Inledning
Kaliumklavulanat (figur 1) är ett salt av klavulansyra, som är ett viktigt ß-laktamantibiotikum som produceras av organismen Streptomyces clavuligerus [1]. I sig självt har det faktiskt bara en svag antibakteriell aktivitet mot de flesta organismer, men i kombination med antibiotikumet amoxicillin är det effektivt mot ß-laktamasproducerande stafylokockbakterier som är resistenta mot enbart amoxicillin [2, 3]. Det är därför det är en etablerad substans inom läkemedelsindustrin.
Amoxicillin och kaliumklavulanat uppvisar liknande nedbrytningsvägar. Stabiliteten hos kombinationen amoxicillin-klavulanat beror dock främst på klavulanatet, som är den mest nedbrytbara av de två [4, 5].
Nedbrytningen av kaliumklavulanat har undersökts i många artiklar [3, 4, 7, 12]. I allmänhet studerades substansen i lösningar med olika pH-nivåer och i närvaro av amoxicillin. Man har observerat att stabiliteten hos blandningen amoxicillin/klavulansyra påverkas av en temperaturökning från 25°C till 40°C [3]. Å andra sidan ökar hållbarhetstiden för blandningen signifikant om lösningens pH surgörs [4]. Det har också observerats att nedbrytningen av klavulansyra i lösningar katalyseras av hydrolysprodukterna [12]. Som visas genom användning av HPLC-metoden på prover som förvarats vid olika temperaturer och under olika atmosfäriska förhållanden, följer nedbrytningen av kaliumklavulanat i fast form en annan mekanism: De nedbrytningsprodukter som bildas i den fasta fasen har ingen katalytisk effekt [8].
Den termiska stabiliteten kan också undersökas med hjälp av termogravimetri, som bland annat bestämmer den temperatur vid vilken ett material börjar brytas ned eller reagera [9]. Den termiska nedbrytningen av fast kaliumklavulanat karakteriserades med hjälp av en termobalans kopplad till en FT-IR-spektrometer i [13]. I det följande används termogravimetriska mätningar för att utföra kinetiska studier av sönderdelningsreaktionen.
Detta gör det möjligt att förutsäga nedbrytningen av kaliumklavulanat under specifika temperatur- och tidsförhållanden. Kunskap om den termiska stabiliteten och förståelse av nedbrytningsprocessen för kaliumklavulanat i fast tillstånd gör det möjligt att optimera lagringsförhållandena.
Experimentell
TGA-mätningarna utfördes med en NETZSCH TG 209 F1 Libra® termobalans med automatisk provväxlare. Från TGA-FT-IR-mätningen som beskrivs i [13] lärde vi oss att provet släpper ut ytvatten så snart mätningen startar. Av denna anledning utfördes de följande mätningarna med hjälp av slutna aluminiumdeglar. Strax före mätningen genomborrades degelns lock automatiskt av ASC:s genomborrningsanordning. Detta förhindrar att provet släpper ut sitt ytvatten redan innan den faktiska mätningen startar, vilket skulle förfalska värdet på den ursprungliga massan.
Provmassorna var mellan 4,33 och 5,04 mg. Proverna upphettades mellan rumstemperatur och 600°C med fyra upphettningshastigheter som varierade från 1 K/min till 10 K/min. Mätningarna utfördes i en dynamisk kväveatmosfär (40 ml/min).
De erhållna TGA-kurvorna ligger till grund för den kinetiska utvärderingen av sönderdelningsreaktionen.
För detta användes programvaran Kinetics Neo (från NETZSCH-Gerätebau GmbH). Den gör det möjligt att modellera kinetiken för enstegs- till flerstegsreaktioner.
Programvaran kan tilldela varje enskilt steg till olika reaktionstyper med egna kinetiska parametrar, t.ex. aktiveringsenergi, reaktionsordning och pre-exponentiell faktor. Baserat på resultaten kan Kinetics Neo simulera reaktionen/erna för användarspecifika temperaturprogram.
Resultat och diskussion
TGA-mätningar
Figur 2 visar TGA- och DTG-kurvorna (första derivatan) från mätningarna på kaliumklavulanat vid uppvärmningshastigheter på 1, 3, 5 och 10 K/min. Det första massförluststeget, som detekteras mellan rumstemperatur och 120°C, beror på avdunstning av ytvatten [13]. Vidare beror de tre massförluststegen som identifierats mellan 120°C och 600°C på nedbrytningen av kaliumklavulanat. De förskjuts till högre temperaturer med ökande uppvärmningshastigheter (kinetisk påverkan). Vid en uppvärmningshastighet på 1 K/min inträffar t.ex. det första nedbrytningssteget vid 167°C (DTG-topp), medan det vid en uppvärmningshastighet på 10 K/min inträffar vid 184°C (DTG-topp). Det sista sönderdelningssteget blir mer uttalat med ökande uppvärmningshastighet: Vid en uppvärmningshastighet på 5 K/min observeras en DTG-topp vid 412°C (röd streckad kurva), medan den vid 10 K/min inträffar vid 417°C (svart streckad kurva).
Kinetisk analys av den termiska nedbrytningen
Nedbrytningens beroende av uppvärmningshastigheten gör det möjligt att utvärdera processen med hjälp av programvaran NETZSCH Kinetics Neo . Figur 3 visar TGA-mätkurvorna mellan 130°C och 600°C som användes för den kinetiska utvärderingen. Avgivningen av ytvatten vid temperaturer lägre än 130°C har inte beaktats.
De tre på varandra följande massförlusterna som detekterats indikerar minst tre nedbrytningssteg. DTG-kurvan för mätningen vid 1 K/min som presenteras i figur 4 visar tre toppar vid 167°C, 293°C och 368°C, men också två axlar med starttemperaturer vid 241°C och 322°C. Det är anledningen till att Kinetics Neo föreslår en kinetisk modell med fem på varandra följande steg av n :te ordningen.
Reaktionshastigheten för varje steg j beskrivs av funktionen: Reaktionshastighetj =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: pre-exponentiell faktor
Ej: aktiveringsenergi [J.mol-1]
T: temperatur [K]
R: gaskonstant (8,314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj): funktion som beror på koncentrationen av
den initiala reaktantenej och koncentrationen av produkten pj
I figur 5 jämförs de uppmätta TGA-kurvorna (streckade linjer) med de beräknade kurvorna (heldragna linjer) för den valda 5-stegsmodellen. En hög korrelationskoefficient, >0,999, uppnås mellan uppmätta och beräknade data.
I tabell 1 sammanfattas resultaten av den kinetiska utvärderingen för varje steg. Den teoretiska massförlusten beräknas genom att multiplicera reaktionsstegets bidrag till nedbrytningen med den totala massförlust som uppstår under nedbrytningen.
Det första nedbrytningssteget, A→B, är förknippat med en beräknad massförlust på 11,9% och motsvarar de experimentella värdena på 11%. Massaförlusten för det sista steget, E→F, uppgår till 13,9%. Detta är något högre än det experimentella värdet på 11 - 12%. Det betyder att det sista massförluststeget startar tidigare (< 360°C). Den totala massförlusten i stegen B→C, C→D och D→E är 36,9% och motsvarar den komplexa nedbrytningsprocessen runt 300°C (DTG-toppen) i figur 2.
Tab 1: Kinetiska parametrar för termisk nedbrytning av kaliumklavulanat
| Reaktionssteg | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| Aktiveringsenergi [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| Pre-exponentiell faktor | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| Reaktionsordning | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| Bidrag | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| Teoretisk massförlust | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
Den goda korrelationen mellan mätningarna och nionde ordningens reaktioner bekräftar slutsatserna i [8] att i motsats till dess nedbrytningsbeteende i lösningar är nedbrytningen av kaliumklavulanat i fast tillstånd inte autokatalyserad.
Den kinetiska utvärderingen utfördes med en hög korrelationskoefficient och därmed en hög grad av överensstämmelse mellan de uppmätta och simulerade TGA-kurvorna, så att förutsägelser om det långsiktiga beteendet under olika lagringstemperaturer är möjliga. Som ett exempel visar figur 6 massförändringen mot tiden baserat på 5-stegsmodellen med på varandra följande steg; den representerar förutsägelsen av nedbrytningen av kaliumklavulanat för olika temperaturer mellan 80°C och 150°C i en kväveatmosfär. Med ökande temperatur ökar nedbrytningen. Denna effekt kan observeras redan vid en förvaringstemperatur på 90°C (grön kurva i den övre delen av diagrammet - figur 6).
Figur 7 visar läkemedlets stabilitet i en inert atmosfär under 5 år, vid temperaturer mellan 20°C och 80°C. Det verkar som om ingen signifikant massförlust sker i prediktionen för temperaturer upp till 60°C.
En påminnelse bör här infogas om att nedbrytningskinetiken utfördes på ett torrt prov. Vatten har dock stort inflytande på nedbrytningen av kaliumklavulanat: Förvaring i fuktig atmosfär förskjuter dess nedbrytning till lägre temperaturer [10]. J. Cieleka-Piontek visar att kaliumklavulanatprover bryts ned snabbare om de utsätts för ökad luftfuktighet än när de utsätts för torr luft och föreslår att angreppet av en vattenmolekyl på karbonylgruppen i ß-laktamringen inducerar termolys [8].
För att validera den kinetiska modell som beräknats av Kinetics Neo för förutsägelse av nedbrytningsbeteendet under isoterma förhållanden, upphettades ett kaliumklavulanatprov på 9,23 mg till 200°C och hölls sedan isotermt i två timmar. Övervakningen av mätningen startade vid 120°C för att utesluta massförlusten till följd av att ytvatten frigörs.
I figur 8 jämförs de massförluster som bestämts via mätning med de som bestämts via prediktion (Kinetics Neo). Jämförelsen visar den goda överensstämmelsen mellan de två kurvorna och därmed tillförlitligheten i beräkningen.
Slutsats
Kinetiken för den termiska nedbrytningen av kaliumklavulanat i fast form under kväve undersöktes med hjälp av termogravimetri och Kinetics Neo. En hög korrelationsnivå mellan uppmätta och simulerade data kan erhållas genom att använda en kinetisk modell med fem steg där varje steg är av n:te ordningen. Detta gör det möjligt att förutsäga lagringsbeteendet under olika temperaturer, temperaturprofiler och perioder.
Resultaten valideras genom att jämföra TGA-mätningen under en specificerad temperaturprofil inklusive IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermiskt segment med de förutsägelser som beräknas av Kinetics Neo.