Johdanto
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC) on lääketeollisuudessa laajalti käytetty analyysitekniikka lääkeaineiden lämpöominaisuuksien tutkimiseen. Yksi DSC:n tärkeimmistä sovelluksista on lääkkeen ihanteellisen liukoisuuden määrittäminen, mikä on ratkaisevan tärkeää tehokkaiden ja turvallisten lääkevalmisteiden kehittämiseksi. Tässä sovellusohjeessa tarkastellaan, miten DSC:tä voidaan käyttää lääkkeiden ihanteellisen liukoisuuden määrittämiseen ja tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa liukoisuuskäyttäytymiseen.
Lääkkeiden luokittelu liukoisuuden perusteella
Vesiliukoisuus on olennaisen tärkeää, jotta lääke saavuttaa terapeuttisen kohteensa, koska liukenemisnopeus vaikuttaa suoraan lääkkeen biologiseen hyötyosuuteen. Yhdysvaltain farmakopeassa ja Euroopan farmakopeassa lääkkeet luokitellaan niiden liukoisuuden likimääräisen vaihteluvälin (mg/ml) perusteella. Esimerkiksi 100-1000 mg/ml on liukoisuusalue molekyylille, jota pidetään vapaasti liukenevana, ja 0,1-1 mg/ml on alue lääkemolekyylille, jolle on ominaista hyvin vähäinen vesiliukoisuus. Näin ollen vesiliukoisuuden ja ei-vesiliukoisuuden määrittäminen määrittää parhaan mahdollisen formulointitavan hyvälle lääkeainekandidaatille.
Ihanteellinen liukoisuus antaa liuenneen aineen kyllästetyn pitoisuuden mooliosuutena, kun käytetään ihanteellista liuotinta, eli teoreettista tapausta, jossa liuennut aine liukenee liuottimeen ilman energianhäviötä liukenemisprosessin aikana. Käytännössä tämä ei ole mahdollista, koska liuottimen ja liuottimen vuorovaikutus ei yleensä ole ideaalinen ja liuottimen ja liuottimen välinen kemiallinen vuorovaikutus voi haitata liukenemisprosessia. Esimerkkejä näistä molekyylien välisistä vuorovaikutuksista ovat vetysidokset, dielektriset ominaisuudet ja dipolimomentti.
Vaikka molekyylin liukoisuuden määritysmenetelmänä käytetään UV-spektrofotometriaa, ihanteellinen liukoisuus voidaan laskea, kun aineen Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamispiste ja sulamisentalpia tunnetaan.
Mutta mitä ideaaliliukoisuus tarkoittaa termodynaamisessa liukoisuudessa?Termit?
Liukenemisprosessissa liuoksen ja liuenneen aineen väliset sidokset on rikottava. Näiden sidosten katkaisemiseen tarvittava energiapanos on yhtä suuri kuin kiinteän aineen sulattamiseen tarvittava energia eli fuusioentalpia(ΔHf). Toisaalta myös liuotin-liuotin-sidokset on katkaistava, kun taas liuotin-liuotin-sidoksia on muodostettava. Tähän viimeiseen vaiheeseen tarvittavaa energiaa voidaan kutsua sekoittumisen entalpian(ΔHmix) arvoksi. Liukenemisen entalpia on siis fuusioentalpian ja sekoittumisen entalpian summa:
ΔHsol = ΔHf + ΔHmix
Jos sekoittumisen entalpia on nolla, liukenemisen entalpia(ΔHsol) on yhtä suuri kuin sulamisen entalpia:
ΔHsol = ΔHf
Nämä ovat kiteisen aineen ihanteellisen liukenemisen termodynaamiset pääoletukset. Ihanteellinen liukeneminen johtaa ihanteelliseen liukoisuuteen.
Muiden oletusten mukaan ΔHf on positiivinen (fuusio on EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen tapahtuma), joten myös ΔHsol on positiivinen. Jotta spontaani reaktio tapahtuisi, Gibbsin energian(ΔG = ΔHf - TΔS) on kuitenkin oltava negatiivinen, joten entropian(S) on oltava positiivinen. Kun otetaan huomioon, että Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamislämpötila ja fuusioentalpia ovat riippumattomia koelämpötilasta ja että liukeneminen tuottaa kylläisen liuoksen, Van't Hoffin yhtälöä voidaan soveltaa seuraavasti:
Missä
x2 = lääkeaineen kyllästetty pitoisuus moolifraktioyksikkönä
ΔHf = fuusioentalpia (J/mol)
R = kaasuvakio (J/K∙mol)
T = annettu lämpötila (K)
Tm = Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamislämpötila (K)
Tuloksena saadaan liuenneen aineen kyllästetty pitoisuus ideaaliliuottimessa mooliosuutena. Toisin sanoen tämä olisi lääkkeen suurin saavutettavissa oleva pitoisuus parhaassa mahdollisessa liuottimessa. Aulton's Pharmaceutics -kirjassa [1] mainitaan esimerkki asetyylisalisyylihaposta. Asetyylisalisyylihapon (laskennallinen) ideaaliliukoisuus on 0,037 moolifraktiota; paras mainittu liuotin on tetrahydrofuraani (THF), jonka kokeellisesti määritetty liukoisuus on 0,036 moolifraktiota. THF on siis lähellä ihanteellista liuotinta asetyylisalisyylihapolle. On kuitenkin tärkeää pitää mielessä, että molekyylien väliset vuorovaikutukset voivat myös suosia liukenemista, jolloin kokeellinen liukoisuus on todennäköisesti suurempi kuin Van't Hoffin yhtälöllä arvioitu liukoisuus.
Asetyylisalisyylihapon DSC-käyrä ja sulamislämpötilan, (ekstrapoloidun) alkamislämpötilan ja sulamisentalpiatason (piikin alapuolinen pinta-ala) kokeelliset arvot on esitetty kuvassa 1. Molemmat arvot vastaavat hyvin National Institute of Standards and Technologyn (NIST) antamia viitearvoja, kuten taulukosta 1 käy ilmi.
Taulukko 1: Asetyylisalisyylihapon sulamislämpötilan ja fuusioentalpiamäärän kokeelliset arvot ja viitearvot
| Parametri | Experimentell | Viitearvo (NIST Chemistry WebBook*) |
|---|---|---|
| Sulamislämpötila (ekstrapoloitu alkamislämpötila) | 410.4 K (137,3°C) | 405 ± 10 K |
| Sulamisentalpia (piikin alapuolinen pinta-ala) | 29.7 kJ/mol (165 J/g) | 29.17 - 31,01 kJ/mol |
* https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C50782&Units=SI&Mask=4#Thermo-Phase
Varovaisuutta on noudatettava, jos analysoitava aine saattaa mahdollisesti hajota lämpöolosuhteissa DSC-mittauksen aikana. Kuvassa 2 esitetyn asetyylisalisyylihappoesimerkin tapauksessa määritettiin 1,01 prosentin massahäviö NETZSCH lämpövaakamittarilla (TGA). Tämä arvo on hyväksyttävä, koska ASTM E928-08:n mukaan 1 % on suurin massahäviö sulamisalueella. Jos TGA-menetelmää ei ole käytettävissä, upokkaan ja näytteen punnitseminen ennen ja jälkeen mittauksen on paras tapa seurata massahäviötä.
Faasimuutokset, kiinteän aineen ja kiinteän aineen vuorovaikutus, kemiallisen koostumuksen muutokset ja Purity Determination ovat esimerkkejä DSC:n sovelluksista. DSC on herkkä tekniikka, joka antaa tarkkoja ja täsmällisiä tuloksia.
Yhteenveto
Yhteenvetona voidaan todeta, että NETZSCH -salkun termoanalyyttisten menetelmien käyttö voi merkittävästi edistää lääkkeiden ihanteellisen liukoisuuden määrittämistä lääkekehitysprosessissa. Tarjoamalla arvokasta tietoa lääkeaineiden lämpöominaisuuksista DSC ja TGA voivat auttaa formuloijia ja tutkijoita optimoimaan lääkeainevalmisteita, jotta niiden biologinen hyötyosuus ja teho paranisivat.