13.08.2020 by Dr. Gabriele Kaiser
DSC:n rooli liofiilisointiprosesseissa
Monet vaikuttavista lääkeaineista (API) tai valmisteista, erityisesti biolääkkeisiin perustuvat, ovat lämpöherkkiä ja epävakaita vesiliuoksissa. Erityisesti jälkimmäinen ominaisuus on erittäin epäsuotuisa, jos ne on tarkoitus antaa injektoitavana lääkemuotona, kuten rokotteina. Paremman stabiilisuuden ja pidemmän säilyvyysajan saavuttamiseksi tällaiset lääkeaineet on kuivattava. Niiden termoloituvuuden vuoksi vettä ei kuitenkaan voida poistaa pelkästään kuumentamalla. Pakkaskuivaus tai lysifilisointi on hellävarainen vaihtoehto, jolla vaikuttavia aineita ja/tai vaikuttavien aineiden ja apuaineiden seoksia voidaan muuttaa käyttökelpoisiksi ja varastoitaviksi ilman lämpökäsittelyä.
Lue, miten lämpöanalyysi voi auttaa määrittämään pakkaskuivausprosessin parametrit.
Pakastekuivausprosessi koostuu kolmesta vaiheesta
Jäädytysvaihe, niin sanottu "primäärikuivaus" ja lopuksi "sekundäärikuivaus".
- Jäädytysvaihe, jonka aikana aine jäädytetään valitulla jäädytysnopeudella
- Niin sanottu "ensisijainen kuivaus": Jää poistetaan pakastekonsentroidusta liuoksesta sublimoimalla alennetussa paineessa. Tässä vaiheessa tuotteen lämpötila on yleensä noin -35 °C:sta -20 °C:een.
- "Toinen kuivaus": Lämpötilaa nostetaan edelleen tuotteen kuivaamiseksi lopulliseen kosteustasoon matriisin sisältämän veden desorptioinnin avulla. Jotta kakku olisi stabiili, sen vesipitoisuus saa olla enintään 1 % [1].
Lääkeaineen aktiivisuushäviön välttämiseksi lisätään yleensä kryo- tai lyosuojakemikaaleja, kuten sokereita (esim. sakkaroosia tai trehaloosia) tai polymeerejä.
Romahduslämpötila on ratkaiseva
Kriittinen parametri lyofilointiprosessin asetusten kannalta on romahduslämpötila, jota kutsutaan usein Tc:ksi. Tässä lämpötilassa materiaali joko sulaa tai pehmenee niin, että se ei enää pysty tukemaan omaa rakennettaan ja alkaa virrata. Tästä syystä aine on pidettävä Tc:n alapuolella "alkukuivausvaiheessa". Liian alhainen prosessilämpötila johtaa kuitenkin liian hitaaseen etenemiseen, jota ei voida hyväksyä. Siksi on tärkeää tietää kriittisen lämpötilan arvo. Kiteisten järjestelmien osalta suurin sallittu lämpötila vastaa eutektista sulamislämpötilaa [1-3]. Vasta tämän pisteen alapuolella järjestelmä on täysin kiinteä. Useimmat kylmäkuivatut valmisteet sisältävät kuitenkin amorfisia faaseja, ja tällöin romahduslämpötila on lähellä maksimissaan kylmäkonsentroidun liuenneen aineen lasittumislämpötilaa (Tg´). Monissa tapauksissa Tc on hieman korkeampi kuin Tg´, mutta tarkka ero näiden kahden lämpötilan välillä riippuu formulaatiosta [2].
DSC (Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria) määrittää Tg´..
DSC-laitteet on suunniteltu havaitsemaan materiaalien ominaislämpökapasiteetin muutokset, jotka tapahtuvat lasimuutoksen aikana. Kuvassa 1 esitetään DSC-signaali jäädytetyn 10-prosenttisen sakkaroosiliuoksen kuumentamisen aikana. Jäädytys ja lämmitys suoritettiin laitteella nopeudella 5 K/min. Maksimikonsentroidun liuoksen arvioitu lasisiirtymälämpötila (Tg´, tässä keskipisteenä) on -32 °C ja vastaa hyvin kirjallisuusarvoja [4]. Endotermisen askeleen korkeus ilmaistaan ΔOminaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp:nä, ja se on tässä 0,28 J/(gK).
Kuten edellä mainittiin, Tg' on monissa valmisteissa hieman romahduslämpötilan alapuolella, joten se on melko varovainen yläraja, vaikka tällä ei ole vaikutusta lopputuotteen laatuun. Jos lasisiirtymävaiheen kanssa on päällekkäin relaksaatiovaikutuksia tai kiteytymishuippuja, jotka liittyvät johonkin formulaation komponenttiin, lämpötilamoduloitu DSC (TM-DSC tai mt-DSC) voi auttaa erottamisessa.
... ja kuivatun tuotteen lasittumislämpötila
Monet lyofilisoidut tuotteet pysyvät kuivauksen jälkeen amorfisessa muodossaan. Koska vedellä on pehmentävä vaikutus, amorfisen faasin lasittumislämpötila on suoraan yhteydessä siihen sisältyvään jäännösvesipitoisuuteen. Näin ollen DSC:tä voidaan käyttää myös materiaalin kuivaustilan määrittämiseen. Kirjallisuus: [1] E. Meister ja H. Gieseler, A significant comparison between collapse and Glass Transition TemperatureThe glass transition is one of the most important properties of amorphous and semi-crystalline materials, e.g., inorganic glasses, amorphous metals, polymers, pharmaceuticals and food ingredients, etc., and describes the temperature region where the mechanical properties of the materials change from hard and brittle to more soft, deformable or rubbery.glass transition temperatures, European Pharmaceutical Review, online, syyskuu 2008 https://www.europeanpharmaceuticalreview . com/article/1479/a-significant-comparison-between-collapse-and-glass-transition-temperatures/ [2] V. Kett, Development of Freeze-dried Formulations Using Thermal Analysis and Microscopy (Pakastekuivattujen valmisteiden kehittäminen lämpöanalyysin ja mikroskopian avulla), American Pharmaceutical Review, online, syyskuu 2010 https://www.americanpharmaceuticalreview.com/Featured-Articles/36885-Development-of-Freeze-dried-Formulations-Using-Thermal-Analysis-and-Microscopy/ [3] H. Schiffter-Weinle, Immer schön trocken bleiben, Deutsche Apothekerzeitung, online https://www.deutsche-apotheker-zeitung.de/daz-az/2016/daz-44-2016/immer-schoen-trocken-bleiben [4] F. Franks, Freeze-drying of bioproducts: putting principles into practice, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 1998, 45, s 221-229