Pendahuluan
Pengeringan beku (liofilisasi) adalah teknik yang banyak digunakan dalam teknologi farmasi untuk mengubah zat termolabil seperti protein atau liposom - tanpa perlakuan termal - menjadi bentuk yang dapat digunakan dan disimpan. Tujuan liofilisasi adalah menghilangkan air secara perlahan dari larutan untuk mendapatkan bubuk yang stabil dengan kelembapan dan porositas yang ditentukan.
Komposisi produk memiliki pengaruh yang menentukan pada parameter proses dan dengan demikian juga berpengaruh pada jenis, kualitas dan stabilitas liofilisat yang dihasilkan. Kalorimetri pemindaian dinamis (DSC) memberikan informasi penting untuk pemilihan kondisi yang sesuai.
Larutan yang akan diliofilisasi biasanya merupakan sistem multi-komponen kompleks yang terdiri dari bahan aktif, bahan tambahan, dan air. Bahan pembantu termasuk garam pengencang (untuk penyesuaian isotonisitas), zat penyangga, krioprotektor (untuk perlindungan terhadap kerusakan selama pembekuan) dan bahan pembangun yang memberikan struktur pada produk kering-beku. Gula seperti sukrosa atau trehalosa telah terbukti sangat efektif dalam menstabilkan protein [5]. Pertimbangan berikut didasarkan pada sukrosa sebagai zat model. Larutan yang disebutkan dihasilkan dari sukrosa yang tersedia secara komersial dengan kualitas farmasi (Caesar & Loretz, Hilden) dan air suling ganda.
Proses liofilisasi secara umum dapat dibagi menjadi 3 langkah berurutan:
Pembekuan Dalam
Larutan gula cenderung terlalu jenuh. Setelah didinginkan, es dan larutan sukrosa yang semakin kental akan terbentuk. Peningkatan viskositas mempersulit proses difusi, yang diperlukan untuk KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi. Akibatnya, sistem tidak mengkristal tetapi membeku sebagai cairan yang kurang dingin tanpa pemisahan fase yang lengkap (gelas). Suhu transisi gelas dari larutan yang terkonsentrasi secara maksimal disebut Tg' dan bersifat spesifik untuk suatu zat [3].
Selama pendinginan, supercooling sering kali dapat diamati. Larutan farmasi untuk aplikasi parenteral (pemberian yang menghindari saluran pencernaan), yang harus bebas partikel, merupakan kasus yang ekstrem. Larutan tersebut hampir tidak memiliki pengotor heterogen yang dapat bertindak sebagai inti KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi. Oleh karena itu, nukleasi kristal dalam larutan semacam itu sering kali hanya mungkin terjadi saat suhu mendekati -40°C.
Perilaku pembekuan larutan sukrosa 10% ditunjukkan pada gambar 2. Sampel didinginkan dengan NETZSCH DSC 204 F1 (lihat gambar 1) dalam wadah aluminium tertutup dengan laju pendinginan terkendali 5 K/menit. Larutan yang didinginkan sangat cepat membeku pada suhu -20°C (suhu awal yang diekstrapolasi).
Bintik-bintik kasar di bagian dalam wadah atau jejak kontaminasi yang disebabkan oleh persiapan, bisa berfungsi sebagai kristal benih. Karena alasan ini, suhu pembekuan yang ditentukan dengan cara ini pada umumnya tidak dapat dikorelasikan dengan konsentrasi larutan gula yang digunakan.
Selama transisi air ke es, terjadi perubahan panas spesifik dari 4,18 J/g-K (air) menjadi 2,1 J/g-K (es, tepat di bawah titik beku), yang terutama bertanggung jawab atas pergeseran garis dasar yang jelas sebelum dan sesudah puncak pemadatan/pencairan (gbr. 2: transisi air-ke-es - dan gbr. 3: transisi es-ke-air).
Pada pemanasan berikutnya dengan laju pemanasan 5 K/menit (gambar 3), transisi gelas dari larutan yang terkonsentrasi secara maksimal muncul pada suhu -32°C (titik tengah). Nilai ini sesuai dengan data literatur yang mengasumsikan -32°C dan -33°C [2], [4].
Transisi gelas diikuti oleh puncak endotermal selama pemanasan (inset pada gambar 3), suhu awal yang diekstrapolasi, Tm´, menggambarkan awal pencairan es. Menurut Roos [1], "konsentrasi pembekuan" maksimum hanya dapat diamati pada suhu pembekuan antara Tg´dan Tm´.
Area di bawah puncak pencairan berhubungan dengan bagian air bebas. Titik referensi di sini adalah panas fusi es sebesar 333,7 J/g.
Pada larutan dengan konsentrasi rendah, proporsi sukrosa dapat ditentukan dari ketinggian transisi gelas masing-masing. Pada gambar 4, tinggi langkah (nilai ΔKapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp) untuk larutan 5%, 10% dan 20% - dengan hasil 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K dan 0,516 J/g-K - sangat sesuai dengan penskalaan konsentrasi dengan faktor 2, sedangkan suhu transisi gelas sebagian besar tetap konstan. Terdapat hubungan linier antara tinggi langkah dan konsentrasi (gbr. 5).
Selain itu, dengan meningkatnya konsentrasi larutan sukrosa, awal mencairnya es (suhu awal yang diekstrapolasi) bergeser ke nilai yang lebih rendah pada gambar 6. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, hal ini menghasilkan interval yang lebih rendah antara transisi gelas dari larutan dengan konsentrasi maksimum dan awal pencairan air bebas.
Beberapa zat amorf kembali mengkristal pada pemanasan di atas suhu gelas. Efek ini, yang disebut devitrifikasi atau KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi dingin, dapat digunakan untuk mengubah porositas dan kelembaban sisa liofilisat [2] dengan melakukan tempering material di atas suhu rekristalisasi (onset yang diekstrapolasi). Karena rekristalisasi, terjadi pemisahan fase dan air "tidak beku" yang dilepaskan berubah menjadi es. Namun, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3, tidak ada rekristalisasi Pasca Kristalisasi (Kristalisasi Dingin)Pasca kristalisasi plastik semi-kristal terjadi terutama pada suhu tinggi dan peningkatan mobilitas molekul di atas transisi gelas.pasca-kristalisasi yang terjadi pada sukrosa.
Pengeringan Primer
Pada langkah ini, es yang membeku dihilangkan dalam ruang hampa melalui sublimasi (transisi dari bentuk padat ke bentuk gas).
Selama proses ini - di mana panas disuplai dari luar - suhu dalam produk tidak boleh naik di atas suhu Suhu Transisi KacaTransisi gelas adalah salah satu sifat terpenting dari bahan amorf dan semi-kristal, misalnya, gelas anorganik, logam amorf, polimer, obat-obatan dan bahan makanan, dll., dan menggambarkan wilayah suhu di mana sifat mekanis bahan berubah dari keras dan rapuh menjadi lebih lunak, dapat diubah bentuknya atau kenyal.transisi kaca karena hal ini menyebabkan pelunakan struktur kerangka dan runtuhnya sistem [5]. Kerusakan struktur kerangka selama fase pengeringan disebut keruntuhan.
Meskipun suhu runtuh dilaporkan rata-rata 1 hingga 5 K lebih tinggi daripada suhu transisi gelas yang sesuai [6], transisi gelas dari larutan terkonsentrasi maksimum, Tg´, yang dapat ditentukan dengan menggunakan DSC, merupakan titik referensi yang baik untuk posisinya.
Pengeringan Sekunder
Pada langkah ini, produk dikeringkan hingga tingkat kelembapan akhir yang diinginkan dengan menyerap air yang terkandung dalam matriks melalui peningkatan suhu yang lambat.
Pada liofilisat amorf, air harus berdifusi dari fase gelas ke permukaan. Proses yang agak lambat ini adalah alasan mengapa langkah pasca-pengeringan sering kali menjadi penentu kecepatan pengeringan beku untuk liofilisat amorf [2].
Karena efek pelembut dari air, suhu transisi gelas dari fase amorf berhubungan langsung dengan kandungan air yang terperangkap. Saat pengeringan berlangsung, Tg (transisi gelas sukrosa sebagai padatan) meningkat; posisinya juga dapat ditentukan dengan cepat dan tepat melalui DSC.
Kesimpulan
Karakteristik penting untuk merancang proses pengeringan primer adalah suhu transisi gelas dari larutan yang terkonsentrasi secara maksimal (Tg´) dan suhu runtuh di mana material melunak sehingga tidak dapat lagi menopang strukturnya sendiri dan mulai mengalir. Dengan menggunakan DSC (kadang-kadang sebagai TM-DSC*), Tg´dapat dengan mudah ditentukan.
Suhu runtuh sedikit lebih tinggi daripada Tg´; interval yang tepat antara Tg´dan suhu runtuh bergantung pada formulasi.