Introdução
A liofilização é uma técnica amplamente utilizada em tecnologias farmacêuticas para transformar substâncias termolábeis, como proteínas ou lipossomos, sem tratamento térmico, em formas utilizáveis e armazenáveis. O objetivo da liofilização é a remoção suave da água das soluções para obter um pó estável com umidade residual e porosidade definidas.
A composição de um produto tem uma influência decisiva sobre os parâmetros do processo e, portanto, também afeta o tipo, a qualidade e a estabilidade do liofilizado resultante. A calorimetria dinâmica de varredura (DSC) fornece informações importantes para a selectção das condições adequadas.
As soluções a serem liofilizadas geralmente são sistemas complexos de múltiplos componentes que consistem em ingredientes ativos, aditivos e água. Os auxiliares incluem sais tonificantes (para ajuste da isotonicidade), substâncias tampão, crioprotetores (para proteção contra danos durante o congelamento) e construtores que dão estrutura ao produto liofilizado. Açúcares como a sacarose ou a trealose provaram ser muito eficazes na estabilização de proteínas [5]. As considerações a seguir são baseadas na sacarose como substância modelo. As soluções mencionadas foram produzidas a partir de sacarose comercialmente disponível de qualidade farmacêutica (Caesar & Loretz, Hilden) e água bidestilada.
O processo de liofilização geralmente pode ser dividido em três etapas consecutivas:
Congelamento profundo
As soluções de açúcar tendem a se saturar demais. Após o resfriamento, formam-se gelo e uma solução de sacarose cada vez mais viscosa. O aumento da viscosidade complica os processos de difusão, que seriam necessários para a CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização. Como resultado, o sistema não se cristaliza, mas se solidifica como um líquido sub-resfriado sem separação completa de fases (vidro). A temperatura de transição vítrea da solução maximamente concentrada é designada Tg' e é específica da substância [3].
Durante o resfriamento, o super-resfriamento pode ser observado com frequência. As soluções farmacêuticas para aplicação parenteral (administração que evita o trato gastrointestinal), que devem ser livres de partículas, representam um caso extremo. Elas praticamente não têm impurezas heterogêneas que possam atuar como núcleos de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização. Portanto, a nucleação de cristais em tais soluções geralmente só é provável quando a temperatura se aproxima de -40°C.
O comportamento de congelamento de uma solução de sacarose a 10% é mostrado na figura 2. A amostra foi resfriada com o NETZSCH DSC 204 F1 (veja a figura 1) em um cadinho de alumínio fechado a uma taxa de resfriamento controlada de 5 K/min. A solução super-resfriada se solidifica extremamente rápido a -20°C (temperatura inicial extrapolada).
O spray ásperoots na parte interna do cadinho ou os traços de contaminação causados pela preparação podem servir como cristais de semente. Por esse motivo, as temperaturas de solidificação determinadas dessa forma geralmente não podem ser correlacionadas com a concentração das soluções de açúcar usadas.
Durante a transição da água para o gelo, ocorre uma mudança no calor específico de 4,18 J/g-K (água) para 2,1 J/g-K (gelo, logo abaixo do ponto de congelamento), o que é o principal responsável pela clara mudança da linha de base antes e depois do pico de solidificação/derretimento (fig. 2: transição da água para o gelo - e figura 3: transição do gelo para a água).
No aquecimento subsequente a uma taxa de aquecimento de 5 K/min (figura 3), a transição vítrea da solução maximamente concentrada aparece a -32°C (ponto médio). Esse valor está de acordo com os dados da literatura que presumem -32°C e -33°C [2], [4].
A transição vítrea é seguida por um pico EndotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é endotérmica se for necessário calor para a conversão.endotérmico durante o aquecimento (inserção na figura 3), cuja temperatura de início extrapolada, Tm', descreve o início da Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão do gelo. De acordo com Roos [1], a "concentração de congelamento" máxima só pode ser observada em temperaturas de congelamento entre Tg' e Tm'.
A área abaixo do pico de derretimento corresponde à porção de água livre. O ponto de referência aqui é o calor de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão do gelo de 333,7 J/g.
Em soluções de baixa concentração, a proporção de sacarose pode ser determinada a partir da altura da respectiva transição vítrea. Na figura 4, as alturas dos degraus (valores de ΔCapacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp) para soluções de 5%, 10% e 20% - com resultados de 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K e 0,516 J/g-K - estão em ótima concordância com um escalonamento da concentração por um fator de 2, enquanto as temperaturas de transição vítrea permanecem largeconstantes. Há uma relação linear entre a altura do degrau e a concentração (fig. 5).
Além disso, à medida que a concentração das soluções de sacarose aumenta, o início do derretimento do gelo (temperatura inicial extrapolada) é deslocado para valores mais baixos na Figura 6. Em concentrações mais altas, isso resulta em um intervalo menor entre a transição vítrea da solução maximamente concentrada e o início da Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão da água livre.
Algumas substâncias amorfas voltam a se cristalizar após o aquecimento acima da temperatura do vidro. Esse efeito, chamado de desvitrificação ou CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização a frio, pode ser usado para alterar a porosidade e a umidade residual do liofilizado [2] por meio da têmpera do material acima da temperatura de recristalização (início extrapolado). Devido à recristalização, ocorre uma separação de fases e a água "não congelada" liberada se transforma em gelo. Conforme mostrado na Figura 3, no entanto, não ocorre Pós-cristalização (cristalização a frio)A pós-cristalização de plásticos semicristalinos ocorre principalmente em temperaturas elevadas e com maior mobilidade molecular acima da transição vítrea.pós-cristalização no caso da sacarose.
Secagem primária
Nessa etapa, o gelo congelado é removido em um vácuo por sublimação (transição do estado sólido para o estado agregado gasoso).
Durante esse processo - no qual o calor é fornecido de fora - a temperatura no produto não deve subir acima da temperatura da transição vítrea, pois isso leva ao amolecimento da estrutura e ao colapso do sistema [5]. A destruição da estrutura da estrutura durante a fase de secagem é chamada de colapso.
Embora as temperaturas de colapso relatadas sejam, em média, de 1 a 5 K mais altas do que as temperaturas de transição vítrea correspondentes [6], as transições vítreas das soluções maximamente concentradas, Tg', que podem ser determinadas por meio de DSC, são bons pontos de referência para sua posição.
Secagem secundária
Nessa etapa, o produto é seco até o nível de umidade final desejado, dessorvendo a água contida na matriz por meio de um aumento lento da temperatura.
Em liofilizados amorfos, a água deve se difundir da fase vítrea para a superfície. Esse processo bastante lento é a razão pela qual a etapa de pós-secagem é frequentemente a que determina a velocidade da liofilização para liofilizados amorfos [2].
Devido ao efeito amaciante da água, a temperatura de transição vítrea da fase amorfa está diretamente relacionada ao conteúdo de água aprisionado. À medida que a desidratação avança, a Tg (a transição vítrea da sacarose como um sólido) aumenta; sua posição também pode ser determinada de forma rápida e precisa por meio do DSC.
Conclusão
As características essenciais para projetar o processo de secagem primária são a temperatura de transição vítrea da solução maximamente concentrada (Tg') e a temperatura de colapso na qual o material amolece, de modo que não pode mais suportar sua própria estrutura e começa a fluir. Usando o DSC (às vezes chamado de TM-DSC*), a Tg' pode ser facilmente determinada.
A temperatura de colapso é um pouco mais alta do que a Tg'; o intervalo exato entre a Tg' e a temperatura de colapso depende da formulação.