos liberados durante el calentamiento se analizan para comprobar si en este intervalo de temperatura sólo se libera agua o también otros componentes. La figura 2 muestra los espectros FT-IR de las sustancias liberadas durante la medición en una vista tridimensional. La extracción de los espectros a diferentes temperaturas muestra que los pasos de pérdida de masa detectados se deben únicamente a la evolución del agua (véanse las figuras 3A, 3B y 3C, espectros FT-IR de las sustancias liberadas a 110°C, 159°C y 205°C, así como 3D, espectro de comparación de agua de la biblioteca EPA-NIST).
Se sabe por la bibliografía [4] que el agua superficial y el agua estructural empiezan a abandonar la estructura cristalina alrededor de los 80°C, momento en el que se empieza a formar una fase amorfa. La cantidad de sustancia en la fase amorfa aumenta durante la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición hasta 200-220°C y varía con la velocidad de calentamiento.
Análisis cinético del proceso de deshidratación
La figura 4 muestra las curvas de medición TGA para DCP a 6 velocidades de calentamiento diferentes entre 1 y 20 K/min. Como era de esperar en este proceso cinético, los pasos de pérdida de masa se desplazan a temperaturas más altas con el aumento de la velocidad de calentamiento.
Esta dependencia de los pasos de pérdida de masa de la velocidad de calentamiento permite el uso de las curvas TGA para un análisis cinético de la deshidratación. Para ello, se utilizó el software Kinetics Neo (de NETZSCH-Gerätebau GmbH). Puede asignar a cada paso individual diferentes tipos de reacción con parámetros cinéticos propios, como la energía de activación, el orden de reacción y el factor preexponencial. Basándose en los resultados, Kinetics Neo es capaz de simular la(s) reacción(es) para programas de temperatura especificados por el usuario, por ejemplo, isotermas de larga duración a una temperatura específica.
Las siguientes observaciones ayudan a determinar el número y el tipo de los pasos cinéticos.
- La presencia de tres etapas de pérdida de masa sugiere que el proceso se desarrolla a lo largo de al menos tres etapas.
- El hecho de que las curvas a una velocidad de calentamiento baja se interpongan con las curvas a una velocidad de calentamiento alta (véase el intervalo de temperaturas de 150°C-190°C) es una indicación de que un paso de reacción debe describirse mediante un modelo de reacción competitiva o paralela.
- Después del tercer paso de pérdida de masa, ésta sigue disminuyendo; esto puede describirse mediante un paso adicional en el modelo cinético.
Finalmente, se llegó a la conclusión de que el modelo siguiente era el que mejor describía el proceso:
- El paso de reacción A → B describe el primer paso de pérdida de masa de la curva TGA y procede de la liberación de agua superficial.
Los pasos de reacción
B → C → D
C → E
pueden corresponder a los pasos descritos por Rabatin et al. [3]:
CaHPO4 - 2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) → H2O(g)
dando lugar a la formación de diferentes cantidades estequiométricas de agua con CaHPO4 - H2O[producto D] y CaHPO4 - yH2O[producto E].
Además, se ha iniciado la formación de la fase amorfa, que depende de la velocidad de calentamiento. Cuanto menor sea la velocidad de calentamiento, mayor será la duración de la fase amorfa. Diferentes duraciones de la fase amorfa resultantes de diferentes velocidades de calentamiento pueden ser responsables de diferentes valores de TGA después del segundo paso de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición a 180°C y responsables de la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de forma paralela. En la cinética Neo, los productos D y E se describen con F (F = D + E). - La temperatura de detección del tercer paso de pérdida de masa es consistente con la medición DTA descrita por Rabatin et al. [3], en la que se detectó un pico a 195°C. Los autores asociaron este pico con el siguiente mecanismo CaHPO4- xH2O→ CaHPO4 (amorfo) + xH2O
Esto, a su vez, se correlacionó con el paso F → G de la cinética Neo. - El paso de reacción G → H describe la disminución continua de masa por encima de 200°C.
La figura 5 muestra el buen ajuste entre las curvas TGA medidas y las calculadas por Kinetics Neo utilizando el modelo cinético descrito. El coeficiente de correlación entre las curvas medidas y calculadas asciende a 0,999.
Los parámetros de cada paso de reacción calculados por Kinetics Neo se resumen en la tabla 2.
Tabla 2: Parámetros cinéticos de los pasos de reacción
| Paso de la reacción | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| Tipo de reacción | enésimo orden con autocatálisis | enésimo orden | enésimo orden | enésimo orden | difusión | enésimo orden |
| Energía de activación [kJ-mol-1] | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| Log (factor preexponencial) | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| Orden de reacción | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| Contribución | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
De la evaluación cinética a la predicción del comportamiento de la muestra
El conocimiento de la cinética de reacción permite simular el proceso de deshidratación para cualquier programa de temperatura seleccionado, incluidas las isotermas de larga duración.
La figura 6 muestra la deshidratación del DCP a lo largo de dos años para diferentes temperaturas de almacenamiento. Según esta simulación, habrá una pérdida de masa de más del 3% al cabo de 6 meses a una temperatura de almacenamiento de 30°C (curva roja). A 50°C, sin embargo, la pérdida de masa será ya superior al 5% en el mismo periodo (naranja claro).
Además, Kinetics Neo contiene un mapa climático que tiene en cuenta los patrones de temperatura media a lo largo de los últimos años para las distintas regiones del mundo, incluidas las variaciones de temperatura a lo largo del año. Utilizando esta información, Kinetics Neo es capaz de adaptar su predicción del comportamiento de la muestra para un país determinado. Por ejemplo, las figuras 7 y 8 muestran las curvas de predicción para el hidrogenofosfato de calcio dihidratado a lo largo de dos años en París (Francia) y Yakarta (Indonesia), respectivamente. Como era de esperar, el comportamiento de la muestra difiere mucho entre las dos ciudades. La deshidratación es más rápida en Yakarta debido a las temperaturas más elevadas que en París.
Conclusión
La combinación de termogravimetría y cinética Neo es una potente herramienta para obtener información inicial sobre la estabilidad de una sustancia para temperaturas de almacenamiento específicas.
Puede utilizarse para el cribado de API (principios activos farmacéuticos) y excipientes durante el desarrollo de un nuevo producto farmacéutico con el fin de realizar una preselección para estudios de estabilidad de mayor duración.