13.08.2020 by Dr. Gabriele Kaiser
De rol van DSC in vriesdroogprocessen
Veel API's (actieve farmaceutische ingrediënten) of formuleringen, vooral die op basis van biofarmaceutica, zijn thermisch gevoelig en instabiel in waterige oplossingen. Vooral deze laatste eigenschap is zeer ongunstig als ze worden toegediend als injecteerbare doseringsvorm, zoals vaccins. Om een hogere stabiliteit en een langere houdbaarheid te bereiken, moeten dergelijke medicijningrediënten gedroogd worden. Vanwege hun thermolabiliteit is het echter niet haalbaar om het water alleen door verhitting te verwijderen. Vriesdrogen of vriesdrogen is een zacht alternatief om API's en/of mengsels van API's en hulpstoffen zonder thermische behandeling om te zetten in bruikbare en houdbare vormen.
Ontdek hoe thermische analyse kan helpen bij het bepalen van de parameters van het vriesdroogproces.
Het vriesdroogproces bestaat uit drie stappen
De vriesfase, de zogenaamde 'primaire droging' en tot slot de 'secundaire droging'.
- De vriesfase waarin de stof wordt bevroren met een geselecteerde vriessnelheid
- Het zogenaamde 'voordrogen': Het ijs wordt uit de vriesgeconcentreerde oplossing verwijderd door sublimatie onder verminderde druk. In dit stadium is de producttemperatuur gewoonlijk ongeveer -35°C tot -20°C.
- Het 'secundaire drogen': De temperatuur wordt verder verhoogd om het product te drogen tot het uiteindelijke vochtniveau via desorptie van het water in de matrix. Om een stabiele cake te krijgen, is een waterconcentratie van bijvoorbeeld 1% of minder vereist [1].
Om verlies van activiteit van de geneesmiddelsubstantie te voorkomen, worden gewoonlijk cryo- of lyobeschermingsmiddelen zoals suikers (bijv. sucrose of trehalose) of polymeren toegevoegd.
De instorttemperatuur is doorslaggevend
Een kritieke parameter voor het instellen van een vriesdroogproces is de bezwijktemperatuur, vaak Tc genoemd. Bij deze temperatuur smelt het materiaal of wordt het zachter, zodat het zijn eigen structuur niet meer kan ondersteunen en begint te stromen. Daarom moet de stof tijdens de fase van het 'voordroogproces' onder Tc worden gehouden. Een te lage procestemperatuur leidt echter tot een onacceptabel langzaam verloop. Daarom is het belangrijk om de waarde van de kritische temperatuur te kennen. Voor kristallijne systemen komt de maximaal toelaatbare temperatuur overeen met de eutectische 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). smelttemperatuur [1 - 3]. Alleen onder dat punt is het systeem volledig vast. Maar de meeste gevriesdroogde formuleringen bevatten amorfe fasen en in dat geval ligt de bezwijktemperatuur dicht bij de glasovergangstemperatuur van de maximaal gevriesconcentreerde opgeloste stof (Tg´). In veel gevallen is de Tc iets hoger dan de Tg´, terwijl het exacte verschil tussen beide temperaturen afhankelijk is van de formulering [2].
DSC (Differential Scanning Calorimetry) bepaalt de Tg´..
DSC-instrumenten zijn ontworpen om veranderingen in de specifieke warmtecapaciteit van materialen te detecteren tijdens het passeren van een glasovergang. Fig. 1 toont het DSC-signaal tijdens het verwarmen van een bevroren 10% sucroseoplossing. Zowel bevriezen als verwarmen werden uitgevoerd met het instrument bij 5 K/min. De geëvalueerde glasovergangstemperatuur van de maximaal geconcentreerde oplossing (Tg´, hier gegeven als middelpunt) is -32 °C en komt goed overeen met literatuurwaarden [4]. De hoogte van de endotherme stap wordt uitgedrukt als 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 en bedraagt hier 0,28 J/(gK).
Zoals hierboven vermeld, ligt de Tg' in veel formuleringen iets onder de bezwijktemperatuur en is daarom een vrij conservatieve bovengrens, hoewel dit geen invloed heeft op de kwaliteit van het eindproduct. Als de glasovergangsstap wordt overlapt door relaxatie-effecten of kristallisatiepieken gerelateerd aan een van de formuleringscomponenten, kan temperatuurgemoduleerde DSC (TM-DSC of mt-DSC) helpen bij de scheiding.
... en de glastemperatuur van het gedroogde product
Veel gelyofiliseerde producten blijven na het drogen in hun amorfe vorm. Omdat water een verzachtend effect heeft, is de glasovergangstemperatuur van de amorfe fase direct gerelateerd aan het ingesloten restwatergehalte. DSC kan dus ook worden gebruikt om de droogtoestand van het materiaal te bepalen. Literatuur: [1] E. Meister en H. Gieseler, Een significante vergelijking tussen bezwijk- en glasovergangstemperaturen, European Pharmaceutical Review, online, september 2008 https://www.europeanpharmaceuticalreview.com/article/1479/a-significant-comparison-between-collapse-and-glass-transition-temperatures/ [2] V. Kett, Development of Freeze-dried Formulations Using Thermal Analysis and Microscopy, American Pharmaceutical Review, online, september 2010 https://www.americanpharmaceuticalreview.com/Featured-Articles/36885-Development-of-Freeze-dried-Formulations-Using-Thermal-Analysis-and-Microscopy/ [3] H. Schiffter-Weinle, Immer schön trocken bleiben, Deutsche Apothekerzeitung, online https://www.deutsche-apotheker-zeitung.de/daz-az/2016/daz-44-2016/immer-schoen-trocken-bleiben [4] F. Franks, Freeze-drying of bioproducts: putting principles into practice, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 1998, 45, p 221-229