Inleiding
Vriesdrogen (vriesdrogen) is een techniek die veel wordt gebruikt in farmaceutische technologieën om thermolabiele stoffen zoals eiwitten of liposomen - zonder thermische behandeling - om te zetten in bruikbare en houdbare vormen. Het doel van vriesdrogen is het voorzichtig verwijderen van water uit oplossingen om een stabiel poeder te verkrijgen met een gedefinieerde restvochtigheid en porositeit.
De samenstelling van een product heeft een beslissende invloed op de procesparameters en dus ook op het type, de kwaliteit en de stabiliteit van het resulterende vriesdroogproduct. Dynamische scanning calorimetrie (DSC) levert belangrijke informatie voor de selectie van de juiste condities.
De oplossingen die moeten worden gevriesdroogd zijn meestal complexe meercomponentensystemen bestaande uit actieve ingrediënten, additieven en water. De hulpstoffen omvatten tonerzouten (voor aanpassing van de isotoniciteit), bufferstoffen, cryoprotectoren (voor bescherming tegen beschadiging tijdens het invriezen) en bouwstoffen die structuur geven aan het gevriesdroogde product. Suikers zoals sucrose of trehalose hebben bewezen zeer effectief te zijn in het stabiliseren van eiwitten [5]. De volgende overwegingen zijn gebaseerd op sucrose als modelsubstantie. De genoemde oplossingen zijn gemaakt van commercieel verkrijgbare sacharose van farmaceutische kwaliteit (Caesar & Loretz, Hilden) en dubbel gedestilleerd water.
Het vriesdroogproces kan over het algemeen worden onderverdeeld in 3 opeenvolgende stappen:
Diepvries
Suikeroplossingen hebben de neiging om oververzadigd te raken. Bij afkoeling ontstaat ijs en een steeds visceuzere sucroseoplossing. De toenemende viscositeit bemoeilijkt diffusieprocessen, die nodig zouden zijn voor KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie. Als gevolg hiervan kristalliseert het systeem niet, maar stolt het als een onderkoelde vloeistof zonder volledige fasescheiding (glas). De glasovergangstemperatuur van de maximaal geconcentreerde oplossing wordt Tg' genoemd en is stofspecifiek [3].
Tijdens het afkoelen kan vaak superkoeling worden waargenomen. Farmaceutische oplossingen voor parenterale toepassing (toediening via het maagdarmkanaal), die deeltjesvrij moeten zijn, vormen een extreem geval. Ze hebben vrijwel geen heterogene onzuiverheden die als kristallisatiekernen kunnen fungeren. Daarom is KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie in zulke oplossingen vaak pas waarschijnlijk als de temperatuur in de buurt van -40°C komt.
Het vriesgedrag van een 10% sucroseoplossing wordt getoond in figuur 2. Het monster werd gekoeld met de NETZSCH DSC 204 F1 (zie figuur 1) in een gesloten aluminium kroes met een gecontroleerde koelsnelheid van 5 K/min. De supergekoelde oplossing stolt extreem snel bij -20 °C (geëxtrapoleerde begintemperatuur).
Ruwe plekken aan de binnenkant van de kroes of sporen van verontreiniging veroorzaakt door de bereiding kunnen dienen als zaadkristallen. Om deze reden kunnen de stollingstemperaturen die op deze manier bepaald worden over het algemeen niet gecorreleerd worden met de concentratie van de gebruikte suikeroplossingen.
Tijdens de overgang van water naar ijs treedt er een verandering op in de soortelijke warmte van 4,18 J/g-K (water) naar 2,1 J/g-K (ijs, net onder het vriespunt), die voornamelijk verantwoordelijk is voor de duidelijke basislijnverschuiving voor en na de stol/smeltpiek (fig. 2: overgang van water naar ijs - en figuur 3: overgang van ijs naar water).
Bij de daaropvolgende verwarming met een verwarmingssnelheid van 5 K/min (figuur 3) verschijnt de glasovergang van de maximaal geconcentreerde oplossing bij -32°C (middelpunt). Deze waarde komt goed overeen met literatuurgegevens die uitgaan van -32°C en -33°C [2], [4].
De glasovergang wordt gevolgd door een endotherme piek tijdens verwarming (inzet in figuur 3), waarvan de geëxtrapoleerde begintemperatuur, Tm´, het begin van het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van het ijs beschrijft. Volgens Roos [1] kan de maximale "vriesconcentratie" alleen worden waargenomen bij vriestemperaturen tussen Tg´en Tm´.
Het gebied onder de smeltpiek komt overeen met het vrije watergedeelte. Het referentiepunt is hier de smeltwarmte van het ijs van 333,7 J/g.
In oplossingen met een lage concentratie kan het sacharosegehalte worden bepaald uit de hoogte van de betreffende glasovergang. In figuur 4 komen de staphoogten (ΔSpecifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp-waarden) voor oplossingen van 5%, 10% en 20% - met resultaten van 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K en 0,516 J/g-K - zeer goed overeen met een schaling van de concentratie met een factor 2, terwijl de glasovergangstemperaturen grotendeels constant blijven. Er is een lineair verband tussen de staphoogte en de concentratie (fig. 5).
Bovendien verschuift het begin van het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van ijs (geëxtrapoleerde begintemperatuur) naar lagere waarden in figuur 6 naarmate de concentratie van de sucroseoplossingen toeneemt. Bij hogere concentraties resulteert dit in een kleiner interval tussen de glasovergang van de maximaal geconcentreerde oplossing en het begin van het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van het vrije water.
Sommige amorfe stoffen kristalliseren opnieuw bij verwarming boven de glastemperatuur. Dit effect, dat devitrificatie of koude KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie wordt genoemd, kan worden gebruikt om de porositeit en het restvocht van het vriesdroogproduct te veranderen [2] door het materiaal te temperen tot boven de herkristallisatietemperatuur (geëxtrapoleerde beginwaarde). Als gevolg van herkristallisatie vindt er een fasescheiding plaats en verandert het vrijgekomen "onbevroren" water in ijs. Zoals weergegeven in figuur 3 treedt er echter geen na-KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie op in het geval van sucrose.
Primair drogen
In deze stap wordt het bevroren ijs in een vacuüm verwijderd door sublimatie (overgang van de vaste naar de gasvormige aggregatietoestand).
Tijdens dit proces - waarbij warmte van buitenaf wordt toegevoerd - mag de temperatuur in het product niet boven de temperatuur van de glasovergang stijgen, omdat dit leidt tot verweking van de raamwerkstructuur en instorting van het systeem [5]. De vernietiging van de raamwerkstructuur tijdens de droogfase wordt instorting genoemd.
Hoewel bezwijktemperaturen worden gerapporteerd die gemiddeld 1 tot 5 K hoger liggen dan de overeenkomstige glasovergangstemperaturen [6], zijn de glasovergangen van de maximaal geconcentreerde oplossingen, Tg´, die kunnen worden bepaald met behulp van DSC, goede referentiepunten voor hun positie.
Secundair drogen
In deze stap wordt het product gedroogd tot het gewenste eindvochtgehalte door het water in de matrix te desorberen via een langzame verhoging van de temperatuur.
In amorfe lyofilisaten moet het water van de glasachtige fase naar het oppervlak diffunderen. Dit vrij langzame proces is de reden dat de nadroogstap vaak bepalend is voor de vriesdroogsnelheid van amorfe vriesdroogproducten [2].
Door het verzachtende effect van water is de glasovergangstemperatuur van de amorfe fase direct gerelateerd aan het ingesloten watergehalte. Naarmate de ontwatering vordert, neemt de Tg (de glasovergang van sucrose als vaste stof) toe; de positie hiervan kan ook snel en nauwkeurig worden bepaald met behulp van DSC.
Conclusie
Essentiële kenmerken voor het ontwerpen van het primaire droogproces zijn de glasovergangstemperatuur van de maximaal geconcentreerde oplossing (Tg´) en de bezwijktemperatuur waarbij het materiaal zo zacht wordt dat het zijn eigen structuur niet meer kan ondersteunen en begint te vloeien. Met DSC (soms TM-DSC*) kan de Tg´gemakkelijk worden bepaald.
De bezwijktemperatuur is iets hoger dan de Tg´; het exacte interval tussen de Tg´en de bezwijktemperatuur is afhankelijk van de formulering.