Introduction
La lyophilisation est une technique largement utilisée dans les technologies pharmaceutiques pour transformer des substances thermolabiles telles que les protéines ou les liposomes - sans traitement thermique - en formes utilisables et stockables. L'objectif de la lyophilisation est d'éliminer en douceur l'eau des solutions afin d'obtenir une poudre stable dont l'humidité résiduelle et la porosité sont définies.
La composition d'un produit a une influence décisive sur les paramètres du processus et donc sur le type, la qualité et la stabilité du lyophilisat obtenu. La calorimétrie dynamique à balayage (DSC) fournit des informations importantes pour la sélection des conditions appropriées.
Les solutions à lyophiliser sont généralement des systèmes complexes à plusieurs composants composés d'ingrédients actifs, d'additifs et d'eau. Les auxiliaires comprennent des sels tonifiants (pour l'ajustement de l'isotonicité), des substances tampons, des cryoprotecteurs (pour la protection contre les dommages causés par la congélation) et des adjuvants qui donnent une structure au produit lyophilisé. Les sucres tels que le saccharose ou le tréhalose se sont avérés très efficaces pour stabiliser les protéines [5]. Les considérations suivantes sont basées sur le saccharose comme substance modèle. Les solutions mentionnées ont été produites à partir de saccharose de qualité pharmaceutique disponible dans le commerce (Caesar & Loretz, Hilden) et d'eau bidistillée.
Le processus de lyophilisation peut généralement être divisé en 3 étapes consécutives :
Congélation
Les solutions de sucre ont tendance à sursaturer. Lors du refroidissement, de la glace et une solution de saccharose de plus en plus visqueuse se forment. L'augmentation de la viscosité complique les processus de diffusion qui seraient nécessaires à la CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation. Par conséquent, le système ne cristallise pas mais se solidifie sous la forme d'un liquide sous-refroidi sans séparation complète des phases (verre). La température de transition vitreuse de la solution la plus concentrée est appelée Tg' et est spécifique à chaque substance [3].
Pendant le refroidissement, on observe souvent un phénomène de surfusion. Les solutions pharmaceutiques pour application parentérale (administration évitant le tractus gastro-intestinal), qui doivent être exemptes de particules, représentent un cas extrême. Elles ne contiennent pratiquement pas d'impuretés hétérogènes susceptibles d'agir comme des noyaux de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation. Par conséquent, la nucléation des cristaux dans ces solutions n'est souvent probable que lorsque la température approche les -40°C.
Le comportement de congélation d'une solution de saccharose à 10 % est illustré à la figure 2. F1 L'échantillon a été refroidi avec le DSC 204 NETZSCH (voir figure 1) dans un creuset en aluminium fermé à une vitesse de refroidissement contrôlée de 5 K/min. La solution surfondue se solidifie extrêmement rapidement à -20°C (température d'apparition extrapolée).
Des aspérités à l'intérieur du creuset ou des traces de contamination dues à la préparation peuvent servir de germes de cristaux. C'est pourquoi les températures de solidification déterminées de cette manière ne peuvent généralement pas être corrélées avec la concentration des solutions de sucre utilisées.
Lors de la transition eau-glace, la chaleur spécifique passe de 4,18 J/g-K (eau) à 2,1 J/g-K (glace, juste en dessous du point de congélation), ce qui est principalement responsable du décalage net de la ligne de base avant et après le pic de solidification/Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion (figure 2 : transition eau-glace - et figure 3 : transition glace-eau).
Lors du chauffage suivant à une vitesse de 5 K/min (figure 3), la transition vitreuse de la solution la plus concentrée apparaît à -32°C (point médian). Cette valeur est en bon accord avec les données de la littérature qui supposent -32°C et -33°C [2], [4].
La transition vitreuse est suivie d'un pic EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique pendant le chauffage (encadré dans la figure 3), dont la température d'apparition extrapolée, Tm', décrit le début de la fonte de la glace. Selon Roos [1], la "concentration de gel" maximale ne peut être observée qu'à des températures de gel comprises entre Tg' et Tm'.
La zone située sous le pic de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion correspond à la portion d'eau libre. Le point de référence ici est la chaleur de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de la glace de 333,7 J/g.
Dans les solutions à faible concentration, la proportion de saccharose peut être déterminée à partir de la hauteur de la transition vitreuse correspondante. Dans la figure 4, les hauteurs de marche (valeurs ΔCapacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp) pour des solutions à 5 %, 10 % et 20 % - avec des résultats de 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K et 0,516 J/g-K - sont en très bon accord avec une mise à l'échelle de la concentration par un facteur de 2, tandis que les températures de transition vitreuse restent en grande partie constantes. Il existe une relation linéaire entre la hauteur des marches et la concentration (fig. 5).
En outre, à mesure que la concentration des solutions de saccharose augmente, le début de la fonte de la glace (température d'apparition extrapolée) est décalé vers des valeurs plus faibles dans la figure 6. À des concentrations plus élevées, cela se traduit par un intervalle plus court entre la transition vitreuse de la solution la plus concentrée et le début de la fonte de l'eau libre.
Certaines substances amorphes cristallisent à nouveau lorsqu'elles sont chauffées à une température supérieure à la température du verre. Cet effet, appelé dévitrification ou CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation à froid, peut être utilisé pour modifier la porosité et l'humidité résiduelle du lyophilisat [2] en tempérant le matériau au-dessus de la température de recristallisation (début extrapolé). En raison de la recristallisation, une séparation de phase se produit et l'eau "non congelée" libérée se transforme en glace. Comme le montre la figure 3, il n'y a pas de Post-cristallisation (cristallisation à froid)La postcristallisation des plastiques semi-cristallins se produit principalement à des températures élevées et avec une mobilité moléculaire accrue au-dessus de la transition vitreuse.post-cristallisation dans le cas du saccharose.
Séchage primaire
Au cours de cette étape, la glace congelée est éliminée sous vide par sublimation (passage de l'état solide à l'état d'agrégat gazeux).
Au cours de ce processus - au cours duquel la chaleur est fournie par l'extérieur - la température du produit ne doit pas dépasser la température de transition vitreuse, car cela entraîne un ramollissement de la structure de l'armature et l'effondrement du système [5]. La destruction de la structure de l'armature pendant la phase de séchage est appelée effondrement.
Bien que les températures d'effondrement rapportées soient en moyenne 1 à 5 K plus élevées que les températures de transition vitreuse correspondantes [6], les transitions vitreuses des solutions les plus concentrées, Tg', qui peuvent être déterminées au moyen de la DSC, constituent de bons points de référence pour leur position.
Séchage secondaire
Au cours de cette étape, le produit est séché jusqu'au niveau d'humidité final souhaité en désorbant l'eau contenue dans la matrice par une lente augmentation de la température.
Dans les lyophilisats amorphes, l'eau doit se diffuser de la phase vitreuse vers la surface. Ce processus plutôt lent est la raison pour laquelle l'étape de post-séchage est souvent celle qui détermine la vitesse de lyophilisation des lyophilisats amorphes [2].
En raison de l'effet adoucissant de l'eau, la température de transition vitreuse de la phase amorphe est directement liée à la teneur en eau emprisonnée. Au fur et à mesure de la déshydratation, la Tg (la transition vitreuse du saccharose en tant que solide) augmente ; sa position peut également être déterminée rapidement et précisément à l'aide de la DSC.
Conclusion
Les caractéristiques essentielles pour la conception du processus de séchage primaire sont la température de transition vitreuse de la solution la plus concentrée (Tg') et la température d'effondrement à laquelle le matériau se ramollit au point de ne plus pouvoir soutenir sa propre structure et de commencer à s'écouler. La DSC (parfois appelée TM-DSC*) permet de déterminer facilement la Tg'.
La température d'effondrement est légèrement supérieure à la Tg' ; l'intervalle exact entre la Tg' et la température d'effondrement dépend de la formulation.