Introducción
La liofilización es una técnica ampliamente utilizada en las tecnologías farmacéuticas para transformar sustancias termolábiles como proteínas o liposomas -sin tratamiento térmico- en formas utilizables y almacenables. El objetivo de la liofilización es la eliminación suave del agua de las soluciones para obtener un polvo estable de humedad residual y porosidad definidas.
La composición de un producto influye decisivamente en los parámetros del proceso y, por tanto, también en el tipo, la calidad y la estabilidad del liofilizado resultante. La calorimetría dinámica de barrido (DSC) proporciona información importante para la selección de las condiciones adecuadas.
Las soluciones a liofilizar suelen ser sistemas complejos multicomponentes formados por ingredientes activos, aditivos y agua. Los auxiliares incluyen sales tonificantes (para ajustar la isotonicidad), sustancias tampón, crioprotectores (para proteger contra daños durante la congelación) y constructores que dan estructura al producto liofilizado. Azúcares como la sacarosa o la trehalosa han demostrado ser muy eficaces para estabilizar las proteínas [5]. Las siguientes consideraciones se basan en la sacarosa como sustancia modelo. Las soluciones mencionadas se produjeron a partir de sacarosa comercial de calidad farmacéutica (Caesar & Loretz, Hilden) y agua bidestilada.
El proceso de liofilización puede dividirse generalmente en 3 etapas consecutivas:
Congelación
Las soluciones azucaradas tienden a sobresaturarse. Al enfriarse, se forma hielo y una solución de sacarosa cada vez más viscosa. La viscosidad creciente complica los procesos de difusión, que serían necesarios para la CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización. Como resultado, el sistema no cristaliza, sino que se solidifica como un líquido subenfriado sin separación completa de fases (vidrio). La temperatura de transición vítrea de la solución concentrada al máximo se denomina Tg' y es específica de cada sustancia [3].
Durante el enfriamiento, a menudo puede observarse un sobreenfriamiento. Las soluciones farmacéuticas para aplicación parenteral (administración evitando el tracto gastrointestinal), que deben estar libres de partículas, representan un caso extremo. Prácticamente no tienen impurezas heterogéneas que puedan actuar como núcleos de CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización. Por lo tanto, la nucleación de cristales en este tipo de soluciones sólo suele ser probable a medida que la temperatura se aproxima a -40°C.
En la figura 2 se muestra el comportamiento de congelación de una solución de sacarosa al 10%. La muestra se enfrió con el NETZSCH DSC 204 F1 (véase la figura 1) en un crisol de aluminio cerrado a una velocidad de enfriamiento controlada de 5 K/min. La solución sobreenfriada se solidifica extremadamente rápido a -20°C (temperatura de inicio extrapolada).
Los puntos ásperos en el interior del crisol o los restos de contaminación causados por la preparación pueden servir como cristales semilla. Por esta razón, las temperaturas de solidificación determinadas de este modo no suelen poder correlacionarse con la concentración de las soluciones azucaradas utilizadas.
Durante la transición de agua a hielo se produce un cambio en el calor específico de 4,18 J/g-K (agua) a 2,1 J/g-K (hielo, justo por debajo del punto de congelación), que es el principal responsable del claro desplazamiento de la línea de base antes y después del pico de solidificación/fusión (fig. 2: transición de agua a hielo - y figura 3: transición de hielo a agua).
En el calentamiento posterior a una velocidad de calentamiento de 5 K/min (figura 3), la transición vítrea de la solución de máxima concentración aparece a -32°C (punto medio). Este valor concuerda bien con los datos de la bibliografía que suponen -32°C y -33°C [2], [4].
A la transición vítrea le sigue un pico EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico durante el calentamiento (recuadro de la figura 3), cuya temperatura de inicio extrapolada, Tm', describe el inicio de la fusión del hielo. Según Roos [1], la "concentración de congelación" máxima sólo puede observarse a temperaturas de congelación comprendidas entre Tg' y Tm'.
El área por debajo del pico de fusión corresponde a la porción de agua libre. El punto de referencia aquí es el calor de fusión del hielo de 333,7 J/g.
En soluciones de baja concentración, la proporción de sacarosa puede determinarse a partir de la altura de la transición vítrea respectiva. En la figura 4, las alturas de paso (valores ΔCapacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp) para soluciones de 5%, 10% y 20% -con resultados de 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K y 0,516 J/g-K- concuerdan muy bien con un escalado de la concentración por un factor de 2, mientras que las temperaturas de transición vítrea permanecen prácticamente constantes. Existe una relación lineal entre la altura del escalón y la concentración (fig. 5).
Además, a medida que aumenta la concentración de las soluciones de sacarosa, el inicio de la fusión del hielo (temperatura de inicio extrapolada) se desplaza a valores más bajos en la figura 6. A mayores concentraciones, esto se traduce en un intervalo menor entre la transición vítrea de la solución de máxima concentración y el inicio de la fusión del agua libre.
Algunas sustancias amorfas vuelven a cristalizar al calentarse por encima de la temperatura vítrea. Este efecto, denominado desvitrificación o CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización en frío, puede utilizarse para modificar la porosidad y la humedad residual del liofilizado [2] templando el material por encima de la temperatura de recristalización (inicio extrapolado). Debido a la recristalización, se produce una separación de fases y el agua "no congelada" liberada se convierte en hielo. Sin embargo, como se muestra en la figura 3, en el caso de la sacarosa no se produce Postcristalización (cristalización en frío)La postcristalización de los plásticos semicristalinos se produce principalmente a temperaturas elevadas y una mayor movilidad molecular por encima de la transición vítrea.postcristalización.
Secado primario
En este paso, el hielo congelado se elimina en el vacío por sublimación (transición del estado sólido al gaseoso agregado).
Durante este proceso, en el que se suministra calor desde el exterior, la temperatura del producto no debe superar la temperatura de transición vítrea, ya que esto provoca el reblandecimiento de la estructura y el colapso del sistema [5]. La destrucción de la estructura durante la fase de secado se denomina colapso.
Aunque se han notificado temperaturas de colapso que son, por término medio, de 1 a 5 K superiores a las correspondientes temperaturas de transición vítrea [6], las transiciones vítreas de las soluciones de máxima concentración, Tg', que pueden determinarse mediante DSC, son buenos puntos de referencia para su posición.
Secado secundario
En este paso, el producto se seca hasta alcanzar el nivel de humedad final deseado mediante la desorción del agua contenida en la matriz a través de un lento aumento de la temperatura.
En los liofilizados amorfos, el agua debe difundirse desde la fase vítrea hasta la superficie. Este proceso bastante lento es la razón por la que la etapa posterior al secado suele ser la que determina la velocidad de liofilización de los liofilizados amorfos [2].
Debido al efecto suavizante del agua, la temperatura de transición vítrea de la fase amorfa está directamente relacionada con el contenido de agua atrapada. A medida que avanza la deshidratación, aumenta la Tg (la transición vítrea de la sacarosa como sólido); su posición también puede determinarse de forma rápida y precisa mediante DSC.
Conclusión
Las características esenciales para diseñar el proceso de secado primario son la temperatura de transición vítrea de la solución de máxima concentración (Tg') y la temperatura de colapso a la que el material se ablanda de forma que ya no puede soportar su propia estructura y comienza a fluir. La Tg' puede determinarse fácilmente mediante DSC (a veces denominado TM-DSC*).
La temperatura de colapso es ligeramente superior a laTg'; el intervalo exacto entre la Tg' y la temperatura de colapso depende de la formulación.