Giriş
Dondurarak kurutma (liyofilizasyon), proteinler veya lipozomlar gibi ısıya dayanıklı maddeleri - ısıl işleme tabi tutmadan - kullanılabilir ve depolanabilir formlara dönüştürmek için farmasötik teknolojilerde yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Liyofilizasyonun amacı, tanımlanmış artık nem ve gözenekliliğe sahip kararlı bir toz elde etmek için çözeltilerden suyun nazikçe uzaklaştırılmasıdır.
Bir ürünün bileşimi, proses parametreleri üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir ve dolayısıyla elde edilen liyofilizatın türü, kalitesi ve stabilitesi üzerinde de bir etkiye sahiptir. Dinamik taramalı kalorimetri (DSC), uygun koşulların selectiyonu için önemli bilgiler sağlar.
Liyofilize edilecek çözeltiler genellikle aktif bileşenler, katkı maddeleri ve sudan oluşan karmaşık çok bileşenli sistemlerdir. Yardımcı maddeler arasında tonlama tuzları (izotonisitenin ayarlanması için), tampon maddeler, kriyoprotektörler (dondurma sırasında hasara karşı koruma için) ve dondurularak kurutulmuş ürüne yapı kazandıran yapıcılar bulunur. Sükroz veya trehaloz gibi şekerlerin proteinleri stabilize etmede çok etkili olduğu kanıtlanmıştır [5]. Aşağıdaki hususlar, model madde olarak sükroza dayanmaktadır. Bahsedilen çözeltiler, farmasötik kalitede ticari olarak temin edilebilen sükroz (Caesar & Loretz, Hilden) ve çift damıtılmış sudan üretilmiştir.
Liyofilizasyon işlemi genel olarak 3 ardışık adıma ayrılabilir:
Derin Dondurucu
Şeker çözeltileri aşırı doyma eğilimindedir. Soğutulduktan sonra buz ve giderek daha viskoz hale gelen bir sakaroz çözeltisi oluşur. Artan viskozite, KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme için gerekli olan difüzyon süreçlerini zorlaştırır. Sonuç olarak, sistem kristalleşmez ancak tam faz ayrımı (cam) olmadan az soğutulmuş bir sıvı olarak katılaşır. Maksimum konsantrasyondaki çözeltinin camsı geçiş sıcaklığı Tg' olarak adlandırılır ve maddeye özgüdür [3].
Soğutma sırasında genellikle aşırı soğuma gözlemlenebilir. Partikülsüz olması gereken parenteral uygulama (gastrointestinal sistemden kaçınarak uygulama) için farmasötik çözeltiler uç bir durumu temsil eder. KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.Kristalleşme çekirdeği olarak hareket edebilecek heterojen safsızlıklara neredeyse hiç sahip değildirler. Bu nedenle, bu tür çözeltilerde kristal çekirdeklenmesi genellikle sadece sıcaklık -40°C'ye yaklaştıkça olasıdır.
10'luk bir sükroz çözeltisinin donma davranışı Şekil 2'de gösterilmektedir. Numune NETZSCH DSC 204 F1 (bkz. Şekil 1) ile kapalı bir alüminyum kroze içinde 5 K/dak kontrollü soğutma hızında soğutulmuştur. Aşırı soğutulmuş çözelti -20°C'de (ekstrapole edilmiş başlangıç sıcaklığı) son derece hızlı bir şekilde katılaşır.
Krozenin iç kısmındaki pürüzlü spots veya hazırlamadan kaynaklanan kirlenme izleri tohum kristalleri olarak işlev görebilir. Bu nedenle, bu şekilde belirlenen katılaşma sıcaklıkları genellikle kullanılan şeker çözeltilerinin konsantrasyonu ile ilişkilendirilemez.
Sudan buza geçiş sırasında, özgül ısıda 4,18 J/g-K'den (su) 2,1 J/g-K'ye (buz, donma noktasının hemen altında) bir değişiklik meydana gelir ve bu da katılaşma/erime zirvesinden önce ve sonra belirgin taban çizgisi kaymasından sorumludur (şekil 2: sudan buza geçiş - ve şekil 3: buzdan suya geçiş).
Daha sonra 5 K/dak ısıtma hızında yapılan ısıtmada (şekil 3), maksimum konsantrasyondaki çözeltinin camsı geçişi -32°C'de (orta nokta) ortaya çıkmaktadır. Bu değer -32°C ve -33°C olarak kabul edilen literatür verileriyle iyi bir uyum içindedir [2], [4].
Camsı geçişi, ısıtma sırasında endotermal bir tepe izler (şekil 3'teki ek), ekstrapole edilmiş başlangıç sıcaklığı olan Tm´, buzun erimesinin başlangıcını tanımlar. Roos'a [1] göre, maksimum "donma konsantrasyonu" yalnızca Tg´ve Tm´arasındaki donma sıcaklıklarında gözlemlenebilir.
Erime pikinin altındaki alan serbest su kısmına karşılık gelir. Buradaki referans noktası, buzun 333,7 J/g olan füzyon ısısıdır.
Düşük konsantrasyonlu çözeltilerde, sükroz oranı ilgili camsı geçişin yüksekliğinden belirlenebilir. Şekil 4'te, %5, %10 ve %20'lik çözeltiler için basamak yükseklikleri (ΔÖzgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp değerleri) - 0,127 J/g-K, 0,258 J/g-K ve 0,516 J/g-K sonuçlarıyla - cam geçiş sıcaklıkları largely sabit kalırken, konsantrasyonun 2 kat ölçeklendirilmesiyle çok iyi bir uyum içindedir. Basamak yüksekliği ile konsantrasyon arasında doğrusal bir ilişki vardır (Şekil 5).
Ayrıca, sükroz çözeltilerinin konsantrasyonu arttıkça, buzunErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime başlangıcı (ekstrapole edilmiş başlangıç sıcaklığı) şekil 6'da daha düşük değerlere kaymaktadır. Daha yüksek konsantrasyonlarda bu, maksimum konsantrasyondaki çözeltinin camsı geçişi ile serbest suyun erimeye başlaması arasında daha düşük bir aralıkla sonuçlanır.
Bazı amorf maddeler cam sıcaklığının üzerinde ısıtıldığında tekrar kristalleşir. Devitrifikasyon veya soğuk KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme olarak adlandırılan bu etki, malzemenin yeniden KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme sıcaklığının (ekstrapole edilmiş başlangıç) üzerinde temperlenmesi yoluyla liyofilizatın gözenekliliğini ve kalan nemini değiştirmek için kullanılabilir [2]. Yeniden KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme nedeniyle bir faz ayrımı meydana gelir ve serbest kalan "donmamış" su buza dönüşür. Ancak şekil 3'te gösterildiği gibi, sükroz durumunda KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme sonrası bir durum meydana gelmez.
Birincil Kurutma
Bu adımda, donmuş buz süblimasyon (katı halden gaz haline geçiş) yoluyla vakum altında uzaklaştırılır.
Isının dışarıdan sağlandığı bu işlem sırasında üründeki sıcaklık camsı geçiş sıcaklığının üzerine çıkmamalıdır çünkü bu durum çerçeve yapısının yumuşamasına ve sistemin çökmesine neden olur [5]. Kurutma aşaması sırasında çerçeve yapısının yok olmasına çökme denir.
Çökme sıcaklıklarının ilgili camsı geçiş sıcaklıklarından ortalama 1 ila 5 K daha yüksek olduğu bildirilse de [6], maksimum konsantrasyondaki çözeltilerin camsı geçişleri, DSC aracılığıyla belirlenebilen Tg´, konumları için iyi bir referans noktasıdır.
İkincil Kurutma
Bu adımda ürün, sıcaklıkta yavaş bir artış yoluyla matriste bulunan suyun desorbe edilmesiyle istenen nihai nem seviyesine kadar kurutulur.
Amorf liyofilizatlarda suyun camsı fazdan yüzeye difüze olması gerekir. Bu oldukça yavaş süreç, amorf liyofilizatlar için dondurarak kurutma hızını belirleyen adımın genellikle kurutma sonrası adım olmasının nedenidir [2].
Suyun yumuşatıcı etkisi nedeniyle amorf fazın camsı geçiş sıcaklığı, hapsedilen su içeriğiyle doğrudan ilişkilidir. Susuzlaştırma ilerledikçe, Tg (sükrozun katı olarak camsı geçişi) artar; konumu da DSC aracılığıyla hızlı ve kesin bir şekilde belirlenebilir.
Sonuç
Birincil kurutma sürecinin tasarlanması için temel özellikler, maksimum konsantre çözeltinin camsı geçiş sıcaklığı (Tg´) ve malzemenin artık kendi yapısını destekleyemeyecek şekilde yumuşadığı ve akmaya başladığı çökme sıcaklığıdır. DSC (bazen TM-DSC* olarak da adlandırılır) kullanılarak Tg´kolayca belirlenebilir.
Çökme sıcaklığı Tg´denbiraz daha yüksektir; Tg´ile çökme sıcaklığı arasındaki kesin aralık formülasyona bağlıdır.