Inledning
Frystorkning (frystorkning) är en teknik som ofta används inom farmaceutisk teknik för att omvandla termolabila substanser som proteiner eller liposomer - utan värmebehandling - till användbara och lagringsbara former. Målet med frystorkning är att försiktigt avlägsna vatten från lösningar för att erhålla ett stabilt pulver med definierad restfuktighet och porositet.
En produkts sammansättning har ett avgörande inflytande på processparametrarna och därmed också på typ, kvalitet och stabilitet hos det resulterande frystorkade materialet. Dynamisk skanningskalorimetri (DSC) ger viktig information för val av lämpliga förhållanden.
De lösningar som ska frystorkas är vanligtvis komplexa flerkomponentsystem som består av aktiva ingredienser, tillsatser och vatten. Till hjälpämnena hör toningssalter (för justering av isotonicitet), buffertämnen, kryoprotektorer (för skydd mot skador under frysning) och byggnadsämnen som ger struktur åt den frystorkade produkten. Sockerarter som sackaros eller trehalos har visat sig vara mycket effektiva för att stabilisera proteiner [5]. Följande överväganden baseras på sackaros som modellsubstans. De lösningar som nämns har framställts av kommersiellt tillgänglig sackaros av farmaceutisk kvalitet (Caesar & Loretz, Hilden) och dubbeldestillerat vatten.
Frysningsprocessen kan i allmänhet delas in i 3 på varandra följande steg:
Djupfrysning
Sockerlösningar tenderar att bli övermättade. Vid kylning bildas is och en alltmer trögflytande sackaroslösning. Den ökande viskositeten försvårar diffusionsprocesser, som skulle vara nödvändiga för KristalliseringKristallisation är den fysiska processen av härdning under bildandet och tillväxten av kristaller. Under denna process frigörs kristallisationsvärme.kristallisering. Detta leder till att systemet inte kristalliserar utan stelnar som en underkyld vätska utan fullständig fasseparation (glas). Glasövergångstemperaturen för den maximalt koncentrerade lösningen betecknas Tg' och är substansspecifik [3].
Under kylning kan ofta superkylning observeras. Läkemedelslösningar för parenteral användning (administrering som undviker mag-tarmkanalen), som måste vara partikelfria, utgör ett extremt fall. De har praktiskt taget inga heterogena föroreningar som kan fungera som kristallisationskärnor. Därför är kristallkärnbildning i sådana lösningar ofta endast sannolik när temperaturen närmar sig -40°C.
Frysningsbeteendet hos en 10% sackaroslösning visas i figur 2. Provet kyldes med NETZSCH DSC 204 F1 (se figur 1) i en sluten aluminiumdegel med en kontrollerad kylhastighet på 5 K/min. Den underkylda lösningen stelnar extremt snabbt vid -20°C (extrapolerad begynnelsetemperatur).
Grova fläckar på degelns insida eller spår av föroreningar som orsakats av beredningen kan fungera som frökristaller. Av denna anledning kan stelningstemperaturer som bestäms på detta sätt i allmänhet inte korreleras med koncentrationen av de sockerlösningar som används.
Under övergången från vatten till is sker en förändring av den specifika värmen från 4,18 J/g-K (vatten) till 2,1 J/g-K (is, strax under fryspunkten), vilket är huvudorsaken till den tydliga baslinjeförskjutningen före och efter stelnings-/smältningstoppen (fig. 2: övergång från vatten till is - och fig. 3: övergång från is till vatten).
Vid den efterföljande uppvärmningen med en uppvärmningshastighet på 5 K/min (fig. 3) uppträder glasövergången för den maximalt koncentrerade lösningen vid -32°C (mittpunkt). Detta värde stämmer väl överens med litteraturdata som antar -32°C och -33°C [2], [4].
Glasövergången följs av en endotermisk topp under uppvärmning (infälld i figur 3), vars extrapolerade starttemperatur, Tm´, beskriver början på smältningen av isen. Enligt Roos [1] kan den maximala "frysningskoncentrationen" endast observeras vid frysningstemperaturer mellan Tg´och Tm´.
Området under smälttoppen motsvarar den fria vattendelen. Referenspunkten här är isens smältvärme på 333,7 J/g.
I lösningar med låg koncentration kan sackarosandelen bestämmas utifrån höjden på respektive glasövergång. I figur 4 är steghöjderna (ΔSpecifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-värden) för lösningar på 5%, 10% och 20% - med resultat på 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K och 0,516 J/g-K - i mycket god överensstämmelse med en skalning av koncentrationen med en faktor 2, medan glasövergångstemperaturerna förblir i stort sett konstanta. Det finns ett linjärt samband mellan steghöjden och koncentrationen (fig. 5).
När koncentrationen av sackaroslösningarna ökar förskjuts dessutom starten på issmältningen (extrapolerad starttemperatur) till lägre värden i figur 6. Vid högre koncentrationer resulterar detta i ett kortare intervall mellan glasövergången för den maximalt koncentrerade lösningen och starten på smältningen av det fria vattnet.
Vissa amorfa ämnen kristalliserar igen vid uppvärmning över glastemperaturen. Denna effekt, som kallas devitrifikation eller kall kristallisation, kan användas för att ändra porositeten och den kvarvarande fukten i lyofilisatet [2] genom att temperera materialet över omkristallisationstemperaturen (extrapolerad början). På grund av omkristallisering sker en fasseparation och det "ofrusna" vattnet som frigörs förvandlas till is. Som framgår av figur 3 sker dock ingen efterkristallisation när det gäller sackaros.
Primär torkning
I detta steg avlägsnas den frusna isen i vakuum genom sublimering (övergång från fast till gasformigt aggregattillstånd).
Under denna process - där värme tillförs utifrån - får temperaturen i produkten inte stiga över glasövergångstemperaturen eftersom detta leder till att ramstrukturen mjuknar och systemet kollapsar [5]. Förstörelsen av ramstrukturen under torkningsfasen kallas kollaps.
Även om kollapstemperaturer rapporteras som är i genomsnitt 1 till 5 K högre än motsvarande glasövergångstemperaturer [6], är glasövergångarna för de maximalt koncentrerade lösningarna, Tg´, som kan bestämmas med hjälp av DSC, bra referenspunkter för deras position.
Sekundär torkning
I detta steg torkas produkten till önskad slutlig fuktnivå genom att vattnet i matrisen desorberas via en långsam temperaturhöjning.
I amorfa lyofilisater måste vattnet diffundera från den glasartade fasen till ytan. Denna ganska långsamma process är anledningen till att det ofta är eftertorkningssteget som avgör hur snabbt frystorkningen av amorfa lyofilisater går [2].
På grund av vattnets mjukgörande effekt är den amorfa fasens glasomvandlingstemperatur direkt relaterad till den inneslutna vattenhalten. När avvattningen fortskrider ökar Tg (glasövergången för sackaros som fast ämne); dess position kan också bestämmas snabbt och exakt med hjälp av DSC.
Slutsats
Viktiga egenskaper för att utforma den primära torkningsprocessen är glasövergångstemperaturen för den maximalt koncentrerade lösningen (Tg´) och kollapstemperaturen vid vilken materialet mjuknar så att det inte längre kan stödja sin egen struktur och börjar flyta. Med hjälp av DSC (ibland som TM-DSC*) kan Tg´enkelt bestämmas.
Kollapstemperaturen är något högre än Tg´; det exakta intervallet mellan Tg´och kollapstemperaturen är formuleringsberoende.