Introducere
Liofilizarea este o tehnică utilizată pe scară largă în tehnologiile farmaceutice pentru a transforma substanțele termolabile, cum ar fi proteinele sau lipozomii - fără tratament termic - în forme utilizabile și depozitabile. Obiectivul liofilizării este îndepărtarea ușoară a apei din soluții pentru a obține o pulbere stabilă cu umiditate reziduală și porozitate definite.
Compoziția unui produs are o influență decisivă asupra parametrilor procesului și, prin urmare, are un efect și asupra tipului, calității și stabilității liofilizatului rezultat. Calorimetria dinamică de scanare (DSC) furnizează informații importante pentru selectarea condițiilor adecvate.
Soluțiile care urmează să fie liofilizate sunt, de obicei, sisteme complexe multicomponente formate din ingrediente active, aditivi și apă. Substanțele auxiliare includ săruri de tonifiere (pentru ajustarea izotonicității), substanțe tampon, crioprotectoare (pentru protecția împotriva deteriorării în timpul congelării) și constructori care dau structură produsului liofilizat. Zaharurile precum zaharoza sau trehaloza s-au dovedit a fi foarte eficiente în stabilizarea proteinelor [5]. Considerațiile următoare se bazează pe zaharoză ca substanță model. Soluțiile menționate au fost produse din zaharoză disponibilă în comerț de calitate farmaceutică (Caesar & Loretz, Hilden) și apă dublu distilată.
Procesul de liofilizare poate fi în general împărțit în 3 etape consecutive:
Congelare profundă
Soluțiile de zahăr tind să se suprasatureze. La răcire, se formează gheață și o soluție de zaharoză din ce în ce mai vâscoasă. Vâscozitatea crescândă complică procesele de difuzie, care ar fi necesare pentru CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare. Ca urmare, sistemul nu cristalizează, ci se solidifică ca un lichid subrăcit fără separare completă a fazelor (sticlă). Temperatura de tranziție vitroasă a soluției maxim concentrate este denumită Tg' și este specifică fiecărei substanțe [3].
În timpul răcirii, se poate observa adesea supraîncălzirea. Soluțiile farmaceutice pentru aplicare parenterală (administrare prin evitarea tractului gastrointestinal), care trebuie să fie lipsite de particule, reprezintă un caz extrem. Acestea nu au practic impurități eterogene care ar putea acționa ca nuclee de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare. Prin urmare, nuclearea cristalelor în astfel de soluții este adesea probabilă doar pe măsură ce temperatura se apropie de -40°C.
Comportamentul la congelare al unei soluții de zaharoză 10% este prezentat în figura 2. Proba a fost răcită cu NETZSCH DSC 204 F1 (a se vedea figura 1) într-un creuzet de aluminiu închis la o rată de răcire controlată de 5 K/min. Soluția supraîncălzită se solidifică extrem de rapid la -20°C (temperatura de debut extrapolată).
Punctele rugoase de pe interiorul creuzetului sau urmele de contaminare cauzate de preparare pot servi drept cristale germeni. Din acest motiv, temperaturile de solidificare determinate în acest mod nu pot fi, în general, corelate cu concentrația soluțiilor de zahăr utilizate.
În timpul tranziției de la apă la gheață, are loc o modificare a căldurii specifice de la 4,18 J/g-K (apă) la 2,1 J/g-K (gheață, chiar sub punctul de îngheț), care este responsabilă în primul rând de deplasarea clară a liniei de bază înainte și după vârful de solidificare/fuziune (figura 2: tranziția de la apă la gheață - și figura 3: tranziția de la gheață la apă).
În timpul încălzirii ulterioare la o rată de încălzire de 5 K/min (figura 3), tranziția vitroasă a soluției maxim concentrate apare la -32°C (punctul median). Această valoare este în bună concordanță cu datele din literatură care presupun -32°C și -33°C [2], [4].
Tranziția vitroasă este urmată de un vârf EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic în timpul încălzirii (inserție în figura 3), a cărui temperatură de debut extrapolată, Tm´, descrie începutul topirii gheții. În conformitate cu Roos [1], "concentrația de îngheț" maximă poate fi observată numai la temperaturi de îngheț cuprinse între Tg´și Tm´.
Zona de sub vârful de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire corespunde porțiunii de apă liberă. Punctul de referință în acest caz este căldura de fuziune a gheții de 333,7 J/g.
În cazul soluțiilor cu concentrație scăzută, proporția de zaharoză poate fi determinată din înălțimea tranziției vitroase respective. În figura 4, înălțimile treptelor (valorile ΔCapacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) pentru soluții de 5%, 10% și 20% - cu rezultate de 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K și 0,516 J/g-K - sunt în foarte bună concordanță cu o scalare a concentrației cu un factor de 2, în timp ce temperaturile de tranziție vitroasă rămân în mare parte constante. Există o relație liniară între înălțimea treptei și concentrație (fig. 5).
În plus, pe măsură ce concentrația soluțiilor de zaharoză crește, începutul topirii gheții (temperatura de început extrapolată) este deplasat către valori mai mici în figura 6. La concentrații mai mari, acest lucru duce la un interval mai mic între tranziția vitroasă a soluției maxim concentrate și începutul topirii apei libere.
Unele substanțe amorfe cristalizează din nou la încălzirea peste temperatura vitroasă. Acest efect, denumit devitrificare sau CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare la rece, poate fi utilizat pentru a modifica porozitatea și umiditatea reziduală a liofilizatului [2] prin temperarea materialului peste temperatura de recristalizare (debut extrapolat). Datorită recristalizării, are loc o separare a fazelor și apa "necongelată" eliberată se transformă în gheață. Cu toate acestea, după cum se arată în figura 3, în cazul zaharozei nu are loc nicio postcristalizare.
Uscare primară
În această etapă, gheața congelată este îndepărtată în vid prin sublimare (trecerea de la starea solidă la starea gazoasă a agregatului).
În timpul acestui proces - în care căldura este furnizată din exterior - temperatura din produs nu trebuie să depășească temperatura de tranziție vitroasă, deoarece aceasta duce la înmuierea structurii de bază și la colapsul sistemului [5]. Distrugerea structurii cadru în timpul fazei de uscare se numește colaps.
Deși sunt raportate temperaturi de colaps care sunt în medie cu 1 până la 5 K mai mari decât temperaturile de tranziție vitroasă corespunzătoare [6], tranzițiile vitroase ale soluțiilor maxim concentrate, Tg´, care pot fi determinate cu ajutorul DSC, sunt puncte de referință bune pentru poziția lor.
Uscare secundară
În această etapă, produsul este uscat la nivelul final de umiditate dorit prin desorbția apei conținute în matrice printr-o creștere lentă a temperaturii.
În cazul liofilizatelor amorfe, apa trebuie să difuzeze din faza sticloasă la suprafață. Acest proces destul de lent este motivul pentru care etapa de post uscare este adesea cea care determină viteza de liofilizare pentru liofilizate amorfe [2].
Datorită efectului de înmuiere al apei, temperatura de tranziție vitroasă a fazei amorfe este direct legată de conținutul de apă prinsă. Pe măsură ce deshidratarea progresează, Tg (tranziția vitroasă a zaharozei ca solid) crește; poziția sa poate fi, de asemenea, determinată rapid și precis cu ajutorul DSC.
Concluzie
Caracteristicile esențiale pentru proiectarea procesului de uscare primară sunt temperatura de tranziție vitroasă a soluției maxim concentrate (Tg´) și temperatura de colaps la care materialul se înmoaie astfel încât nu își mai poate susține propria structură și începe să curgă. Folosind DSC (uneori TM-DSC*), Tg´poate fi determinată cu ușurință.
Temperatura de colaps este ușor mai mare decât Tg´; intervalul exact dintre Tg´și temperatura de colaps depinde de formulă.