Inledning
Stabiliteten hos API:er (aktiva läkemedelssubstanser) och hjälpämnen är direkt relaterad till förvaringsförhållandena: Förvaring vid felaktig temperatur (för varmt eller för kallt) kan påverka deras effekt, säkerhet och hållbarhet. De tester för stabilitet vid lagring av läkemedel som beskrivs i riktlinjerna från WHO (Världshälsoorganisationen) och ICH (International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Human Use) kräver minst 6 månader för att slutföras. [1, 2]
Den första informationen om en substans stabilitet under specifika temperaturförhållanden kan erhållas inom de första timmarna. För detta ändamål utvärderas kinetiken för substansens nedbrytningsprocess (termisk nedbrytning, desolvering, dehydrering) och används för att bestämma dess beteende under långtidsisotermer. Detta gör det möjligt att snabbt genomföra den första sorteringen av API:er/hjälpämnen.
I det följande fastställs kinetiken för dehydratiseringsreaktionen för kalciumvätefosfatdihydrat, CaHPO4-2H2O(även kallat DCP). För att göra detta används termogravimetriska mätningar som utförs vid olika uppvärmningshastigheter för att utvärdera reaktionskinetiken med hjälp av programvaran NETZSCH Kinetics Neo .
Mätförhållanden
DCP är ett fyllmedel som vanligen används för tablettläggning. Substansen som användes för mätningarna tillhandahölls vänligen av JRS Pharma (kommersiellt namn: Emcompress®). Försöksbetingelserna sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Testförhållanden
Anordning | TG 209 F1 Nevio kopplad till FT-IR spektrometer från Bruker Optics (PERSEUS® koppling) | TG 209 F1 Nevio |
|---|---|---|
| Provtagning | DCP Emcompress® (JRS Pharma) | |
| Provets massa | 3.71 mg | 3.71 mg till 4,30 mg |
| Smältdegel | Sluten Concavus® (Al) med genomborrat lock | |
| Temperaturprogram | 30°C till 300°C | |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min | 1 K/min till 20 K/min |
Resultat av mätning
TGA-FT-IR-mätning på DCP
Figur 1 visar massförlustkurvan (grön) och Gram Schmidt-diagrammet (svart) från TGA-FTIR-mätningen på DCP. Gram Schmidt-kurvan anger de temperaturintervall där frigjorda gaser detekterades. Tre massförluststeg är synliga mellan rumstemperatur och 300°C, vilket motsvarar tre maxima i Gram-Schmidt-diagrammet. Den uppmätta restmassan på 79% motsvarar den teoretiska restmassan efter förlusten av 2H2Ofrån DCP.
FT-IR-spektrumen för de produkter som frigörs under uppvärmningen analyseras för att kontrollera om det bara är vatten eller även andra komponenter som frigörs i detta temperaturområde. I figur 2 visas FT-IR-spektra för de ämnen som frigörs under mätningen i en tredimensionell vy. Extraktion av spektra vid olika temperaturer visar att de detekterade massförluststegen endast beror på utvecklingen av vatten (se figurerna 3A, 3B och 3C, FT-IR-spektra för de ämnen som frigörs vid 110°C, 159°C och 205°C samt 3D, jämförelsespektrum för vatten från EPA-NIST-biblioteket).
Det är känt från litteraturen [4] att ytvattnet och strukturvattnet börjar lämna kristallstrukturen runt 80°C, varvid en amorf fas börjar bildas. Mängden ämne i den amorfa fasen ökar under sönderdelningen upp till 200-220°C och varierar med uppvärmningshastigheten.
Kinetisk analys av dehydratiseringsprocessen
Figur 4 visar TGA-mätkurvorna för DCP vid 6 olika uppvärmningshastigheter mellan 1 och 20 K/min. Som förväntat för denna kinetiska process flyttas massförluststegen till högre temperaturer med ökande uppvärmningshastigheter.
Detta beroende av massförluststegen på uppvärmningshastigheten gör det möjligt att använda TGA-kurvorna för en kinetisk analys av dehydratiseringen. För detta användes programvaran Kinetics Neo (av NETZSCH-Gerätebau GmbH). Den kan tilldela varje enskilt steg olika reaktionstyper med egna kinetiska parametrar, t.ex. aktiveringsenergi, reaktionsordning och pre-exponentiell faktor. Baserat på resultaten kan Kinetics Neo simulera reaktionen/reaktionerna för användarspecifika temperaturprogram, t.ex. isotermer under lång tid vid en viss temperatur.
Följande observationer hjälper till att bestämma antalet och typen av kinetiksteg.
- Förekomsten av tre massförluststeg tyder på att processen sker under loppet av minst tre steg.
- Det faktum att kurvorna vid låg uppvärmningshastighet korsar kurvorna vid hög uppvärmningshastighet (se temperaturintervallet 150°C-190°C) är en indikation på att ett reaktionssteg bör beskrivas med en konkurrens- eller parallellreaktionsmodell.
- Efter det tredje massförluststeget fortsätter massan att minska; detta kan beskrivas med ytterligare ett steg i kinetikmodellen.
I slutändan fann man att följande modell bäst beskriver processen:
- Reaktionssteget A → B beskriver det första massförluststeget i TGA-kurvan och kommer från frigörandet av ytvatten.
Reaktionsstegen
B → C → D
C → E
kan motsvara de steg som beskrivs av Rabatin et al. [3]:
CaHPO4 - 2H2O→ CaHPO4- xH2O+ (2-x)H2O(I)
H2O(I) →H2O(g)
vilket leder till bildandet av olika stökiometriska mängder vatten med CaHPO4 -H2O[produkt D] och CaHPO4 - yH2O[produkt E].
Dessutom har bildandet av den amorfa fasen påbörjats, vilket beror på uppvärmningshastigheten. Ju lägre uppvärmningshastighet, desto längre varar den amorfa fasen. Olika varaktighet av den amorfa fasen till följd av olika uppvärmningshastigheter kan vara orsaken till olika TGA-värden efter det andra sönderdelningssteget vid 180°C och orsaken till att sönderdelningen sker på parallella sätt. I Kinetics Neo beskrivs produkterna D och E med med F (F = D + E). - Detekteringstemperaturen för det tredje massförluststeget överensstämmer med den DTA-mätning som beskrivs av Rabatin et al [3], där en topp detekterades vid 195°C. Författarna associerade denna topp med följande mekanism: CaHPO4- xH2O→ CaHPO4 (amorf) + xH2O
Detta korrelerade i sin tur med steget F → G från Kinetics Neo. - Reaktionssteget G → H beskriver den kontinuerliga massminskningen över 200°C.
Figur 5 visar den goda passformen mellan de uppmätta TGA-kurvorna och de som beräknats av Kinetics Neo med hjälp av den beskrivna kinetikmodellen. Korrelationskoefficienten mellan de uppmätta och beräknade kurvorna uppgår till 0,999.
Parametrarna för varje reaktionssteg som beräknats av Kinetics Neo sammanfattas i tabell 2.
Tabell 2: Kinetiska parametrar för reaktionsstegen
| Reaktionssteg | A → B | B → C | C → D | D → E | F (D+E) → G | G → H |
| Typ av reaktion | nionde ordningen med autokatalys | nionde ordningen | nionde ordningen | nionde ordningen | diffusion | nionde ordningen |
| Aktiveringsenergi [kJ-mol-1] | 144.8 | 104.2 | 111.3 | 50.7 | 611.9 | 19.9 |
| Log (pre-exponentiell faktor) | 17.9 | 11.5 | 11.9 | 0.5 | 67.2 | 4.1 |
| Reaktionsordning | 1.59 | 0.43 | 0.91 | 0.01 | - | 3.17 |
| Kontribution | 0.063 | 0.067 | 0.150 | 0.235 | 0.495 | 0.182 |
Från utvärdering av kinetik till förutsägelser av provets beteende
Kunskap om reaktionskinetiken gör det möjligt att simulera uttorkningsprocessen för alla valda temperaturprogram, inklusive långtidsisotermer.
Figur 6 visar uttorkning av DCP under två år vid olika förvaringstemperaturer. Enligt denna simulering sker en massförlust på mer än 3% efter 6 månader vid en lagringstemperatur på 30°C (röd kurva). Vid 50°C kommer massförlusten dock redan att vara mer än 5% under samma period (ljusorange).
Dessutom innehåller Kinetics Neo en klimatkarta som tar hänsyn till de genomsnittliga temperaturmönstren under de senaste åren för de olika regionerna i världen, inklusive temperaturvariationerna under året. Med hjälp av denna information kan Kinetics Neo anpassa sin förutsägelse av provtagningsbeteendet för ett visst land. Figurerna 7 och 8 visar t.ex. prediktionskurvorna för kalciumvätefosfatdihydrat under två år i Paris (Frankrike) respektive Jakarta (Indonesien). Som väntat skiljer sig provets beteende kraftigt mellan de två städerna. Uttorkningen går snabbare i Jakarta på grund av de högre temperaturerna jämfört med i Paris.
Slutsats
Kombinationen av termogravimetri och Kinetics Neo är ett kraftfullt verktyg för att erhålla inledande information om en substans stabilitet vid specifika lagringstemperaturer.
Det kan användas för screening av API:er (aktiva farmaceutiska ingredienser) och hjälpämnen under utvecklingen av en ny läkemedelsprodukt för att göra ett förval för stabilitetsstudier av längre varaktighet.