소개
동결 건조(동결 건조)는 단백질이나 리포솜과 같은 열에 취약한 물질을 열처리 없이 사용 가능하고 보관 가능한 형태로 변환하기 위해 제약 기술에서 널리 사용되는 기술입니다. 동결 건조의 목적은 용액에서 수분을 부드럽게 제거하여 정해진 잔류 수분과 다공성을 가진 안정적인 분말을 얻는 것입니다.
제품의 구성은 공정 파라미터에 결정적인 영향을 미치므로 결과물인 동결 건조물의 유형, 품질 및 안정성에도 영향을 미칩니다. 동적 주사 열량 측정(DSC)은 적절한 조건을 선택하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
동결 건조할 용액은 일반적으로 활성 성분, 첨가제 및 물로 구성된 복잡한 다성분 시스템입니다. 보조제에는 토닝 염(등장 성 조절용), 완충 물질, 동결 보호제(동결 중 손상 방지용) 및 동결 건조 제품에 구조를 부여하는 빌더가 포함됩니다. 자당이나 트레할로스와 같은 당류는 단백질 안정화에 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다[5]. 다음 고려 사항은 모델 물질인 자당을 기준으로 합니다. 언급된 용액은 시중에서 판매되는 제약 품질의 자당(Caesar & Loretz, Hilden)과 이중 증류수를 사용하여 제조되었습니다.
동결 건조 공정은 일반적으로 3단계로 나눌 수 있습니다:
딥 프리징
설탕 용액은 과포화되는 경향이 있습니다. 냉각되면 얼음과 점도가 점점 높아지는 자당 용액이 형성됩니다. 점도가 높아지면 결정화에 필요한 확산 과정이 복잡해집니다. 결과적으로 시스템은 결정화되지 않고 완전한 상 분리(유리) 없이 저온 냉각된 액체로 응고됩니다. 최대로 농축된 용액의 유리 전이 온도는 Tg'라고 하며 물질에 따라 다릅니다[3].
냉각하는 동안 과냉각이 종종 관찰될 수 있습니다. 입자가 없어야 하는 비경구 적용(위장관을 피하여 투여)을 위한 제약 용액은 극단적인 사례에 해당합니다. 결정화 핵으로 작용할 수 있는 이질적인 불순물이 거의 없습니다. 따라서 이러한 용액에서 결정 핵 형성은 온도가 -40°C에 가까워질 때만 일어날 가능성이 높습니다.
10% 자당 용액의 동결 거동은 그림 2에 나와 있습니다. 샘플은 밀폐된 알루미늄 도가니에서 5 K/min의 제어된 냉각 속도로 NETZSCH DSC 204 F1 (그림 1 참조)로 냉각되었습니다. 과냉각된 용액은 -20°C(추정 시작 온도)에서 매우 빠르게 응고됩니다.
도가니 내부의 거친 부분이나 준비 과정에서 생긴 오염 흔적이 종자 결정으로 작용할 수 있습니다. 이러한 이유로 이러한 방식으로 결정된 응고 온도는 일반적으로 사용된 설탕 용액의 농도와 상관관계가 없습니다.
물에서 얼음으로 전이하는 동안 비열이 4.18 J/g-K(물)에서 2.1 J/g-K(얼음, 빙점 바로 아래)로 변화하는데, 이는 응고/용융 피크 전후의 명확한 기준선 이동의 주요 원인입니다(그림 2: 물에서 얼음으로 전이 - 및 그림 3: 얼음에서 물로 전이).
이후 5K/min의 가열 속도로 가열할 때(그림 3), 최대 농축 용액의 유리 전이는 -32°C(중간점)에서 나타납니다. 이 값은 -32°C 및 -33°C를 가정한 문헌 데이터와 잘 일치합니다 [2], [4].
유리 전이 후에는 가열 중 흡열 피크가 뒤따릅니다(그림 3에 삽입). 여기서 추정된 시작 온도인 Tm´은얼음이 녹기 시작하는 시점을 설명합니다. Roos [1]에 따르면, 최대 "동결 농도"는 Tg´와Tm´사이의 동결 온도에서만 관찰할 수 있습니다.
용융 피크 아래의 영역은 자유수 부분에 해당합니다. 여기서 기준점은 333.7 J/g의 얼음 융합 열입니다.
저농도 용액에서 자당 비율은 각 유리 전이의 높이로부터 결정할 수 있습니다. 그림 4에서 5%, 10% 및 20% 용액의 스텝 높이(Δ비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp 값)는 0.127 J/g-K, 0.258 J/g-K 및 0.516 J/g-K의 결과와 매우 잘 일치하며, 유리 전이 온도는 대체로 일정하게 유지되는 반면 농도가 2배로 스케일링되는 것과는 매우 일치합니다. 스텝 높이와 농도 사이에는 선형 관계가 있습니다(그림 5).
또한 자당 용액의 농도가 증가함에 따라 얼음이 녹기 시작하는 시점(추정 시작 온도)이 그림 6에서 더 낮은 값으로 이동합니다. 농도가 높을수록 최대 농도의 용액의 유리 전이와 자유 수분의 녹기 시작 사이의 간격이 더 짧아집니다.
일부 비정질 물질은 유리 온도 이상으로 가열하면 다시 결정화됩니다. 탈결정화 또는 저온 결정화라고 하는 이 효과는 재결정화 온도(추정 개시) 이상으로 물질을 템퍼링하여 동결 건조물의 다공성 및 잔류 수분을 변화시키는 데 사용할 수 있습니다[2]. 재결정화로 인해 상 분리가 일어나고 방출된 "얼지 않은" 물은 얼음으로 변합니다. 그러나 그림 3에서 볼 수 있듯이 자당의 경우 사후 결정화가 발생하지 않습니다.
1차 건조
이 단계에서 얼어붙은 얼음은 승화(고체에서 기체 응집 상태로 전환)를 통해 진공 상태에서 제거됩니다.
외부에서 열이 공급되는 이 과정에서 제품의 온도가 유리 전이 온도 이상으로 올라가면 프레임워크 구조가 연화되고 시스템이 붕괴될 수 있으므로 주의해야 합니다[5]. 건조 단계에서 프레임워크 구조가 파괴되는 것을 붕괴라고 합니다.
붕괴 온도는 해당 유리 전이 온도보다 평균 1~5K 높은 것으로 보고되고 있지만[6], DSC를 통해 결정할 수 있는 최대 농축 용액의 유리 전이 온도인 Tg´는그 위치에 대한 좋은 기준점입니다.
2차 건조
이 단계에서는 천천히 온도를 높여 매트릭스에 포함된 수분을 탈착하여 제품을 원하는 최종 수분 수준으로 건조시킵니다.
무정형 동결 건조물에서는 물이 유리상에서 표면으로 확산되어야 합니다. 이 다소 느린 과정 때문에 후건조 단계가 무정형 동결 건조물의 동결 건조 속도를 결정하는 경우가 많습니다[2].
물의 연화 효과로 인해 비정질상의 유리 전이 온도는 포획된 수분 함량과 직접적인 관련이 있습니다. 탈수가 진행됨에 따라 Tg (고체로서의 자당의 유리 전이)가 증가하며, 그 위치도 DSC를 통해 빠르고 정확하게 측정할 수 있습니다.
결론
1차 건조 공정을 설계하는 데 필수적인 특성은 최대 농축 용액의 유리 전이 온도(Tg´)와 재료가 연화되어 더 이상 자체 구조를 지탱할 수 없게 되고 흐르기 시작하는 붕괴 온도입니다. DSC(TM-DSC*라고도 함)를 사용하면 Tg´를쉽게 측정할 수 있습니다.
붕괴 온도는 Tg´보다약간 높으며, Tg´와붕괴 온도 사이의 정확한 간격은 제형에 따라 다릅니다.