Johdanto
Pakastekuivaus (lyofilisointi) on farmaseuttisessa teknologiassa laajalti käytetty tekniikka, jolla lämpökestävät aineet, kuten proteiinit tai liposomit, muutetaan ilman lämpökäsittelyä käyttökelpoisiksi ja varastoitaviksi. Liofilisoinnin tavoitteena on veden hellävarainen poistaminen liuoksista, jotta saadaan stabiili jauhe, jonka jäännöskosteus ja huokoisuus on määritelty.
Tuotteen koostumus vaikuttaa ratkaisevasti prosessiparametreihin ja siten myös tuloksena syntyvän lysifiolaatin tyyppiin, laatuun ja stabiilisuuteen. Dynaaminen pyyhkäisykalorimetria (DSC) antaa tärkeää tietoa sopivien olosuhteiden valintaa varten.
Lyofilisoitavat liuokset ovat yleensä monimutkaisia monikomponenttijärjestelmiä, jotka koostuvat vaikuttavista aineista, lisäaineista ja vedestä. Apuaineisiin kuuluvat mm. tonisointisuolat (isotonisuuden säätämiseksi), puskuriaineet, kryosuojat (suojaamiseksi vaurioilta jäädytyksen aikana) ja rakennusaineet, jotka antavat kylmäkuivatulle tuotteelle rakenteen. Sokerit, kuten sakkaroosi tai trehaloosi, ovat osoittautuneet erittäin tehokkaiksi proteiinien stabiloinnissa [5]. Seuraavat pohdinnat perustuvat sakkaroosiin malliaineena. Mainitut liuokset valmistettiin kaupallisesti saatavilla olevasta farmaseuttista sakkaroosista (Caesar & Loretz, Hilden) ja kahdesti tislatusta vedestä.
Liofilisointiprosessi voidaan yleensä jakaa kolmeen peräkkäiseen vaiheeseen:
Syväjäädytys
Sokeriliuoksilla on taipumus ylikyllästyä. Jäähdytettäessä muodostuu jäätä ja yhä viskoosisempaa sakkaroosiliuosta. Lisääntyvä viskositeetti vaikeuttaa diffuusioprosesseja, jotka olisivat välttämättömiä kiteytymiselle. Tämän seurauksena järjestelmä ei kiteydy, vaan jähmettyy alijäähtyneenä nesteenä ilman täydellistä faasierottelua (lasi). Maksimikonsentroidun liuoksen lasittumislämpötilaa kutsutaan Tg':ksi, ja se on ainekohtainen [3].
Jäähdytyksen aikana voidaan usein havaita alijäähtymistä. Parenteraaliseen käyttöön tarkoitetut (ruoansulatuskanavan kautta annosteltavat) lääkeliuokset, joiden on oltava hiukkasettomia, muodostavat ääritapauksen. Niissä ei käytännössä ole heterogeenisia epäpuhtauksia, jotka voisivat toimia kiteytymisytiminä. Siksi kiteiden muodostuminen tällaisissa liuoksissa on usein todennäköistä vasta, kun lämpötila lähestyy -40 °C:ta.
Kuvassa 2 on esitetty 10-prosenttisen sakkaroosiliuoksen jäätymiskäyttäytyminen. Näyte jäähdytettiin NETZSCH DSC 204 F1 -laitteella (ks. kuva 1) suljetussa alumiinisessa upokkaassa 5 K/min:n jäähdytysnopeudella. Alijäähdytetty liuos jähmettyy erittäin nopeasti -20 °C:ssa (ekstrapoloitu alkamislämpötila).
Karkeat kohdat upokkaan sisäpuolella tai valmistuksen aiheuttamat kontaminaation jäljet voivat toimia siemenkiteinä. Tästä syystä tällä tavoin määritettyjä jähmettymislämpötiloja ei yleensä voida korreloida käytettyjen sokeriliuosten pitoisuuksien kanssa.
Veden ja jään välisen siirtymän aikana ominaislämpö muuttuu 4,18 J/g-K:sta (vesi) 2,1 J/g-K:iin (jää, hieman jäätymispisteen alapuolella), mikä on ensisijaisesti vastuussa selvästä perusviivan siirtymästä ennen jähmettymis-/sulamispiikkiä ja sen jälkeen (kuva 2: veden ja jään välinen siirtymä - ja kuva 3: jään ja veden välinen siirtymä).
Tämän jälkeisessä lämmityksessä lämmitysnopeudella 5 K/min (kuva 3) maksimaalisesti väkevöidyn liuoksen lasisiirtymä näkyy -32 °C:ssa (keskipiste). Tämä arvo vastaa hyvin kirjallisuustietoja, joissa oletetaan -32 °C ja -33 °C [2], [4].
Lasisiirtymää seuraa kuumentamisen aikana EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen piikki (kuvan 3 sisäkuva), jonka ekstrapoloitu alkamislämpötila, Tm´, kuvaa jään sulamisen alkamista. Roosin [1] mukaan suurin "jäätymiskonsentraatio" voidaan havaita vain jäätymislämpötiloissa, jotka ovat Tg´:n ja Tm´:n välillä.
Sulamispiikin alapuolinen alue vastaa vapaan veden osuutta. Vertailupisteenä on jään sulamislämpö 333,7 J/g.
Alhaisen konsentraation liuoksissa sakkaroosin osuus voidaan määrittää vastaavan lasimuutoksen korkeuden perusteella. Kuvassa 4 on esitetty, että 5, 10 ja 20 prosentin liuosten askelkorkeudet (ΔOminaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-arvot), joiden tulokset ovat 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K ja 0,516 J/g-K, ovat erittäin hyvässä yhteisymmärryksessä konsentraation skaalautumisen kanssa kertoimella 2, kun taas lasisiirtymälämpötilat pysyvät suurelta osin vakioina. Porraskorkeuden ja konsentraation välillä on lineaarinen suhde (kuva 5).
Lisäksi sakkaroosiliuosten pitoisuuden kasvaessa jään sulamisen alkamislämpötila (ekstrapoloitu alkamislämpötila) siirtyy pienempiin arvoihin kuvassa 6. Suuremmilla pitoisuuksilla tämä johtaa siihen, että maksimikonsentroidun liuoksen lasisiirtymän ja vapaan veden sulamisen alkamisen välinen aika on pienempi.
Jotkin amorfiset aineet kiteytyvät uudelleen, kun niitä kuumennetaan lasilämpötilan yläpuolelle. Tätä devitrifikaatioksi tai kylmäkiteytymiseksi kutsuttua vaikutusta voidaan käyttää hyväksi lyofilisaatin huokoisuuden ja jäännöskosteuden muuttamiseksi [2] karkaisemalla materiaali uudelleenkiteytymislämpötilan (ekstrapoloitu alkamislämpötila) yläpuolelle. Uudelleenkiteytymisen seurauksena tapahtuu faasierottelu ja vapautuva "jäätymätön" vesi muuttuu jääksi. Kuten kuvasta 3 käy ilmi, sakkaroosin tapauksessa ei kuitenkaan tapahdu jälkikiteytymistä.
Ensisijainen kuivaus
Tässä vaiheessa jäädytetty jää poistetaan tyhjiössä sublimoitumalla (siirtyminen kiinteästä olomuodosta kaasumaiseen olomuotoon).
Tämän prosessin aikana - jossa lämpöä syötetään ulkopuolelta - tuotteen lämpötila ei saa nousta lasittumislämpötilan yläpuolelle, koska se johtaa runkorakenteen pehmenemiseen ja järjestelmän romahtamiseen [5]. Kuivausvaiheessa tapahtuvaa runkorakenteen tuhoutumista kutsutaan romahdukseksi.
Vaikka romahduslämpötilojen on raportoitu olevan keskimäärin 1-5 K korkeampia kuin vastaavat lasisiirtymälämpötilat [6], niiden sijainnin kannalta hyviä vertailukohtia ovat maksimikonsentroitujen liuosten lasisiirtymät, Tg´, jotka voidaan määrittää DSC:n avulla.
Toissijainen kuivaus
Tässä vaiheessa tuote kuivataan haluttuun lopulliseen kosteustasoon desorboimalla matriisin sisältämä vesi hitaasti lämpötilaa nostamalla.
Amorfisissa lyofilisaateissa veden on diffundoitava lasifaasista pinnalle. Tämä melko hidas prosessi on syynä siihen, että kuivauksen jälkeinen vaihe on usein se, joka määrittää amorfisten lysiofilaattien kylmäkuivauksen nopeuden [2].
Veden pehmentävän vaikutuksen vuoksi amorfisen faasin lasisiirtymälämpötila on suoraan yhteydessä siihen sitoutuneeseen vesipitoisuuteen. Kuivatuksen edetessä Tg (sakkaroosin lasisiirtymä kiinteänä aineena) kasvaa; sen sijainti voidaan myös määrittää nopeasti ja tarkasti DSC:n avulla.
Päätelmä
Primaarikuivausprosessin suunnittelun kannalta olennaisia ominaisuuksia ovat maksimaalisen konsentroidun liuoksen lasittumislämpötila (Tg´) ja romahduslämpötila, jossa materiaali pehmenee niin, että se ei enää pysty tukemaan omaa rakennettaan ja alkaa virrata. DSC:n (joskus TM-DSC*) avulla Tg´voidaan määrittää helposti.
Luhistumislämpötila on hieman korkeampi kuin Tg´; Tg´:n ja luhistumislämpötilan välinen tarkka väli riippuu valmisteesta.