Jämförelse av renheten hos två olika analysstandarder för karbamazepin med hjälp av DSC

Inledning

Purity Determination är en viktig kvalitetskontrollåtgärd för att säkerställa att ett ämne är säkert, tillförlitligt och lämpligt för sitt avsedda användningsområde. Den bekräftar identiteten och kvaliteten hos den önskade föreningen efter isolering, syntes eller produktion och verifierar att den är fri från väsentliga föroreningar, såsom outreagerade utgångsmaterial, biprodukter och kontaminanter. Denna analys bidrar till att utvärdera effektiviteten hos en syntes- eller tillverkningsprocess, visar om ytterligare rening krävs och säkerställer enhetligheten mellan olika tillverkningssatser.

Om ett ämne är avsett för terapeutiska tillämpningar blir renhetsanalysen ( Purity Determination ) ännu mer relevant. Renheten hos aktiva farmaceutiska ingredienser är avgörande för deras lämplighet för farmaceutiskt bruk. Föroreningar kan orsaka toxiska effekter eller äventyra stabiliteten och biotillgängligheten hos den aktiva farmaceutiska ingrediensen (API) under formulering och bearbetning. Ur ett kvalitetssäkringsperspektiv är detta särskilt relevant för analytiska standarder, som används som referensmaterial för metodutveckling, kalibrering och rutinmässig kontroll.

Eutektiska föroreningar

En förorening kan bilda ett eutektiskt system med ett ämne om den är löslig i den flytande fasen men olöslig i den fasta fasen. Vid differentiell skanningskalorimetri (DSC) kan sådana föroreningar påverka materialets smältbeteende genom att sänka den observerade smälttemperaturen och bredda smältendotermen i takt med att föroreningshalten ökar. Denna sänkning av smältpunkten ligger till grund för den så kallade ” Purity Determination ” enligt van’t Hoff-teorin [3]. Eutektiska föroreningar är därför särskilt kritiska, eftersom de påverkar smältbeteendet och stör bearbetbarheten. Därför är en snabb termisk renhetsanalys avgörande för kvalitetskontrollen [4].

Genom att analysera smältkurvans startpunkt som en funktion av den smälta fraktionen kan ett ämnes renhet uppskattas med hjälp av van’t Hoff-ekvationen (ekv. 1), enligt beskrivningen i metod A i ASTM E928 [5]. Den kopplar graden av smältpunktssänkning till koncentrationen av eutektiska föroreningar.

Där:

_TS: provets temperatur [K]
_T0: Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältpunkt för det rena ämnet [K]
R: gaskonstant (= 8,314 ^J/mol-1·K-1)
x: molfraktion av förorening
_Hf: smältvärme [^J·mol-1], beräknad utifrån topparean
F: andel som smält

För att bestämma föroreningskoncentrationen i ett prov måste följande villkor uppfyllas:

• Ämnet måste vara kristallint. ∙ Ämnet och föroreningen får inte bilda fasta lösningar; det vill säga, de är icke-blandbara i fast fas.
• Ämnet bildar ett eutektiskt system med föroreningen; det innebär att ämnet och föroreningen bildar en homogen blandning som smälter och stelnar som ett rent ämne.
• Föreningar som uppvisar PolymorfismPolymorfism är förmågan hos ett fast material att bilda olika kristallina strukturer (synonymer: former, modifieringar).polymorfism måste omvandlas fullständigt till en enda polymorf form.
• Ämnet får inte brytas ned under smältningen.

Förfarandet för bestämning av renhet med DSC beskrivs i USP <891>, Ph. Eur. 2.2.34 och i olika andra standarder, såsom ASTM E928 och DIN 51007 [3,6].

I synnerhet beskriver och standardiserar ASTM E928 [5] de DSC-specifika prestandakriterierna för högrena material (koncentration >98,5 mol-%, c <20 %, avvikelse <0,5 mol-% jämfört med referensmetoder) och definierar de specifika förhållanden under vilka DSC-mätningarna måste utföras.

Karbamazepin (CBZ) är ett syntetiskt antikonvulsivt läkemedel som upptäcktes 1953 av Novartis-koncernen och har funnits på marknaden sedan 1962 (figur 1). Det rena ämnet är ett vitt, kristallint och polymorfiskt pulver (formerna I–IV, dihydrat) med ett smältintervall på 191–192 °C (form I) och en molmassa på 236,27 g/mol. Verkningsmekanismen för CBZ bygger på hämning av spänningsstyrda Na+-kanaler. Dess främsta farmaceutiska användning är vid behandling av epilepsi, trigeminusneuralgi och bipolära störningar. CBZ kan dock även användas vid alkoholavvänjning eller för att behandla neuropatisk smärta [7,8].

I denna studie tillämpade vi van’t Hoff-diagrammet för att bestämma mängden föroreningar i två analytiska standarder av karbamazepin med olika renhetsgrader, fastställda med HPLC. I enlighet med standarden ASTM E928 utvärderade vi DSC-metodens tillämplighet och tillförlitlighet för att Identify small upptäcka skillnader i renheten hos sådana referensmaterial.

Experimentell

För ” Purity Determination ” av DSC valdes två olika (sekundära) analysstandarder av samma aktiva läkemedelssubstans, karbamazepin (CBZ). Båda produkterna tillverkades av Sigma-Aldrich (Merck KGaA) och uppfyllde tillverkarens specifikationer som framgår av tabell 1.

Tabell 1: Jämförelse av tillverkarnas specifikationer för de två kvaliteterna av karbamazepin [1,2]

Tillverkarens HPLC-analys visade en skillnad på 0,9 % i renhet mellan de två CBZ-proverna.

Denna skillnad i renhet kan valideras termiskt med hjälp av DSC-mätningar (Differential Scanning Calorimetry) (NETZSCH DSC 300 Caliris^® Supreme ) och funktionen ” Purity Determination ” i programvaran NETZSCH Proteus^® 9.

NETZSCH -programvaran DSC 300 Caliris^® Supreme och Proteus^® möjliggör ASTM-konform DSC-renhetsanalys som ett snabbtest, vilket är särskilt värdefullt för övervakning av analytiska referensstandarder för kvalitetskontroll.

Mätprotokoll

Innan analysen med NETZSCH DSC 300 Caliris^® Supreme genomfördes, rengjordes aluminium Concavus^® -kärl i isopropanol och värmekonditionerades vid 425 °C i en minut. Prover (~1,5 mg) fylldes därefter i de rengjorda deglarna och förseglades hermetiskt.

Temperaturprogrammet utformades så att uppvärmningen inleddes långt under den förväntade smältpunktens början för att ta hänsyn till den sänkning av smältpunkten som orsakas av föroreningar. Protokollet använde en tvåstegs uppvärmningsprofil: inledande snabb uppvärmning, 20 °C till 160 °C med 20 K/min; följt av en långsam temperaturökning på 0,7 K/min, från 160 °C till 200 °C. Mätningen utfördes under kvävgas med ett spolningsflöde på 40 ml/min för att upprätthålla en inert atmosfär i cellen under hela experimentet.

Mätresultat

Figur 2 visar DSC-kurvorna för den första uppvärmningscykeln för CBZ-l och CBZ-ll. De extrapolerade starttemperaturerna vid 190 °C för CBZ-l: 190,2 °C / CBZ-ll: 190 °C stämmer överens med litteraturvärdena för CBZ, 190,2 °C enligt Lide, D.R [9], men i fallet med CBZ-l är den 0,2 °C högre än för CBZ-ll.

Som tidigare nämnts kommer föroreningar i provet att sänka smältpunkten och därmed bredda DSC-kurvan. Utifrån DSC-kurvan beräknar renhetsprogrammet van't Hoff-diagrammet och ger en grafisk framställning av data från DSC-renhetsanalysen; se figur 3. Det plottar smälttemperaturen mot reciproken av den smälta fraktionen (1/F), där F representerar andelen av den totala smältpeaktytan.

Kurvan är vanligtvis inte linjär, och en större icke-linjäritet tyder på en högre halt av föroreningar. Denna avvikelse beror på effekter som uppstår före smältningen och som inte kan detekteras med DSC. Dessutom kan mätprogrammet och dataanalysen också påverka kurvans linjäritet. Om man till exempel startar segmentet med långsam temperaturökning för nära smältpunktens början kommer det att ge en felaktig Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältpunkt,_TS. Om man däremot har valt temperaturintervallet väl, kommer en felaktig inställning av topparean att störa gränserna för toppintegrationen, vilket påverkar den beräknade smältvärmen,_Hf. Båda situationerna kommer att förvärra kurvans icke-linjäritet.

För att uppnå linjäritet tillämpar analysprogramvaran en korrigeringsfaktor, c, som läggs till proportionellt till både den totala topparean och varje delarea, F. Denna iterativa justering ger ett korrigerat F-värde som resulterar i ett linjärt samband i_TS = f(1/F)

Utöver den uppmätta DSC-kurvan kräver funktionen ” Purity Determination ” i programvaran att molekylvikten för det rena ämnet anges för att resultaten ska kunna uttryckas i mol-procent. Den slutliga renheten bestäms utifrån lutningen på de lineariserade data, medan extrapolering till 1/F = 0 ger den teoretiska smälttemperaturen för det 100 % rena materialet. Resultaten är endast tillförlitliga när de justerade data uppvisar linearitet, renhetsgraden är högre än 98,5 % och korrigeringsfaktorn c är lägre än 20 % [4].

Den teoretiska smältpunkten för 100 % rent CBZ uppgår till 190,425 °C för CBZ-l och till 190,411 °C för CBZ-ll, jämfört med smälttemperaturerna 190,358 °C respektive 190,320 °C. Den beräknade orenhetshalten i det uppmätta CBZ-l-provet var 0,098 mol-% och för CBZ-ll 0,135 mol-%. Korrigeringsfaktorn för båda proverna är mindre än 10 %, 4,633 % för CBZ-l och 6,978 % för CBZ-ll, vilket visar på datans höga kvalitet och överensstämmelse med ASTM-standarden. Efter mätningen vägdes provet igen, och ingen massförlust kunde konstateras. Detta bekräftar att varken nedbrytning av provet eller avdunstning inträffade under mätningen, vilket också överensstämmer med den maximala massförlusten på 1 % som anges i ASTM-standarden.

Renheten hos CBZ-l (99,9 % HPLC) är 99,902 mol-%, medan renheten hos CBZ-ll (99 % HPLC) är 99,865 mol-%. Skillnaden på 0,037 % anses vara marginell men statistiskt signifikant enligt ett tvåsidigt t-test, även om det begränsade antalet replikat bör beaktas (figur 4). Det lägre c-värdet för CBZ-l (4,8 % jämfört med 6,2 %) tyder på mindre försmältning, vilket kan bero på en högre renhetsgrad [6].

De aktuella resultaten överensstämmer med tillverkarens specifikationer och bekräftar därmed känsligheten och tillförlitligheten hos denna termoanalytiska metod. Skillnaden i den DSC-bestämda renheten på 0,037 % (CBZ-l jämfört med CBZ-ll) avspeglar endast eutektiska föroreningar, vilket är den typ av förorening som DSC kan detektera. Den detekterade föroreningen ligger inom ASTM-metodens intervall, < 1,5 mol%, och överskrider den kvantitativa detektionsgränsen på 0,001 mol%.

Slutsats

Denna studie drar slutsatsen att DSC 300 från NETZSCH Caliris^® Supreme , i kombination med programvarufunktionen ” Purity Determination ” från NETZSCH Proteus^® för DSC, är särskilt väl lämpad för att screena föroreningar som påverkar smältprocessen och därmed för att bestämma renheten hos ett stort antal läkemedel, inklusive att skilja mellan renhetsgrader hos olika analytiska standarder.

Tack

Ett stort tack till Gabriele Kaiser och dr Stefan Schmölzer för deras värdefulla bidrag till den tekniska utvärderingen och tolkningen av resultaten.