Johdanto
Seuraavassa selitetään joitakin lääkealalle ominaisia termejä:
- LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). Lämpöstabiilisuus
- Yhteensopivuus
- PolymorfismiPolymorfismi on kiinteän aineen kyky muodostaa erilaisia kiderakenteita (synonyymit: muodot, muunnokset).Polymorfismi
- Pseudopolymorfismi
1. Lämpöstabiilisuus
Standardissa ASTM E2550 materiaalin lämpöstabiilisuutta kuvataan "lämpötilana, jossa materiaali alkaa hajota tai reagoida, ja massanmuutoksen laajuutena termogravimetriaa käyttäen". Siinä lisätään, että "reaktion tai hajoamisen puuttumista käytetään lämpöstabiilisuuden osoituksena".
Kuvassa 1 esitetään asetyylisalisyylihapon TGA-käyrä kuumentamisen aikana 600 °C:seen typpi-ilmakehässä.
Havaitaan kaksi massahäviövaihetta, jotka on helppo tunnistaa DTG-käyrän kahdesta piikistä (TGA-käyrän1. derivaatta). TGA-FT-IR-tutkimukset osoittivat, että ensimmäisen vaiheen aikana kehittyy etikkahappoa (pääosa) ja salisyylihappoa. Toisen vaiheen aikana vapautuu salisyylihappoa jahiilidioksidia (joka syntyy asetyy asetyylisalisyylihapon edelleen hajotessa) [1].
Kukin näistä massahäviövaiheista määräytyy seuraavasti:
- lämpötila
- massan muutos
Teoreettisesti massahäviövaiheelle voidaan esittää kolme lämpötilaa:
- DTG:n huippulämpötila (TGA-käyrän 1. derivaatta)
- Ekstrapoloitu alkamislämpötila standardin ISO 11358-1 mukaisesti. Tämä on "mittauksen alussa olevan perusviivan ja TGA-käyrän tangentin leikkauspiste suurimman gradientin kohdalla"
Alkamislämpötila ASTM E2550 -standardin mukaisesti. Tämä on "TGA-käyrän piste, jossa havaitaan ensimmäisen kerran poikkeama ennen lämpötapahtumaa määritetystä perusviivasta"
Esitetyssä esimerkissä ensimmäinen massahäviö tapahtuu 161 °C:ssa (DTG-käyrän huippu, kuva 1), 143 °C:ssa (TGA-käyrän ekstrapoloitu alkamislämpötila, kuva 1) tai 102 °C:ssa (alkamislämpötila ASTM E2550:n mukaan, kuva 2). Tätä kolmatta arvoa käytetään lämpöstabiilisuuden arvioinnissa.
Menetelmä rajoittuu materiaaleihin, jotka reagoivat tai hajoavat tutkittavalla lämpötila-alueella, eikä sitä voida käyttää sublimoitumiseen tai höyrystymiseen.
Mittausolosuhteita koskevat huomautukset:
Koska tuloksiin vaikuttavat näytteen massa, ilmakehä (kaasu ja virtausnopeus), lämmitysnopeus ja upokkaiden tyyppi, on tärkeää mainita mittausolosuhteet. Samasta syystä kahden näytteen tuloksia voidaan vertailla vain, jos mittaukset suoritetaan täsmälleen samoissa olosuhteissa.
Yleisesti ottaen suositellaan seuraavia mittausolosuhteita:
- Näytteen massa: 1-10 mg, esimerkiksi 5 mg
- Lämmitysnopeus: 10-20 K/min (energisten reaktioiden osalta alhaisempi: 1-10 K/min)
- Ilmakehän virtausnopeus: 20-100 ml/min
Esitetyssä esimerkissä asetyylisalisyylihapon LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus 102 °C:ssa on annettu mittaukselle dynaamisessa typpi-ilmakehässä (kaasuvirtaus: 40 ml/min), joka on tehty 5 mg:n näytteelle lämmitysnopeudella 10 K/min (kuva 2).
Analyysi Kinetics Neo
Termogravimetrinen mittaus osoittaa lämpötilan vaikutuksen materiaaliin tietyssä ilmakehässä. Jos havaittu massahäviö on riippuvainen lämmitysnopeudesta, on mahdollista käyttää TGA-mittauksia eri lämmitysnopeuksilla reaktion kineettisen analyysin tekemiseen. Tätä varten NETZSCH tarjoaa Kinetics Neo -ohjelmiston. Sen avulla voidaan mallintaa yksivaiheisten tai monivaiheisten reaktioiden kinetiikkaa. Ohjelmistolla voidaan luokitella kukin yksittäinen vaihe eri reaktiotyyppeihin, joilla on omat kineettiset parametrit, kuten aktivoitumisenergia, reaktiojärjestys ja esieksponentiaalikerroin. Tulosten perusteella Kinetics Neo pystyy simuloimaan reaktion (reaktiot) käyttäjän määrittelemille lämpötilaohjelmille, esimerkiksi pitkäaikaisisotermien osalta. Siksi Kinetics Neo avulla lasketut ennusteet tuottavat tietoa säilyvyydestä materiaalin termisen stabiilisuuden osalta eli siitä, kuinka kauan se pysyy stabiilina määritellyissä ilmakehä- ja lämpötilaolosuhteissa.
Lämpöstabiilisuuden määrittäminen
Esimerkki säilyvyysajan määrittämisestä lääkevalmisteen lämpöstabiilisuuden osalta on selitetty osoitteessa NETZSCH Application Note 122 [2].
Huomautuksia lääkkeen säilyvyysajan määrittämisestä lämpöstabiilisuuden suhteen:
- Suoritetaan TGA-mittaukset eri lämmitysnopeuksilla
- Suoritetaan kinetiikan arviointi Kinetics Neo
- Käytä määritettyä kinetiikkamallia ennustamaan näytteen käyttäytymistä määritetyissä lämpötiloissa ja aikoina
- Validoi kineettinen malli vertaamalla mittausta isotermisessä lämpötilassa Kinetics Neo laskettuun käyrään.
Tärkeitä huomautuksia:
- Myös muut tekijät kuin lämpötila ja ilmakehä vaikuttavat tuotteen säilyvyysaikaan, esim. kosteus, valo tai sekoitettavuuden heikkeneminen voiteiden tapauksessa. Siksi TGA:lla ja Kinetics Neo tehdyt ennusteet eivät anna tietoa tuotteen täydellisestä säilyvyydestä, vaan ainoastaan sen säilyvyydestä lämpöstabiilisuuden osalta.
- Ennusteet pätevät aineille, jotka ovat samassa fysikaalisessa tilassa ennustamislämpötilassa ja hajoamisen alkamislämpötilassa. Jos aine on huoneenlämmössä kiinteässä tilassa ja sulaa ennen hajoamisen alkamista, hajoamisen kineettinen analyysi pätee vain nestemäiseen tilaan. Tällaisessa tapauksessa lasketun mallin avulla ei voida tehdä ennusteita sulamispistettä alhaisemmissa lämpötiloissa.
2. Yhteensopivuus
Yleensä lääkevalmiste sisältää yhden vaikuttavan lääkeaineen ja useita apuaineita.
Vaikuttava farmaseuttinen aine, jota kutsutaan myös API:ksi (Active Pharmaceutical Ingredient), on aine, jolla on "suora vaikutus sairauden diagnosointiin, parantamiseen, lieventämiseen, hoitoon tai ennaltaehkäisyyn" [3].
Eri apuaineilla on erilaisia tavoitteita: ne voivat helpottaa valmistusprosessia, parantaa lopputuotteen ulkonäköä (väri, maku) ja auttaa vaikuttavaa ainetta kulkeutumaan oikein.
Apuaineiden läsnäolo valmisteessa ei saisi vaikuttaa lääkkeen tehoon, pysyvyyteen tai turvallisuuteen. Toisin sanoen olisi varmistettava, että vaikuttava aine ja apuaineet ovat yhteensopivia.
Alustavia tietoja lääkeaineen ja apuaineen yhteensopivuudesta voidaan saada lämpöanalyysillä, tarkemmin sanottuna DSC:llä ja TGA:lla.
Huomautuksia vaikuttavan aineen ja apuaineen vuorovaikutusten määrittämisestä:
- Suoritetaan DSC- ja TGA-mittaukset vaikuttavalle aineelle ja erikseen apuaineelle
- Sekoitetaan API ja apuaine (50/50 paino)
- Tehdään DSC- ja TGA-mittaukset API:n ja apuaineen seoksesta
API:n, apuaineen ja seosten DSC-käyrät
Kuvassa 3 esitetään, miten DSC-käyrät antavat tietoa kahden komponentin välisestä mahdollisesta vuorovaikutuksesta. Tuloksena saatu DSC-käyrä, joka osoittaa, että API:n ja apuaineen välillä ei ole vuorovaikutusta (kuva 3c), osoittaa, että apuaine on suositeltava API:ta käyttävään formulaatioon. Uuden piikin esiintyminen seoksessa, piikin häviäminen tai sulamispiikin muuttuminen (muodon, sijainnin tai entalpian suhteen) osoittaa, että kahden komponentin välillä on vuorovaikutus (kuva 3d). Tämä ei kuitenkaan välttämättä tarkoita, että lääke ja apuaine eivät ole yhteensopivia. Yhteensopimattomuuden vahvistamiseksi olisi tehtävä lisätutkimuksia muilla tekniikoilla (röntgenkuvaus, spektroskopia, kromatografia jne.).
a) API:n DSC-käyrä, jossa on sulamispiikki
b) apuaineen DSC-käyrä, jossa on sulamispiikki
c) DSC-käyrä seokselle API + apuaine ilman vuorovaikutusta näiden kahden komponentin välillä. Yksi sulamispiikki havaitaan samassa lämpötilassa kuin yksittäisten komponenttien DSC-käyrissä. Tämä tarkoittaa, että API ja apuaine ovat yhteensopivia.
c) DSC-käyrä seokselle API + apuaine ilman vuorovaikutusta näiden kahden komponentin välillä. Yksi sulamispiikki havaitaan samassa lämpötilassa kuin yksittäisten komponenttien DSC-käyrissä. Tämä tarkoittaa, että API ja apuaine ovat yhteensopivia.
NETZSCH -arviointiohjelmiston superpositio-ominaisuus mahdollistaa sellaisen käyrän kuvaamisen, joka saataisiin seokselle, jos kahden komponentin välillä ei olisi vuorovaikutusta. Tätä varten yksittäisten aineiden käyrät ladataan arviointiohjelmistoon ja lasketaan "päällekkäinen" käyrä. Tämän jälkeen on hyvin helppoa verrata seoksen mitattua käyrää ja superposition avulla laskettua käyrää.
Kuvissa 4 ja 5 näytetään, miten toimitaan diklofenaakin natriumin ja magnesiumstearaatin esimerkin avulla. DSC- ja TGA-mittaukset suoritettiin. Kuvissa 4a ja 5a esitetään näiden kahden aineen DSC- ja TGA-käyrät kuumentamisen aikana.
Magnesiumstearaatin DSC-käyrässä havaittu EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen piikki huoneenlämpötilan ja 130 °C:n välillä (kuva 4a, punainen käyrä, yläosa) johtuu osittain veden haihtumisesta. Se vastaa TGA-käyrän massahäviötä (4,1 %) tällä lämpötila-alueella. Veden vapautumishuippu on päällekkäinen magnesiumstearaatin sulamisen kanssa [9].
Diklofenaakin natriumissa (kuva 4a, sininen käyrä alla) näkyy EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen huippu 291 °C:ssa, joka vastaa sen sulamista. Välittömästi sulamista seuraava EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen prosessi liittyy 46 prosentin massahäviöön ja johtuu diklofenaakin hajoamisesta.
SuperPosition-menetelmän (kuvat 4b, 5b) avulla voidaan verrata seoksen mitattua käyrää laskettuun käyrään, joka saataisiin, jos vuorovaikutusta ei olisi. Jos näiden kahden käyrän välillä ei ole eroa, se viittaa yhteensopivaan seokseen.
Tässä esimerkissä seoksen HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen alkaa 278 °C:ssa eli alhaisemmassa lämpötilassa kuin pelkän apuaineen tapauksessa (kuva 5c). Diklofenaakille tyypillistä sulamispiikkiä ei enää esiinny seoksessa. Sen sijaan havaitaan laaja EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen piikki 264 °C:ssa (kuva 4c).
Se, että esimerkissä havaitaan eroja, osoittaa, että diklofenaakin natriumin ja magnesiumstearaatin välillä on vuorovaikutusta (kuvat 4c ja 5c).
Toinen esimerkki diklofenaakin natriumin ja eri apuaineiden yhteensopivuustutkimuksesta DSC:n ja TGA:n avulla on esitetty osoitteessa NETZSCH Application Note 120 [4].
3. Polymorfismi
PolymorfismiPolymorfismi on kiinteän aineen kyky muodostaa erilaisia kiderakenteita (synonyymit: muodot, muunnokset).Polymorfismi on materiaalin kyky esiintyä useammassa kuin yhdessä kidemuodossa. Lääkeaineen eri polymorfisia muotoja kutsutaan yleensä α, β, ... tai I, II, ... tai A, B, ..., jolloin muunnos α/I/A on stabiilin.
Lääketeollisuudessa polymorfisuus on hyvin haastavaa, koska vaikka kahdella polymorfisella aineella on sama kemiallinen koostumus, niiden ominaisuudet eroavat toisistaan. Koska polymorfinen aine voi muuttaa rakennettaan ajan myötä, sen biologisessa hyötyosuudessa, fysikaalisissa ominaisuuksissa, stabiilisuudessa jne. voi tapahtua odottamattomia muutoksia varastoinnin aikana. Tästä syystä sekä patentin rekisteröinnin kannalta on ratkaisevan tärkeää olla tietoinen ja tuntea kaikki polymorfisen aineen mahdolliset muunnokset sekä kunkin aineen ominaisuudet, stabiilisuus ja laatu.
Kuvassa 6 esitetään parasetamolin DSC-mittaus. Tällä vaikuttavalla farmaseuttisella aineella (API) on kolme modifikaatiota, jotka ovat I, II ja III. Modifikaatio III on epästabiili ja siten vaikea karakterisoida. Modifikaatiot I ja II eroavat toisistaan termodynaamisen stabiilisuutensa ja puristuskykynsä suhteen. Ne voidaan helposti tunnistaa DSC:n avulla, koska 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 havaitaan eri lämpötiloissa. Sulamispiikki 169 °C:ssa (ekstrapoloitu alkamislämpötila, vihreä käyrä) on tyypillinen monokliiniselle muodolle. Se on muunnos, jolla on korkein 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 joka on myös stabiilein. Huippu 157 °C:ssa (ekstrapoloitu alkamislämpötila, sininen käyrä) kuuluu ortorhombiseen muotoon, jolla on paremmat puristusominaisuudet [5, 6].
Vaikka muoto II voitaisiin puristaa suoraan ilman apuaineen lisäämistä puristettavuuden parantamiseksi, kaupallinen parasetamoli valmistetaan monokliinisestä muodosta (muoto I) sen paremman stabiilisuuden vuoksi [7, 8].
Muita esimerkkejä polymorfisen aineen eri modifikaatioiden karakterisoinnista annetaan osoitteessa NETZSCH Application Note 127 [10].
4. Pseudopolymorfismi
Kahdella pseudopolymorfisella modifikaatiolla on erilaiset kidemuodot, jotka johtuvat hydrataatiosta tai liuotuksesta.
Solvaatissa liuotinmolekyylit ovat kietoutuneet aineen kiderakenteeseen. Jos tämä sisältää enemmän kuin kaksi liuotinta, sitä kutsutaan heterosolvatiksi.
Hydraatissa liuotin yhdessä lääkeaineen kanssa on vesi.
Solvaattien ja hydraattien karakterisointi suoritetaan termogravimetrialla, johon mahdollisesti yhdistetään kehittynyt kaasuanalyysi. TGA-mittauksella saadaan tietoa näytteessä olevan liuottimen/veden määrästä ja näin ollen liuotus-/hydrataatioasteesta. Kytkennällä voidaan tunnistaa kuumentamisen aikana vapautuvat liuottimet.
Päätelmä
Lämpöanalyysin, erityisesti DSC:n ja TGA:n, avulla voidaan tutkia vaikuttavan aineen ja apuaineiden erilaisia ominaisuuksia. Näin voidaan puolestaan määrittää lääkeaineiden LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus, yhteensopivuus sekä PolymorfismiPolymorfismi on kiinteän aineen kyky muodostaa erilaisia kiderakenteita (synonyymit: muodot, muunnokset).polymorfismi ja pseudopolymorfismi.