はじめに
原薬（医薬品有効成分）や賦形剤の安定性は、その保管条件に直接関係している：不適切な温度（温かすぎたり冷たすぎたり）での保存は、有効性、安全性、保存期間に影響を及ぼす可能性がある。WHO（世界保健機関）およびICH（ヒト用医薬品の技術的要件に関する整合化国際委員会）のガイドラインに記載されている医薬品の保存安定性に関する試験は、完了までに最低6ヶ月を要する。[1, 2]
特定の温度条件下における物質の安定性に関する初期情報は、最初の数時間以内に得ることができる。この目的のために、物質の分解過程の速度論（熱分解、脱溶媒、脱水）を評価し、長時間の等温線中の物質の挙動を決定するために使用する。これにより、原薬／賦形剤の初期選別を迅速に行うことができる。
以下では、リン酸水素カルシウム二水和物、CaHPO4・2H2O（DCPとも呼ばれる）の脱水反応の動力学を確立する。そのために、NETZSCH Kinetics Neo ソフトウェアを用いて、異なる加熱速度で実施された熱重量測定を行い、反応速度論を評価する。
測定条件
DCPは一般的に打錠に使用される充填剤である。測定に使用した物質は、JRS Pharmaの好意により提供された（商品名：Emcompress®）。実験条件を表1にまとめた。
表1：テスト条件
装置 | TG 209 F1 NevioFT-IR スペクトロメーター(PERSEUS® カップリング) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| 試料 | DCP Emcompress® (JRS ファーマ) | |
| 試料質量 | 3.71 mg | 3.71 mg～4.30 mg |
| 容器 | 密閉式Concavus® (Al)、穴あき蓋付き | |
| 温度プログラム | 30°C～300°C | |
| 加熱速度 | 10K/分 | 1K/分～20K/分 |
測定結果
DCPのTGA-FT-IR測定
図1は、DCPのTGA-FTIR測定から得られた質量損失曲線（緑）とグラムシュミット曲線（黒）です。グラムシュミット曲線は、放出ガスが検出された温度範囲を示している。室温から300℃の間に3段階の質量減少が見られ、グラム・シュミットプロットの3つの極大値に対応している。測定された残留質量79%は、DCPから2H2Oが失われた後の理論残留質量に相当する。
加熱中に放出される生成物のFT-IRスペクトルを分析し、この温度範囲で水だけが放出されるのか、それともさらなる成分が放出されるのかをチェックします。図2は、測定中に放出された物質のFT-IRスペクトルを3次元表示したものです。異なる温度でのスペクトルを抽出すると、検出された質量減少ステップは水の発生のみによるものであることがわかります（図3A、3B、3C、110℃、159℃、205℃で放出された物質のFT-IRスペクトル、および3D、EPA-NISTライブラリからの水の比較スペクトルを参照）。
文献[4]から、表面水と構造水は80℃付近で結晶構造から離れ始め、その時点で非晶質相が形成され始めることが知られている。非晶質相の物質量は、200～220℃までの分解中に増加し、加熱速度によって変化する。
脱水過程のカイネティクス分析
図4は、DCPのTGA測定曲線を1～20K/minの6種類の加熱速度で示したものである。この速度論的プロセスで予想されるように、加熱速度が増加するにつれて、質量損失ステップは高温にシフトする。
この質量損失ステップの加熱速度依存性により、TGA曲線を脱水反応の速度論分析に使用することができる。このために、Kinetics Neo ソフトウェア（NETZSCH-Gerätebau GmbH製）を使用した。このソフトウエアは、活性化エネルギー、反応次数、前指数などの速度論的パラメーターを用いて、個々のステップに異なる反応タイプを割り当てることができる。その結果に基づいて、Kinetics Neo は、ユーザーが指定した温度プログラム、例えば特定の温度での長時間等温線に対して反応をシミュレートすることができる。
以下の観察は、カイネティクスのステップの数と種類を決定するのに役立つ。
- 3つの質量減少ステップの存在は、プロセスが少なくとも3つのステップを経て進行することを示唆している。
- 低加熱速度の曲線が高加熱速度の曲線と交わるという事実は（150℃～190℃の温度範囲を参照）、反応ステップが競合反応または並行反応モデルによって記述されるべきであることを示す。
- 第3の質量減少ステップの後、質量は減少し続ける。これは、速度論モデルにおける追加ステップによって記述されるかもしれない。
最終的に、以下のモデルがこのプロセスを最もよく表していることがわかった：
- 反応ステップA → Bは、TGA曲線の最初の質量損失ステップを表し、表面水の放出に由来する。
反応ステップ
B → C → D
C → E
は、Rabatinら[3]によって記述されたステップに対応すると考えられる。[
CaHPO4-2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) →H2O(g)
CaHPO4-H2O[生成物D]およびCaHPO4 -yH2O[生成物E]と異なる化学量論量の水の形成につながる。
さらに、非晶質相の形成が始まり、これは加熱速度に依存する。加熱速度が低いほど、非晶質相の合計時間は長くなる。加熱速度の違いによるアモルファス相の合計時間の違いは、180℃での第2分解工程後のTGA値の違いの原因となり、並行分解を引き起こす可能性がある。Kinetics Neo では、生成物DとEをF（F = D + E）と表記している。 - 第3の質量減少ステップの検出温度は、195℃でピークが検出されたRabatinら[3]のDTA測定と一致する。著者らは、このピークを以下のメカニズムと関連付けている：CaHPO4- xH2O→CaHPO4(amorphous) +xH2O
これは、Kinetics Neo からのステップ F → G と相関している。 - 反応ステップG → Hは、200℃以上の連続的な質量減少を説明する。
図5は、測定されたTGA曲線と、記述された反応速度論モデルを用いてKinetics Neo 、計算されたTGA曲線との良好な適合を示している。実測値と計算値の相関係数は0.999であった。
Kinetics Neo によって計算された各反応ステップのパラメーターを表2にまとめた。
表2：反応ステップの速度論的パラメーター
| 反応ステップ | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| 反応タイプ | n次 自己触媒反応 | 次 | 次 | 次 | 拡散 | 次 |
| 活性化エネルギー [kJ-mol-1］ | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| 対数（前指数） | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| 反応順序 | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| 寄付 | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
反応速度論の評価から試料の挙動予測へ
反応速度論の知識があれば、長時間の等温曲線を含め、任意の温度プログラムに対して脱水過程をシミュレートすることができる。
図6は、異なる保存温度における2年間のDCPの脱水過程を示している。このシミュレーションによると、保存温度が30℃の場合、6ヵ月後には3％以上の質量損失が生じる（赤い曲線）。しかし50℃では、同期間内にすでに5％以上の質量損失が生じる（薄いオレンジ色）。
さらに、Kinetics Neo には、世界の様々な地域における近年の平均気温パターンを考慮した気候マップが含まれており、年間の気温変動も含まれています。この情報を利用して、Kinetics Neo は、与えられた国に対する試料の挙動予測を適応させることができる。例えば、図7と図8は、それぞれパリ（フランス）とジャカルタ（イ ンドネシア）における2年間のリン酸水素カルシウム二水和物の予測曲線を示 している。予想通り、試料の挙動は2つの都市で大きく異なる。ジャカルタではパリに比べて気温が高いため、脱水が速く進む。
結論
熱重量測定とKinetics Neo の組み合わせは、特定の保存温度に対する物質の安定性に関する初期情報を得るための強力なツールである。
新医薬品開発中のAPI（医薬品有効成分）や賦形剤のスクリーニングに使用し、より長期間の安定性試験のための予備選択を行うことができる。