UNIVERSITEIT GENT FACULTEIT FARMACEUTISCHE WETENSCHAPPEN
Vakgroep Geneesmiddelenleer Laboratorium Farmaceutische Technologie Academiejaar 2011-2012
De ontwikkeling van een pH-onafhankelijke release formulatie met behulp van Injection Moulding Reinout VANDEPUTTE Master na Master Industriële Farmacie
Promotor Prof. dr. C. Vervaet
Commissarissen Prof. dr. J.P. Remon Prof. dr. R. Kemel Prof. dr. G. Van den Mooter Prof. dr. T. De Beer Prof. dr. A. Ludwig
Experimenteel begeleider Apr. B. Claeys
UNIVERSITEIT GENT FACULTEIT FARMACEUTISCHE WETENSCHAPPEN
Vakgroep Geneesmiddelenleer Laboratorium Farmaceutische Technologie Academiejaar 2011-2012
De ontwikkeling van een pH-onafhankelijke release formulatie met behulp van Injection Moulding Reinout VANDEPUTTE Master na Master Industriële Farmacie
Promotor Prof. dr. C. Vervaet
Commissarissen Prof. dr. J.P. Remon Prof. dr. R. Kemel Prof. dr. G. Van den Mooter Prof. dr. T. De Beer Prof. dr. A. Ludwig
Experimenteel begeleider Apr. B. Claeys
AUTEURSRECHT
“De auteur en de promotor geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van de resultaten uit deze masterproef.”
29 mei 2012
Promotor
Auteur
Prof. dr. C. Vervaet
Reinout Vandeputte
DANKWOORD
Graag wens ik mijn promotor Prof. dr. Apr. C. Vervaet te bedanken om deze onderzoeksstage mogelijk te maken, en tevens ook Prof. dr. Apr. J. P. Remon en Prof. dr. Apr. T. De Beer om het labo en alle toestellen voor mij beschikbaar te stellen.
Speciale dank aan Bart, mijn experimenteel begeleider, voor de uitleg, het begeleiden van de ganse thesis, het voorstellen van interessante inzichten en denkwijzen, het naleeswerk en het verbeteren van mijn thesis!
Aan al het personeel van het labo: bedankt voor de handig tips,de uitleg en de hulp wanneer iets niet duidelijk was of een toestel rare kuren kreeg. Merci aan de medethesisstudenten voor de steun, het delen in de verzichtingen, en het maken van een leuke kwinkslag of algemene hilariteit.
Bedankt ook aan de familie en vrienden om voor de tweede keer geïnteresseerd te zijn in een ‘onbegrijpbare thesis’, de steun, het luisteren naar gezaag over mislukte testen en onverklaarbare gegevens en voor de leuke momenten waarbij de thesis aan de kant geschoven kon worden
INHOUDSTAFEL 1.
INLEIDING....................................................................................................................1 1.1. SOLID DISPERSIONS ..................................................................................................... 2 1.1.1.
Productie van solid dispersions ................................................................. 3
1.2. HOT MELT EXTRUSIE .................................................................................................... 4 1.2.1.
Extrusietechnieken ................................................................................... 5
1.2.1.1. Ram-extrusie .............................................................................................. 5 1.2.1.2. Single screw extrusie ................................................................................. 5 1.2.1.3. Twin screw extrusie ................................................................................... 5 1.2.2.
Materialen ................................................................................................ 7
1.2.3.
Stabiliteit .................................................................................................. 7
1.3. INJECTION MOULDING ................................................................................................ 8 1.4. EUDRAGIT® .................................................................................................................. 9 1.4.1.
Inleiding.................................................................................................... 9
1.4.2.
Eudragit® E ............................................................................................... 9
1.5. IBUPROFEN ................................................................................................................ 10 1.6. MICROZUUR KLIMAAT ............................................................................................... 10 1.6.1.
Introductie .............................................................................................. 10
1.6.2.
Keuze zuren ............................................................................................ 11
1.7. KARAKTERISATIE VAN SOLID DISPERSIONS ............................................................... 11 1.7.1.
Modulated Differential Scanning Calorimetrie (MDSC) ............................ 11
1.7.2.
Hot Stage Microscopie ............................................................................ 14
1.7.3.
X-straal diffractie .................................................................................... 14
2.
OBJECTIEVEN ........................................................................................................... 16
3.
MATERIAAL EN METHODEN ..................................................................................... 18 3.1. AANMAAK VAN TABLETTEN VIA HOT MELT EXTRUSIE EN INJECTION MOULDING .. 18 3.1.1.
Polymeer en actieve stof ......................................................................... 18
3.1.2.
Zuren ...................................................................................................... 18
3.1.3.
Additieven .............................................................................................. 19
3.2. HOT MELT EXTRUSIE EN INJECTION MOULDING....................................................... 19 3.3. BUFFERS ..................................................................................................................... 20
3.3.1.
Buffer pH 1 ............................................................................................. 20
3.3.2.
Buffer pH 3, pH 5 , pH 7 ........................................................................... 20
3.4. DISSOLUTIETESTEN .................................................................................................... 20 3.5. BEPALING VAN DE VRIJSTELLING VAN IBUPROFEN ................................................... 21 3.5.1.
UV-VIS spectrofotometrie ....................................................................... 21
3.5.2.
HPLC + UV-VIS spectrofotometrie ............................................................ 21
3.6. KARAKTERISATIE ........................................................................................................ 21
4.
3.6.1.
Modulated Differential Scanning Calorimetrie (MDSC) ............................ 21
3.6.2.
Hot Stage Microscopy ............................................................................. 21
3.6.3.
X-straaldiffractie ..................................................................................... 21
3.6.4.
pKa-bepaling ........................................................................................... 22
3.6.5.
Bepaling maximale oplosbaarheid ibuprofen ........................................... 22
3.6.6.
Stabiliteitstesten ..................................................................................... 22
RESULTATEN ............................................................................................................ 23 4.1. KARAKTERISATIE ........................................................................................................ 23 4.1.1.
Ibuprofen en Eudragit® E PO ................................................................... 23
4.1.2.
Processeerbaarheid van Ibuprofen en Eudragit® E PO: solid solution? ..... 25
4.1.3.
Het plasticizing effect van ibuprofen op Eudragit® E PO. .......................... 27
4.2. RELEASE VAN IBUPROFEN ......................................................................................... 29 4.2.1.
Release van ibuprofen............................................................................. 29
4.3. EFFECT VAN BIVALENTE ZUREN OP DE RELEASE VAN IBUPROFEN ........................... 31 4.3.1. Effect van het gehalte zuur in de formulatie (g/g) op de vrijstelling van ibuprofen.................................................................................................. 31 4.3.2. Effect van het molair gehalte zuur (mol/g formulatie) op de vrijstelling van ibuprofen.................................................................................................. 34 4.3.3.
Maximale oplosbaarheid adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur........... 35
4.3.4.
Stabiliteit van de formulaties .................................................................. 37
4.4. AANTONEN VAN HET BESTAAN VAN EEN LOKAAL MICROZUUR KLIMAAT ............... 38 4.4.1.
Dissolutie van tabletten met succinezuur en met natriumsuccinaat ......... 38
4.4.2.
Dissolutie van tabletten met succinezuur en malonzuur .......................... 39
4.4.3. Effect van de verhouding ibuprofen en de hoeveelheid polymeer-zuur op de dissolutiesnelheid ..................................................................................... 41
4.5. VERGELIJKING VAN HET EFFECT VAN SUCCINEZUUR T.O.V. ANDERE MOLECULEN IN DE FORMULATIE OP DE DISSOLUTIESNELHEID VAN IBUPROFEN. ................................ 42 4.5.1. Vergelijking vrijstellingsprofielen succinezuur met maleïnezuur en Ltartaarzuur ............................................................................................... 42 4.5.2.
Vergelijking vrijstellingsprofielen succinezuur met citroenzuur ................ 42
4.5.3.
Vergelijking vrijstellingsprofiel succinezuur, glycine en NaCl .................... 43
5.
VERDER ONDERZOEK ............................................................................................... 45
6.
BESLUIT ................................................................................................................... 46
7.
LITERATUURLIJST ..................................................................................................... 48
LIJST MET GEBRUIKTE AFKORTINGEN
DSC
Differential Scanning Calorymetry
EudrE
Eudragit® E PO
HME
Hot Melt Extrusie
HSM
Hot Stage Microscopy
IBU
Ibuprofen
IM
Injection Moulding
MDSC
Modulated Differential Scanning Calorymetry
NSAID
Niet-steriodaal antiïnflammatoir geneesmiddel
Tg
Glastransitietemperatuur
UV-VIS
Ultra Violet – Visible Light
Wt.%
Procentueel gehalte (g/g)
1.
INLEIDING
In de geneesmiddelenontwikkeling is er de afgelopen jaren een tendens naar het routinematig gebruik van high-throughputscreening technieken. Deze nieuw ontwikkelde lead compounds kenmerken zich hierdoor met een grotere lipofiliciteit, een hogere moleculaire massa, en een lagere wateroplosbaarheid. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van nieuwe formulatiestrategieën die de orale biologische beschikbaarheid moeten verhogen. (Lipinsky C, 2002)
dM/dt = D.S.(Cs-Cb)/x) waarbij dM/dt = Diffusiesnelheid (mol/m²s) D = Diffusieconstante (s-1) S = Diffusieoppervlak (m²) Cs = Concentratie aan het oppervlak van de tablet (mol/m³) Cs = Concentratie in het medium (mol/m³) x = Diffusieafstand(m)
FIGUUR 1.1. DIFFUSIEWET VAN NOYES-WHITNEY (Bikiaris, D. 2001)
Het verbeteren van de oplosbaarheid en de oplossnelheid van een molecule kan via verschillende methoden benaderd worden. Uitgaande van de gemodificeerde NoyesWhitney vergelijking (Figuur 1.1) blijkt dat de dissolutiesnelheid verhoogd wordt door het vergroten van de effectieve oppervlakte waaruit de molecule kan diffunderen. Dit kan fysisch verbeterd worden door het verkleinen van de deeltjesgrootte (vb. door malen, sproeidrogen, ultrasoundapplicatie). Ook hebben metastabiele polymorfe modificaties een betere oplosbaarheid door hun hogere vrije energie dan de meest stabiele kristallijne vorm. Verder zal het geneesmiddel in de amorfe vorm een hogere oplossnelheid hebben. Dit komt door de afwezigheid van een kristalrooster, waardoor deze niet verbroken moet worden bij oplossen. (Janssens S., Van den Mooter G. 2009) Een chemische benadering is het optimaliseren van de bevochtiging van het oppervlak en het verbeteren van de apparente 1
oplosbaarheid door solubility enhancers (vb. Surfactantia en cosolventen). Ook prodrugs of het gebruik van zoutvormen kan een positieve invloed hebben. (Bikiaris D., 2011)
Een derde benaderingswijze zijn de advanced drug formulations. Voorbeelden hiervan zijn cyclodextrines, self-emulsifying delivery systems, liposomen en co-kristallen en solid dispersions. (Thommes, M. 2011)
1.1. SOLID DISPERSIONS Solid disperions is een verzamelnaam voor formulaties bestaande uit minimum 2 verschillende componenten. Een solid dispersion wordt door Chiou en Riegelman gedefinieerd als een dispersie van actieve moleculen in een inerte drager of matrix in vaste vorm. Het geneesmiddel kan in kristallijne of amorfe vorm aanwezig zijn. Hierdoor bestaat de solid dispersion uit 2 fasen. Wanneer de goed wateroplosbare carrier in oplossing gaat, wordt deze geneesmiddelencluster omgeven door dissolutiemedium. Een verhoging van het beschikbare oppervlak, gecombineerd met een betere bevochtiging beïnvloedt de dissolutiesnelheid positief. Een onderverdeling van de verschillende classificaties van solid dispersions is weergeven in figuur 1.2. In deze masterthesis wordt vooral aandacht besteed aan de productie van een glassy solid solution.
Bij een solid solution is het geneesmiddel moleculair verdeeld in de carier. Het geneesmiddel en de carrier vormen samen één homogenefase. Hiervoor is het noodzakelijk dat het geneesmiddel oplosbaar en mengbaar is met de carrier. De fysische vorm van het geneesmiddel is nu amorf, wat zorgt voor een maximale dissolutiesnelheid. De snelheidsbepalende stap, het overwinnen van het kristalrooster van het geneesmiddel, is verdwenen. (Figuur 1.2) (Chiou W.L., Riegelman S. 1971). Dit heeft echter ook nadelen: zo kan
het
geneesmiddel
opnieuw
uitkristalliseren,
waardoor
de
goede
oplossingseigenschappen teniet gedaan worden. De daling in dissolutiesnelheid is afhankelijk van de concentratie aan geneesmiddel, omdat bij hogere concentraties er meer uitkristallisatie plaatsvindt. (Serajuddin A. 1999)
2
Amorfe neerslag Glassy solid
Glass Solid solution
Eutectisch
solution
Suspension
Fasen
1
1
Genees-
Moleculair
Moleculair
middel
gedispergeerd
gedispergeerd
Drager
Amorf
Kristallijn
Kristallijne
Amorfe
drager
drager
2
2
2
2
Kristallijn
Kristallijn
Amorf
Amorf
Kristallijn
Amorf
Kristallijn
Amorf
FIGUUR 1.2. OVERZICHT SOLID DISPERSIONS (QUINTEN, T. 2010)
Een glassy solid solution heeft dezelfde eigenschappen als een solid solution, alleen is de matrix hier ook in amorfe vorm aanwezig. Dit heeft als bijkomend voordeel dat bij het oplossen de matrix ook geen kristalrooster moet overwinnen, wat zorgt voor de snelste vrijstellingsprofielen van alle solid disperions. Echter, niet alle polymeren zijn hier voor geschikt. Enkel polymeren die door hun structuur zich niet makkelijk kunnen ordenen tot een kristalrooster komen in aanmerking. Een voorbeeld hiervan zijn de verschillende poly(nalkyl)oxazolines. Een zijketen <4C (methyl, ethyl, propyl en butyl) zorgt ervoor dat het polymeer, door de korte vertakkingen, zich weinig kan rangschikken tot een kristalrooster. Indien de zijketen langer is >4C (pentyl, hexyl, heptyl,…) kunnen de lange zijketens zich ordenen d.m.v Vander Waals-interacties wat kristalliniteit veroorzaakt. Bovendien zijn glassy solid solutions thermodynamisch onstabiel wat hun gebruik beperkt. (Hoogenboom, R. 2005)
Bij een amorfe neerslag zal het geneesmiddel niet homogeen verdeeld zijn in de polymeermatrix, maar zullen er amorfe geneesmiddelenclusters aanwezig zijn. Dit heeft een negatieve invloed op de dissolutiesnelheid en zal ook de rekristallinisatie bevorderen. Het verschil tussen een glassy solid solution en een amorfe neerslag kan ondermeer aangetoond worden met Modulated Differential Scanning Calorymetry (MDSC). (zie 4.1.2)
1.1.1. Productie van solid dispersions Solid dispersion kunnen hoofdzakelijk via 2 methoden gevormd worden. Bij de solventmethode wordt een fysisch mengsel van geneesmiddel en drager opgelost in een solvent, waarna het solvent verdampt wordt. Sproeidrogen en lyofilisatie zijn de meest gebruikte technieken waarmee dit gebeurt. (Janssens S., Van de Mooter G. 2009) 3
Thermische afbraak van moleculen wordt bij deze methode voorkomen. Nadelen zijn ondermeer de hogere kostprijs, de noodzaak om het solvent volledig te verwijderen, de keuze van een geschikt solvent en de mogelijke schadelijke effecten van solventresten. (Chiou W.L., Riegelman S. 1971) Door de mogelijke toxiciteit en de belasting van het milieu door organische solventen wordt deze methode minder toegepast. (Fahr A., Liu X. 2007)
Bij de smeltmethode wordt een fysisch mengsel van een geneesmiddel en een wateroplosbare drager verwarmd totdat deze smelt en het geneesmiddel zich moleculair in de drager verdeelt. Belangrijkste voordelen van deze methode zijn de eenvoud en van economische aard. Het belangrijkste nadeel is dat veel moleculen bij hogere temperaturen afgebroken worden of verdampen. (Chiou W.L., Riegelman S. 1971) In deze onderzoeksthesis gebruiken we Hot Melt Extrusie om solid dispersions aan te maken.
1.2. HOT MELT EXTRUSIE Hot Melt Extrusie (HME) is al meer dan 70 jaar een belangrijke technologie in de plastic industrie. In de farmaceutische sector is deze techniek behoorlijk recent. HME is een efficiënte technologie voor de vorming van solid dispersions en solid solutions met belangrijke voordelen ten opzichte van solventgebaseerde technieken zoals sproeidrogen en co-precipitatie. Verder is de verwerking van slecht compresseerbare materialen mogelijk, waardoor problemen bij het tabletteren vermeden worden. (Repka, M. 2008) Het is een proces waarbij een actieve component ingecapsuleerd zit in een thermoplastisch polymeer. Hierbij wordt het (half-)vloeibare mengsel doorheen een matrijs geperst.
Het productieproces kan onderverdeeld worden in 5 verschillende stappen. (Figuur 1.3) Het fysisch mengsel wordt toegevoegd waarna er een smelt- en plasticizing stap volgt. Hierna is er een meng- en transportfase richting de matrijs. Tenslotte verlaat het extrudaat de extruder en kan het verder verwerkt worden. (Breitenbach, J. 2002)
4
FIGUUR 1.3. SCHEMATISCHE VOORSTELLING VAN EEN SINGLE SCREW EXTRUDER (http://www.accessscience.com) 1.2.1. Extrusietechnieken 1.2.1.1.
Ram-extrusie
Bij ram extrusie wordt het materiaal in een verwarmde cilinder gebracht. Na een inductieperiode waarbij het toegevoegde materiaal smelt of vloeibaarder wordt, wordt deze door de matrijs geperst waarbij het zijn gewenste vorm krijgt. Door gebruik te maken van dit extrusieproces bekomt men extrudaten met een heel consistente diameter. Deze techniek wordt voornamelijk gebruikt voor de extrusie van waardevolle materialen. (Perdikoulias et al, 2003)
1.2.1.2.
Single screw extrusie
Screw extruders zullen in tegenstelling tot ram-extruders meer shear stress veroorzaken en zullen het materiaal ook mengen. Single screw extrusie is het meest gebruikte productie proces. Het bestaat uit een roterende schroef die het mengsel smelt en transporteert naar de die. Dit zorgt voor een drukopbouw ter hoogte van de die waardoor het mengsel geëxtrudeerd wordt. Single screw extruders hebben drie basisfuncties: het transporteren van het mengsel, een smeltfunctie en het creëren van druk ter hoogte van de die. (Crowly, M. 2007)
1.2.1.3.
Twin screw extrusie
Bij Twin screw extruders wordt gebruik gemaakt van twee schroeven. Deze techniek wordt in de farmaceutische sector het meest toegepast. Want het gebruik van twee 5
schroeven laat verschillende configuraties toe, waardoor de condities condities ter hoogte van de verschillende secties aangepast kunnen worden. (Crowly, M. 2007)
De schroeven kunnen enerzijds in tegengestelde richting roteren, we spreken dan van een counter-rotating rotating extruder. Dit principe wordt gebruikt wanneer er hoge shear shea krachten nodig zijn, welke gevormd worden als het materiaal door de opening tussen de twee schroeven gedrukt wordt. Nadelen van dit systeem zijn het insluiten van lucht, de vorming van een hoge druk en daaraan gekoppeld: de trage maximale schroefsnelheid en output. (Crowly, M. 2007)
Anderzijds wanneer anneer de schroeven op de zelfde wijze roteren hebben we te maken met een co-rotating rotating extruder. Dit type extruder is farmaceutisch gezien het belangrijkst: het heeft een hoge schroefsnelheid en output met goede mengmeng en transporteigenschappen. sporteigenschappen. CoCo roterende schroeven hebben als belangrijke eigenschap dat ze zelfreinigend zijn. Dit minimaliseert de kans op stilstand, zorgt voor een gelijke procestijd en voorkomt plaatselijke oververhitting van het materiaal. In deze onderzoeksthesis onderzoeksthesis maken we gebruik van een conische co-rotating rotating extruder. (Figuur 1.4) Deze vorm laat een kleinere, kle makkelijk verwijderbare schroef toe waardoor dit type ideaal is voor labo-onderzoek. labo onderzoek. (Crowly, M. 2007)
EXTR (http://www.materialanalyzers.com) ://www.materialanalyzers.com) FIGUUR 1.4. CONISCHE TWIN SCREW EXTRUDER 6
1.2.2. Materialen De dragermolecules kunnen onderverdeeld worden in twee categorieën: polymeren, waaronder cellulosederivaten, PEG en (meth-)acrylaatpolymeren. Een tweede categorie zijn de niet polymeren, waarbij gebruik gemaakt wordt van vetzuren als excipiënt. (Crowley, M. 2007)
Om de proces-condities te verbeteren of om fysische en mechanische eigenschappen van het eindproduct te verbeteren, kunnen er ook plasticizers toegevoegd worden aan de formulatie. Plasticizers zijn laagmoleculaire moleculen die door interactie of door zich te plaatsen tussen de polymeerketens een groter vrij volume creëren tussen deze ketens. Een groter vrij volume zorgt voor minder inter-polymeer interacties wat resulteert in een hogere flexibiliteit en lagere glastransitietemperatuur. De gebruikte plastizicers moeten niet alleen efficiënt zijn, maar ook thermisch stabiel en compatibel met de overige componenten in de formulatie. (Crowley, M. 2007)
De eigenschappen van de actieve component beperken de keuze bij het productieproces van een glassy solid solution. Zo moet het gebruikte excipiënt compatibel zijn en zal het geneesmiddel voldoende mengbaar of oplosbaar moeten zijn in het polymeer. Verder speelt ook de thermostabiliteit van het actieve bestanddeel een belangrijke rol.
1.2.3. Stabiliteit Omdat HME plaatsvindt bij verhoogde temperatuur is het belangrijk de actieve component te monitoren inzake stabiliteit. Hierbij zijn hydrolyse, solvolyse en oxidatie de drie belangrijkste mechanismen. Door de afwezigheid van solventen is vooral de oxidatie van de actieve bestanden van belang. Indien nodig worden hierdoor antioxidantia aan de formulatie toegevoegd.(Repka. M., 2012)
Tijdens het productieproces zal het geneesmiddel naargelang de condities ofwel smelten ofwel in oplossing gaan in de polymeermatrix. Bij afkoeling van het extrudaat wordt rekristallisatie en nucleatie afgeremd door de toenemende viscositeit van het polymeer. Wanneer het geneesmiddel op moleculair niveau gedispergeerd is, bevindt het zich in een metastabiele toestand. Door aging effecten kan het geneesmiddel na verloop van tijd terug 7
uitkristalliseren. Zo werd herkristallisatie van chloramphenicol palmitaat in een polyvinylpyrrolidonematrix vastgesteld.(Crowley, vastgesteld M. 2007)
1.3. INJECTION MOULDING Injection Moulding (IM) is een techniek waarbij complexe vormen gemaakt kunnen worden en met behulp van druk en warmte: gesmolten materiaal wordt in een gesloten moule gebracht. Deze moule bestaat uit 2 delen die van elkaar gescheiden kunnen worden. Na koelen en stollen ollen verkrijgt het materiaal ma zijn definitieve vorm, waarna aarna deze uit de moule gehaald wordt. (Figuur 1.5) Een belangrijke troef van deze techniek is de mogelijkheid om een continu systeem te creëren, waarbij we spreken van 'cyclic moulding'. ing'. Hierbij wordt via een continu smeltproces (bijvoorbeeld HME) een reservoir gevuld die op zijn beurt de gesmolten massa injecteert in de moule (Chen, Z.B., Turng, L.S. 2005)
FIGUUR 1.5. HET PRINCIPE VAN INJECTION MOULDING (http://cltad.arts.ac.uk)
IM is een van de belangrijkste elangrijkste processen bij de massaproductie van plastic onderdelen. Het proces werd in 1872 gepatenteerd gepatent door John en Isaiah Hyatt. De ontwikkeling en vooruitgang van deze techniek kende een grote boost gedurende Wereld Oorlog II (vanwege de nood aan goedkope onderdelen nderdelen).. Vandaag de dag is er ook in de farmaceutische sector een toenemende belangstelling gstelling naar het gebruik van IM IM bij de productie van geneesmiddelen. Dit is een rechtstreeks gevolg van de verhoogde v rhoogde druk op de productiviteit 8
en winstgevendheid van de farmaceutische sector. De belangrijkste voordelen van dit productieproces zijn het continue karakter met een makkelijke en performante upscaling, de lage arbeidsintensiviteit door automatisatie van het proces en het flexibele design waarbij door aanpassing van de moule verschillende vormen geproduceerd kunnen worden. Nadelen van IM zijn meestal kostprijs gerelateerd, zijnde de investering in de machines, de hoge start-up en running kosten en de noodzaak om een specifieke moule te creëren. (Chen, Z.B., Turng, L.S. 2005)
1.4. EUDRAGIT® 1.4.1. Inleiding Eudragit® is de benaming van een groep polymeren ontwikkeld door Evonik Röhm GmbH. Deze polymeren zijn copolymeren van acrylaat en methacrylaatesters. De fysicochemische eigenschappen van Eudragit is afhankelijk van de functionele groepen van de verschillende monomeren. De verschillende types Eudragit® kunnen onderverdeeld worden in de pH-independente (waaronder Eudragit® RS, RL en NE) en de pH-dependente (Eudragit® L,S en E) (eudragit.evonik.com).
1.4.2. Eudragit® E Eudragit® E (EudrE) is een kationisch copolymeer bestaande uit dimethylamineethylmethacrylaat (DMAEMA), butylmetacrylaat (BMA) en methylmethacrylaat (MMA). (Figuur 1.6) Het heeft als speciale eigenschap dat het polymeer oplosbaar is bij lage pH, maar vanaf pH 5 is het polymeer onoplosbaar. Het polymeer heeft een Tg van ongeveer 48°C, waardoor het al bij een lichte opwarming vervloeit. (Qi, S. 2008) Dit heeft als voordeel dat bij het gebruik van HME de temperatuur niet zo hoog hoeft te zijn. Hierdoor kunnen er dus ook verschillende thermolabiele actieve moleculen verwerkt worden in de formulatie. Een lage Tg heeft ook een belangrijk nadeel: de mechanische stabiliteit van de formulatie kan namelijk in het gedrang komen.
9
FIGUUR 1.6. MOLECULAIRE STRUCTUUR EUDRAGIT® E (eudragit.evonik.com)
1.5. IBUPROFEN Ibuprofen (IBU) ((RS-2-p-isobutylfenyl)propionzuur) (Figuur 1.7) is een Niet-Steroïdaal Antiinflammatoir Geneesmiddel (NSAID) en behoort tot de subcategorie van de arylpropionzuurderivaten, waar ook ketoprofen en naproxen toebehoren. (www.bcfi.be) Het heeft een onstekingsremmende, pijnstillende en antipyretische werking. Ibuprofen is een racemisch mengels van [+]S- en [-]R-enantiomeren. Het is een wit kristallijn poeder en heeft een smeltpunt tussen 74 en 77°C. Ibuprofen is slecht oplosbaar in water (<0,1 mg/ml). Het is een zuur met pka 4,43+/- 0,03, waardoor de oplosbaarheid stijgt naarmate de pH van het medium stijgt. De molaire massa van ibuprofen is 206,28 g/mol. (www.sciencelab.com 5) Door de slechte oplosbaarheid wordt ibuprofen geklasseerd onder klasse II geneesmiddelen. Een bijkomende, voor deze onderzoeksthesis belangrijke, eigenschap is het plasticizing effect van ibuprofen op verschillende polymeren waaronder de (meth-)acrylaatpolymeren.
FIGUUR 1.7 STRUCTUURFORMULE VAN IBUPROFEN
1.6. MICROZUUR KLIMAAT 1.6.1. Introductie Bij een zwakke base zoals Eudragit® E PO zal de pKa, wat zich uit in de ionisatiegraad, een belangrijke rol spelen bij de oplosbaarheid. Zo zal de oplosbaarheid stijgen bij een hogere ionisatie. Dit kan verklaard worden door interne afstoting van moleculen met 10
eenzelfde lading. Anderzijds zal de interactie met water en de aanwezige elektrolieten toegenomen zijn. (Mathews C. Et Al 2000) De hoogste ionisatiegraad en dus de hoogste oplosbaarheid wordt bij Eudragit E PO bekomen in een zuur milieu.
Wanneer we gebruik willen maken van Eudragit® E als excipiënt, is het noodzakelijk dat deze snel oplost in de maag. Van nature uit zal de pH van de maag variëren tussen 1,5 en 3,5. Echter, ziekte en leeftijd kunnen zorgen voor een verhoging van deze pH. Daarom worden zuren aan de formulatie toegevoegd. Deze zullen de pH van de maag op zijn geheel niet kunnen doen dalen, maar zullen wel in staat zijn om de pH rondom de tablet te doen dalen. We spreken van een microzuur klimaat in de diffusielaag rondom de tablet.
Het tot stand komen van het microzuur klimaat kan verklaard worden aan de hand van de diffusiewet van Fick. Zo zal de concentratie aan zuur in de diffusielaag rondom het medium het hoogst zijn. Door de grotere concentratie aan protonen ter hoogte van de tablet, zal het mogelijk zijn om de buffercapaciteit van het medium rondom te tablet te doorbreken, wat resulteert in een lagere pH en een hogere protonatie van Eudragit® E. Dit verhoogt de oplossnelheid en de oplosbaarheid .
1.6.2. Keuze zuren Om een lage lokale pH te verkrijgen is het belangrijk om zuren te gebruiken met lage pKa's waardoor de vrijstelling van protonen zo hoog mogelijk is. Echter, het is niet mogelijk om te sterke zuren te gebruiken om wille van de toxiciteit van deze moleculen. Daarom selecteren we bivalente zuren zoals adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur. Dit zijn eenvoudige bivalente zuren, bestaande uit een korte koolstofketen met aan de terminale koolstoffen een carboxylgroep. In deze onderzoeksthesis gaan we na of deze zuren een microzuur klimaat kunnen creëren rondom de tablet om zo een substantiële vrijstelling van ibuprofen te bekomen. Verder laat het gebruik van deze eenvoudige dicarbonzuren ook toe om in deze onderzoeksthesis het effect van de ketenlengte of van het inplanten van andere functionele groepen te bepalen.
11
1.7. KARAKTERISATIE VAN SOLID DISPERSIONS 1.7.1. Modulated Differential Scanning Calorimetrie (MDSC) Bij Differentiaal Scanning Calorimetrie (DSC) wordt nagegaan wat de relatie is tussen energie toegevoegd aan een staal en de temperatuur van het staal met een leeg staal ter referentie. Er bestaan twee verschillende types van DSC-toestellen. Bij een eerste toestel wordt het toevoegen van de energie aan het systeem gedefinieerd en zal de temperatuur van het staal en de referentie gemeten worden. Een tweede methode bestaat er in om het temperatuurspad van staal en referentie gelijk te houden door de toegediende energie aan te passen. Bij deze techniek wordt een kleine hoeveelheid staal in een aluminiumpannetje gebracht. Door de massa van de pannetjes en het staal nauwkeurig te meten wordt via het referentiestaal de geabsorbeerde energie door het staalpannetje berekend. Dit wordt afgetrokken van de totaal energie van het pannetje met staal waardoor de energie, nodig om het staal te verwarmen, berekend wordt. (Gibson, 2004)
Warmtecapaciteit is het aantal joule nodig om 1g stof 1 graad Celcius op te warmen. Bij kristallen is de correlatie tussen temperatuur en toegevoegde energie een constante. Bij het smeltpunt zal de stof echter de energie gebruiken om van vaste vorm naar vloeistoffase over te gaan. Hierbij verhoogt de temperatuur niet. Bij het eerste systeemtype resulteert dit in een tijdelijke afvlakking van de temperatuur i.f.v. de totale toegevoegde energie curve. Door gebruik te maken van het 2de principe stellen we bij de smelttemperatuur een piek vast: om eenzelfde heating rate te bekomen moet er extra energie toegevoegd worden. Na het smelten stijgt de temperatuur opnieuw in functie van de toegevoegde energie of is de Heat flow-temperatuurcurve opnieuw een vlakke lijn. Bij de volgende faseovergang (kookpunt) zal opnieuw een afvlakking enerzijds en een piek anderzijds te zien zijn. Amorfe stoffen hebben geen verbreking van het kristalrooster en vertonen geen piek bij het smeltpunt omdat ze geen smeltpunt hebben, maar een glastransitietemperatuur. Dit is de temperatuur waarbij de stof overgaat van een rigide structuur naar een vloeibare vorm. Hierbij zal de energie nodig om temperatuur aan eenzelfde snelheid te doen stijgen stelselmatig verhogen totdat de stof geheel vloeibaar is. Dit komt overeen met de verschillende bewegingen van een molecule in vloeibare vorm. Wanneer een amorfe stof rigide is zal er enkel vibratie zijn. Vanaf de glastransitie-temperatuur zullen de moleculen de mogelijkheid hebben om te roteren. Bij het opnieuw afvlakken van de warmtecapaciteit-temperatuur curve zal de extra 12
toegevoegde energie gebruikt worden voor translatiebewegingen in de vloeistof. (Gibson, ( 2004)
FIGUUR 3.10. VOORSTELLING DSC-DIAGRAM.(http://pslc.ws/macrog/images/dsc08.gif) DSC http://pslc.ws/macrog/images/dsc08.gif)
In Figuur 3.10 stelt Tg de glastransitietemperatuur voor, Tc de kristallisatie-temperatuur kristallisatie uit de onder-koelde koelde vloeistof voor en Tm de smelttemperatuur van de kristalvorm (http://pslc.ws/macrog/dsc.htm crog/dsc.htm).
Bij MDSC wordt de temperatuur op een sinusoïdale sinuso dale manier verhoogd (Figuur 3.11). Dit zorgt ervoor dat de curve opgedeeld kan worden in een reversing revers en een non-reversing non component. De totale heat flow wordt beschreven door volgende vergelijking: dQ/dt= Cp.dT/dt + f(t,T) waarbij dQ/dt staat voor de totale heat flow, Cp voor de warmtecapaciteit, dT/dt voor de opwarmingssnelheid en f(t,T) voor de kinetische respons van het staal. sta Het reversing gedeelte, het cyclische deel van het signaal, komt overeen met de effectieve warmtecapaciteit van het staal. Dit komt doordat warmteopname en -afgifte een snelle processen zijn die de sinusoïdale temperatuurscurve kunnen k volgen. De warmtecapaciteit kan berekend worden uit de amplitudes van de modulated heat flow en de modulated heating rate. De non-reversal al heat flow wordt bepaald door de reversed heat flow van de totale heat flow af te trekken. Deze De kinetische component van de heatflow komt onder andere ndere overeen met het smelten, verdampen en denatureren van moleculen. Dit zijn tragere processen die de sinusoïdale cyclus niet kunnen volgen. MDSC heeft vooral zijn toepassing bij het bepalen van Tg van amorfe stoffen, daar deze flow. minder nauwkeurig te t bepalen zijn met de klassieke DSC. (Gibson, Gibson, 2004) 2004 13
FIGUUR 3. VOORSTELLING TEMPERATUURSCHEMA MDSC (Verdonk et al, 1999)
1.7.2. Hot Stage Microscopie Bij deze thermische analytische techniek wordt een kleine hoeveelheid staal op een microscoopplaatje gebracht en kan dezelfde cyclus doorlopen worden als bij (M)DSC. De thermische overgangen kunnen hierdoor gevisualiseerd worden. Door middel van fotografie of video worden veranderingen in het materiaal waargenomen (vb. smelten, stollen, een glastransitieovergang). Een Hot Stage Microscoop bestaat standaard uit een afgesloten kamer met venster waarbinnen het staal onder gecontroleerde atmosfeer gehouden wordt. Koeling gebeurt door middel van vloeibare stikstof. (Gibson, 2004)
1.7.3. X-straal diffractie X-stralen zijn elektromagnetische stralen met een korte golflengte (0,002-12nm). Ze kunnen gevormd worden in x-ray tubes. Hierin worden elektronen versneld door middel van het aanleggen van een potentiaalverschil. (tientallen kV). Deze elektronen botsen op een metalen target (anode). Hier kunnen ze ervoor zorgen dat elektronen van 'inner' orbitalen uit hun orbitaal geschoten worden.
Wanneer x-stralen op het staal terecht komen, worden deze gebroken. Veronderstellen we nu een 2-dimensioneel kristal, waarbij de atomen zo geordend zijn dat we ze kunnen voorstellen door goed gedefinieerde parallelle lagen met een wel bepaalde dikte. Zo zullen parallelle stralen op dezelfde manier gebroken worden, maar zal de weglengte (en hieraan gekoppeld de fase van de golf) verschillen. Wanneer deze weglengte 14
een veelvoud is van de golflengte van de x-straal, dan zullen de stralen elkaar versterken. Voor elke andere weglengte zal dit voor interferentie zorgen en middelen de x-stralen elkaar uit. (Figuur 3.11.)
FIGUUR 3.11. SCHEMATISCHE VOORSTELLING X-STRAALDIFFRACTIE (http://www.spec2000.net/09xrd.htm) Daar de golflengte van de x-stralen net zoals de kristalstructuur vast is, zullen er maar enkele oriëntaties (hoek θ) reflecteren (Bragg reflecties). Dit volgt uit de Bragg vergelijking: 2d sin θ= n δ.
15
2.
OBJECTIEVEN
Deze masterthesis heeft als doel een formulatie te creëren die zorgt voor een snelle vrijstelling van ibuprofen, onafhankelijk van de pH. Hiertoe formuleren we een glassy solid solution bestaande uit ibuprofen en Eudragit® E PO. Door het toevoegen van zuren aan de formulatie trachten we de dissolutiesnelheid te verhogen bij hogere pH.
In een eerste luik is het doel ibuprofen en Eudragit® E PO te karakteriseren. We bepalen de maximale oplosbaarheid van ibuprofen bij verschillende pH's (1,3,5 en 7). Verder gaan we na welke pKa Eudragit® E heeft.
Als tweede wordt de processeerbaarheid bepaald van een ibuprofen/Eudragit® E formulatie voor de vorming van solid solutions via HME/IM. Tevens was het doel het plasticizing effect van ibuprofen op Eudragit® E te kwantificeren. Om de noodzaak voor optimalisatie te bevestigen, bepalen we hierbij ook het dissolutieprofiel van tabletten met ibuprofen en Eudragit ® E.
Het doel van het tweede luik is het bepalen van het effect van het toevoegen van de dicarbonzuren adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur op de release van ibuprofen bij verschillende pH's (3 en 5). Hiertoe vergelijken we het dissolutieprofiel van tabletten met een gelijk gehaltes aan zuur met elkaar. Vervolgens maken we tabletten aan met een gelijke molaire concentratie aan zuur. Ook van deze formulaties bepalen we het release profiel.
We bepalen titrimetrisch de oplosbaarheid van de verschillende zuren om zo een correlatie te zien tussen de oplosbaarheid van deze zuren en het releaseprofiel van de tabletten. Ook testen we de stabiliteit van de formulatie door de tabletten onder te brengen in een stabiliteitsoven. Naast visuele controle, gaan we via MDSC na of er rekristallisatie plaatsvindt.
In een derde luik van de onderzoeksthesis willen we de aanwezigheid van een lokaal microzuur klimaat rondom de tablet aantonen. Een eerste bewijs brengen we aan door het dissolutieprofiel van tabletten met succinezuur te vergelijken met tabletten met 16
natriumsuccinaat. Een tweede bewijs wordt geleverd door vergelijking met het dissolutieprofiel van een dicarbonzuur met een lagere pKa1: malonzuur. Als derde bewijs gaan we na wat het effect is van de verschillende ibuprofenconcentraties in formulatie met met een vast gehalte aan zuur.
Een laatste luik van de onderzoeksthesis behandelt de invloed van andere additieven op het releaseprofiel. Vooraleerst gaan we na of extra functionele groepen verankerd op een dicarbonzuur een effect hebben op het dissolutieprofiel. Hiertoe bestuderen we formulaties met maleïnezuur, L-tartaarzuur en citroenzuur. Ook gaan we na wat het effect is van nietzuren op de vrijstelling. Hiertoe bepalen we het releaseprofiel van tabletten met het aminozuur glycine en met het zout NaCl.
17
3.
MATERIAAL EN METHODEN METHODE
3.1. AANMAAK VAN TABLETTEN TABLETTE VIA HOT MELT EXTRUSIE SIE EN INJECTION MOULDING MOU 3.1.1. Polymeer en actieve stof Eudragit E® PO werd aangekocht bij Evonik Industries, Essen, Duitsland. Ibuprofen werd aangekocht bij Knoll AG, Ludwigshafen, Duitsland.
3.1.2. Zuren De gebruikte verzadigde dicarbonzuren dicarbonzuren werden aangekocht bij Fagron, F Waregem, België en worden weergegeven in figuur 3.1 en 3.2. Maleïnezuur, L-tartaarzuur L en citroenzuur werden tevens aangekocht bij Fagron en worden worden weergegeven in figuur 3.3. 3.3 en 3.4.
FIGUUR 3.1.:: BASISSTRUCTUUR DICARBONZUREN
Dicarbonzuur
n
Molecularie massa
pKa1
pKa2
Smelttemperatuur
Malonzuur
1
104,06 g/mol
2,83
5,69
135°C
Succinezuur
2
118,09 g/mol
4,16
5,61
184°C
Glutaarzuur
3
132,12 g/mol
4,31
5,41
98°C
Adipinezuur
4
146,14 g/mol
4,43
5,41
152°C
FIGUUR 3.2.: EIGENSCHAPPEN GEBRUIKTE VERZADIGDE DICARBONZUREN (www.sciencelab.com 1, 2, 3, 4)
FIGUUR 3.3.: STRUCTUURFORMULE MALEÏNEZUUR (RECHTS), L-TARTAARZUUR L TARTAARZUUR (MIDDEN) EN CITROENZUUR (RECHTS) 18
Zuur
Moleculaire massa
pKa1
pKa2
Maleïnezuur
116,07 g/mol
3,03
4,44
L-Tartaarzuur
150,09 g/mol
2,98
4,34
Citroenzuur monohydraat
210,14 g/mol
3,14
4,77
pKa3
6,39
FIGUUR 3.4.: EIGENSCHAPPEN OVERIGE GEBRUIKTE POLYCARBONZUREN (www.sciencelab.com 7,8,9)
3.1.3. Additieven Glycine (Fagron, Waregem, België) is het meest eenvoudige aminozuur. Het heeft een moleculaire massa van 75,01 g/mol. De pKa1 is 2,34 (carboxyl) en de pKa2 is 9,60 (amine). Het iso-electrisch punt is 5,97. (www.sciencelab.com 6)
FIGUUR 3.7. STRUCTUURFORMULE GLYCINE NaCl (Fagron, Waregem, België) is een goed oplosbaar zout. Het heeft een moleculaire massa van 58,44 g/mol.
3.2. HOT MELT EXTRUSIE EN INJECTION MOULDING Eerst worden fysische mengsels aangemaakt. Deze bestaan uit Ibuprofen (30%), Eudragit® E PO (60, 55 en 50%, respectievelijk) en het gekozen (amino)zuur (10, 15 en 20%, respectievelijk).
Het toestel dat voor de HME gebruikt wordt is HAAKE MiniLab MicroCompounder (Thermo Electron Corporation, Karlsruhe, Duitsland) Er wordt geëxtrudeerd bij 120°C en 100 rpm. Wanneer het mengsel te liquide is of niet volledig vloeibaar kan de temperatuur aangepast worden, dit met een maximum van ongeveer 130°C. Hogere temperaturen zijn niet aan te raden vanwege mogelijke thermische afbraak.
19
Het extrudaat wordt opgevangen met het reservoir van de Injection Moulder, HAAKE Minijet System, Thermo Electron Corporation, Karlsruhe, Duitsland. De temperatuur is dezelfde als deze van de extruder. De standaarddruk voor de injectie bedraagt 800 Bar. De postdruk is 400 Bar De moule wordt gekoeld tot 20°C.
3.3. BUFFERS
3.3.1. Buffer pH 1 Voor het maken van een pH 1 buffer lossen we 41,4 ml HCl op in 5,0l gedestilleerd water.
3.3.2. Buffer pH 3, pH 5 , pH 7 Om de buffers te creëren, maken we gebruik van twee basisbufferoplossingen. We maken een 0,1 M waterige oplossing door 105,07g citroenzuur monohydraat in 5,0l water op te lossen. Een 0,2M waterige oplossing van Na2HPO4 te maken, lossen we 141,96g op in 5,0l gedestilleerd water. We maken een mengsel van de citroenzuurbuffer, de Na2HPO4-buffer en gedestilleerd water, waarvan de verhouding weergegeven wordt in figuur 3.8.
pH
0,2 M Na2HPO4
0,1M Citroenzuur
Gedestilleerd water
3
924,75 ml
3575,25 ml
4500 ml
5
2317,5 ml
2182,5 ml
4500 ml
7
3705,75 ml
794,25 ml
4500 ml
FIGUUR 3.8. SAMENSTELLING BUFFEROPLOSSING PH 3, PH 5 EN PH 7
3.4. DISSOLUTIETESTEN Dissolutietesten werden uitgevoerd op een VK8000 dissolutiebad (Vankel Industries, NJ, USA). Elk dissolutievat werd gevuld met 900 ml buffer bij een temperatuur van 37°C . De rotatiesnelheid van de paddles werd ingesteld op 100rpm. Op regelmatige tijdstippen (5, 10, 15, 20, 30, 45 en 60min.) werd 5ml staal genomen en spectrofotometrisch geanalyseerd.
20
3.5. BEPALING VAN DE VRIJSTELLING VAN IBUPROFEN 3.5.1. UV-VIS spectrofotometrie De absorbantie wordt, ten opzichte van een blanco, gemeten bij 221nm (pH1) 230nm (pH 3), 226nm (pH 5), 225nm (pH7). Aan de hand van een calibratiecurve bepalen we de IBP concentratie.(UV-1650PC, Shimadzu Benelux, Antwerpen, België)
3.5.2. HPLC + UV-VIS spectrofotometrie HPLC wordt uitgevoerd met een Merck Hitachi Autosampler L-7200, Interface D-7000 en UV-detector L-7400. Voor dit experiment gebruiken we een C18-kolom (3,5µm particle size, 50*1 mm) (Waters, Milford, MA, USA) en als loopvloeistof: 70% methanol, 30% waterige oplossing met 0,01M Tetrabutylammoniumwaterstofsulfaat (TBAHS), een injectievolume van 100µl, een vloeistofsnelheid van 1,0ml/min. De absorbantie werd gemeten bij 221nm. De retentietijd bedraagt ongeveer 5 minuten.
3.6. KARAKTERISATIE 3.6.1. Modulated Differential Scanning Calorimetrie (MDSC) De stalen (3-8mg in T-zero aluminium pannetjes) werden geanalyseerd met behulp van de DSC Q2000 (TA Instruments, Leatherhead, UK). Een heat-cool-heat cyclus werd uitgevoerd tussen -70°C en 130°C, met een lineaire temperatuurstijging van 2°C/min en een sinusoïdale opwarming met amplitude/periode van 0,318°C/min. als overige parameters. Gedroogd stikstof werd gebruikt met een snelheid van 50ml/min. om de MDSC-cell te purgeren.
3.6.2. Hot Stage Microscopy Voor de opnames van de gepolariseerde licht microscoopbeelden gebruiken we een Leica DM2500P microscoop voorzien van een 10x objectief en een DFC 425 CCD camera.
3.6.3. X-straaldiffractie De kristalliniteit van de stalen werd via x-straaldiffractie onderzocht met een D5000 Cu Kα diffractor (λ= 0,154 nm) (Siemens, Karlruhe Germany) met een voltage van 40kV en een stroom van 40mA. Het spectrum werd opgenomen in een range van 10° < 2θ < 60° via een step scan mode (breedte= 0,02°, tijd: 1s/step) 21
3.6.4. pKa-bepaling Voor de pKa-bepaling van Eudragit® E PO lossen we 200mg polymeer op in ca 5ml 0,1M HCl oplossing (pH 1) . Na vortexen brengen we deze oplossing kwantitatief over in een maatbeker. We voegen hiertoe 45ml gedestilleerd water toe. Hierna voegen we onder continue pH-meting 0,1M NaOH toe tot we een pH 12 bereiken.
3.6.5. Bepaling maximale oplosbaarheid ibuprofen Om de maximale oplosbaarheid van ibuprofen te bepalen, mengen we een overmaat aan ibuprofen (1mg/ml voor pH 1, 3, 5 en 10mg voor pH 7/ml) met buffer. Na minstens 7 dagen, filtreren we de overmaat aan ibuprofen af. De concentratie van het filtraat meten we via UV-VIS spectroscopie. Wanneer de absorbantie zich buiten de lineariteitsgrenzen bevindt (>1,000), maken we een verdunning van het filtraat. We doen dit totdat we waarden bekomen binnen het lineair bereik.
3.6.6. Stabiliteitstesten Voor de stabiliteitstesten plaatsen we volledige tabletten op petrischaaltjes en brengen we deze in een stabiliteitsoven bij 25°C. Na 1 maand voeren we een visuele controle uit en gaan we via MDSC na of er kristallisatie heeft plaatsgevonden.
22
4.
RESULTATEN
4.1. KARAKTERISATIE 4.1.1. Ibuprofen en Eudragit® E PO Ibuprofen is kristallijne molecule en heeft bij atmosferische druk een smeltpunt van 76°C. De Tg van de amorfe vorm (bekomen na opwarming en quenching) bedraagt 43°C(Figuur 4.1). Het is een zwak zuur met een pka van 4,43. (Figuur 4.2) De maximale oplosbaarheid zal hierdoor stijgen naarmate de pH van het medium hoger is. Dit wordt verklaard doordat de molecule (IBP) een proton afsplitst en hierdoor geladen wordt. Geladen moleculen hebben een hogere oplosbaarheid in water. De maximale oplosbaarheid van IBP bij kamertemperatuur bedraagt 0,02613 mg/ml bij pH 1, 0,05197mg/ml bij pH 3, 0,16106mg/ml bij pH 5 en 4,33649 mg/ml bij pH 7. (Figuur 4.2). Deze waarden liggen in dezelfde grootorde als teruggevonden in de literatuur: 0,02 mg/ml bij pH 1, 0,23mg/ml bij pH 6 en 1,46mg/ml bij pH 7. (Jiang B., 2005)
Eudragit® E PO is een amorf polymeer met een glastransititietemperatuur van 49°C. (Figuur 4.1) Het is een polymethacrylaat, samengesteld uit 3 monomeren: n-butyl methacrylate
(n-BMA),
dimethylaminoethyl
methacrylaat
(DMAEMA)
en
methyl
methacrylaat in een relatieve verhouding van 22/45/33. DMAEMA speelt een belangrijke rol in de eigenschappen van het polymeer. Dit monomeer kan geprotoneerd worden en speelt mogelijks een belangrijke rol als interagerende groep. Analyse van de titratiecurve duidt op een pKa van 6.2. (Figuur 4.3) We stellen vast dat Eudragit® E PO zoals elk zwak zuur/base, een bufferende werking heeft rond deze pKa. De pH waarbij deze bufferende werking het sterkst is, is gelijk aan de pKa. Eudragit® E PO is oplosbaar tot een pH van 5. Bij hogere pHwaarden is het DMAEMA-monomeer te weinig geprotoneerd om voldoende oplosbaar te zijn.
23
FIGUUR 4.1. DE GLASTRANSITIETEMPERATUUR VAN EUDRAGIT® E PO (LINKS) EN IBUPROFEN (RECHTS),, AANGETOOND OP DE REVERSED HEAT FLOW (+AFGELEIDE)
Maximale oplosbaarheid Ibuprofen (25°C) 5
Oplosbaarheid (mg/ml)
4,5
pH 1: pH 3: pH 5: pH 7:
4 3,5
0,02613 mg/ml 0,05197 mg/ml 0,16106 mg/ml 4,33649 mg/ml
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
1
2
3
4 pH
5
6
7
8
FIGUUR 4.2. MAXIMALE OPLOSBAARHEID VAN IBUPROFEN BIJ VERSCHILLENDE PH'S
24
Terugtitratie van Eudragit EPO 14 12 10
pH
8 6 4 2 0
0
5
10
15
20
25
30
Volume 0,1M NaOH (ml)
FIGUUR 4.3. TITRATIECURVE 200 MG EUDRAGIT® E PO MET AANDUIDING VAN DE PKA
4.1.2. Processeerbaarheid van Ibuprofen en Eudragit® E PO: solid solution? De processeerbaarheid van de combinatie IBP/EudrE in een 30/70 (wt.%) verhouding werd bepaald met behulp van HSM. Het doel is het produceren van een glassy solid solution en deze techniek visualiseert de mogelijke compatibiliteit van beide substanties. Figuur 4.4 geeft het smeltproces van puur IBP weer (links) en visualiseert het opwarmen van een fysisch mengsel (PM) IBP/EudrE in een 30/70 (wt.%) verhouding (rechts). Zuiver IBP begint te smelten rond 76°C en kristalliseert terug uit na afkoeling. Analyse van het fysische mengsel duidt op mogelijks de vorming van een solid solution. Ook treedt er na afkoeling geen herkristallisatie op, wat des te meer duidt op compatibiliteit, interactie en mengbaarheid van de 2 substanties. Deze techniek wordt gebruikt om snel een idee te krijgen over mogelijke mengbaar tussen 2 substanties. Hieruit mag echter geen definitieve conclusies getrokken worden. Andere karakterisatie-technieken moeten dit bevestigen.
25
FIGUUR 4.4. HSM BEELDEN VAN EEN MENGSEL VAN IBUPROFEN IBUPROFEN EN EUDRAGIT® E PO
Een tweede karakterisatietechniek is de analyse analy van de Tg met behulp van (M)DSC. Een formulatie met een totale Tg, liggend tussen de Tg’s van beide individuele componenten, duidt op de vorming van een solid solution. Verschillende Verschillende verhoudingen van IBP/EudrE werden onderworpen aan HME en IM. IM. Al deze formulaties vertoonden één Tg, liggend tussen de Tg’s van de individuele componenten (zie 4.1.3).
Een derde methode om de vorming van een solid solution aan te tonen is met behulp van XRD. Indien IBP nog niet volledig is opgelost/geen volledige interactie vertoont met Eudragit® E,, wordt dit duidelijk op XRD-spectra. XRD (Figuur 4.5) Scherpe en omvangrijke pieken duiden op kristallisatie. Bij afwezigheid van deze pieken is IBP in volledig in amorfe vorm aanwezig.. De vorming van een solid solution tussen IBP/EudrE werd werd hier nogmaals aangetoond.
26
intensity [a.u.] 10
20
30
40
50
60
2 theta [°]
Figuur 4.5 XRD SPECTRUA VAN PUUR IBP (TOP), FYSISCH MENGSEL IBP/EUDR E 30/70 (WT.%) EN EXTRUDAAT IBP/EUDR E IN 30/70 VERHOUDING
4.1.3. Het plasticizing effect van ibuprofen op Eudragit® E PO. Ibuprofen is een erkend niet-traditionele plasticizer voor (meth)acrylaatcopolymeren. (Kidokoro, M. Et al, 2001) Toevoegen van IBP kan de glastransitietemperatuur verlagen. Om de mate hiervan te bepalen, maken we fysische mengsels met een stijgende concentratie ibuprofen in Eudragit® E PO aan. We bepalen de glastransitietemperatuur via MDSC, dit tijdens de 3de cyclus om zo de extrusie-conditities na te bootsen. (Figuur 4.6). Vervolgens werd de bekomen data onderworpen aan een data-analyse. We stellen vast dat naarmate de concentratie aan ibuprofen stijgt, de glastransitietemperatuur daalt (Figuur 4.7.) waarbij Tg = 0,0183828x² - 1,76267x + 48,8829 met x het gehalte (wt.%) aan ibuprofen met R²= 0,9858. Deze vergelijking toont aan dat de processeerbaarheid van het mengsel afneemt naarmate de concentratie aan ibuprofen stijgt boven de 30 wt.%. Grotere IBP concentraties zorgen voor een te groot plasticizing effect wat resulteert in slecht proceseerbare extrudaten die moeilijk hun vaste structuur kunnen behouden (te plastisch, slechte mechanische stabiliteit). Hierdoor kiezen we ervoor om in volgende experimenten nooit concentraties te gebruiken die verhouding IBP/EudrE 50/50 (wt.%) overschreiden. In figuur 4.8 en 4.9 worden de betrouwbaarheids- en predictieintervallen weergegeven.
27
FIGUUR 4.6: REVERSED HEAT FLOW VAN IM-TABLETTEN BESTAANDE UIT EUDRE EN IBP IN CONCENTRATIES VAN 10, 15, 20, 25, 30, 40 EN 50% RESPECTIEVELIJK
Gem. Tg (°C)
Plasticizing effect van Ibuprofen op Eudragit E 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Concentratie (%, m/m) FIGUUR 4.7: PLASTICIZING EFFECT VAN IBUPROFEN OP EUDRAGIT® E
28
55
Parameter
Estimate
Error
Lower Limit
Upper Limit
Constant
48,8829
0,840042
47,1359
50,6299
Col_1
1,76267
0,0734466
1,91541
1,60993
Col_1^2
0,0183828
0,00138185
0,0155091
0,0212566
FIGUUR 4.8 BETROUWBAARHEIDSINTERVAL VAN HET PLASTICIZING EFFECT VAN IBUPROFEN
Predicted
95,00% Prediction limits
95,00% Confidence Limits
X
Y
Lower
Upper
Lower
Upper
0,0
48,8829
45,0655
52,7003
47,1359
50,6299
50,0
6,70642
2,8852
10,5276
4,95104
8,46181
FIGUUR 4.9 PREDICTIEÏNTERVAL VAN HET PLASTICIZING EFFECT VAN IBUPROFEN
4.2. RELEASE VAN IBUPROFEN 4.2.1. Release van ibuprofen Ibuprofen is een zwak zuur met een pKa van 4,43. De carboxylgroep in de structuur bepaalt grotendeels zijn pH-afhankelijke oplosbaarheid. Hoe hoger de pH van het dissolutiemedium, hoe hoger de oplsobaarheid van ibuprofen. (Figuur 4.10) Zo zal ibuprofen bij pH7 al na 15 minuten volledig zijn opgelost. Echter, de vrijstelling bij pH5, pH3 en pH1 is na 60min. slechts 57%, 40% en 29%, respectievelijk. Deze lage oplossnelheid bij lagere pH’s wordt omzeild door enerzijds gebruik te maken van Eudragit® E, wat net beter oplost bij lagere pH’s en anderzijds door de productie van een solid solution.
Een solid solution van IBP/EudrE betekent dat ibuprofen volledig is opgelost/in interactie is met de polymere matrix. Hierdoor moet er geen kristalenergie overbrugd worden om op te lossen. Via HME en IM maken we tabletten aan met solid solutions van ibuprofen en Eudragit® E PO. We stellen vast dat de release van ibuprofen uit deze tabletten anders is dan van ibuprofen poeder. Zo stijgt de dissolutiesnelheid naarmate de pH daalt: na 15min. zal bij pH1 IBP volledig opgelost zijn, terwijl dit bij pH 3 pas na 45min. is. Wanneer de pH verhoogd wordt naar 5 of zelfs 7, dan stellen we vast dat er quasi geen release plaatsvindt (7,1% en 2,8% respectievelijk). (Figuur 4.11) Dit wordt veroorzaakt door de gedaalde oplosbaarheid van Eudragit® E PO bij een verhoogde pH. Om dit te omzeilen 29
zouden we de fractie aan IBP in de formulatie kunnen verhogen, aangezien ibuprofen goed oplost bij een hogere pH, maar door het plasticizerend effect van ibuprofen is dit niet mogelijk. Wanneer we echter een zuur toevoegen aan de formulatie kan dit mogelijks een microzuur klimaat creëren rondom de tablet om zo de oplossnelheid van Eudragit® E PO te verhogen.
Dissolutie van ibuprofenpoeder 100,0 Procentuele vrijstelling (%)
90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
10
20
30 Tijd(min.)
40
50
60
FIGUUR 4.10. DISSOLUTIESNELHEID VAN IBUPROFEN POEDER BIJ PH 1(■), 3(▼) 5 (▲) EN 7(♦)
Procentuele vrijstelling (%)
Dissolutie van Ibuprofen-Eudragit E Tablets 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
10
20
30
40
50
60
Tijd (min.)
FIGUUR 4.11. DISSOLUTIESNELHEID VAN IBUPROFEN UIT SOLID SOLUTION MET EUDRAGIT® E PO BIJ PH 1(■), 3(▼) 5 (▲) EN 7(♦)
30
4.3. EFFECT VAN BIVALENTE ZUREN OP DE RELEASE VAN IBUPROFEN 4.3.1. Effect van het gehalte zuur in de formulatie (g/g) op de vrijstelling van ibuprofen Om de invloed van zuren op het vrijstellingsprofiel te bepalen, maken we gebruik van de bivalente zuren adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur in de tabletten. We bepalen de dissolutiesnelheid van tabletten met verschillende gehaltes (10, 15 en 20 wt.%) aan zuur.
Wanneer we in een gebufferde oplossing (pH 3) het vrijstellingsprofiel van de tabletten met een verschillende concentratie aan adipinezuur met elkaar vergelijken merken we dat de vrijstelling onafhankelijk is van de concentratie zuur (Figuur 4.12) Ook voor glutaarzuur en succinezuur komen we tot dezelfde conclusie (data niet weergegeven). Wanneer we dit releaseprofiel vergelijken met tabletten met enkel IBP en EudrE stellen we een gelijkaardigdissolutieprofiel vast. (Figuur 4.12). Dit kan verklaard worden doordat het toegevoegde zuur geen significante daling in pH kan veroorzaken daar de pKa1 van adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur respectievelijk 4,43, 4,31 en 4,16 bedraagt en de zuren onvoldoende protonen afsplitsen om een microzuur klimaat te creëren We kunnen dus stellen dat voornamelijk de lage pH van de bufferoplossing verantwoordelijk is voor de oplossingssnelheid.
Vrijstellingsprofiel tabletten met adipinezuur bij pH 3 110,0
Procentuele vrijstelling (%)
100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
10
20
30 Tijd (min.)
40
50
60
FIGUUR 4.12. VRIJSTELLINGSPROFIEL IBUPROFEN BIJ PH3 UIT TABLLETTEN MET 10% (■), 15% (♦) EN 20% (▼) ADIPINEZUUR, BLANCO (▲)
31
Wanneer we het vrijstellingsprofiel bekijken in een bufferoplossing pH 5 dan stellen we vast dat het gehalte aan zuur wel bepalend is voor de vrijstelling. (Figuur 4.13) Een hoge concentratie zuur zal de vrijstelling van IBP sterk verhogen. Dit kan mogelijks op 2 manieren verklaard worden. Allereerst wordt de oplossingssnelheid van IBP bepaald door de dissolutiesnelheid van EudrE. Wanneer er een grotere hoeveelheid zuur toegediend wordt aan de formulatie zal de fractie aan polymeer dalen. Dit op zich kan een stijging van de dissolutie van ibuprofen teweeg brengen.
Een tweede benaderingswijze is dat het zuur in de formulatie bij dissolutie een microzuur klimaat creëert rondom de tablet. Hierdoor zal de fractie van het polymeer dat geladen is stijgen, resulterend in meer onderlinge afstoting en een betere oplossnelheid van het polymeer. Dit heeft een snellere dissolutie van ibuprofen tot gevolg. De pH van de difusielaag rond de tablet wordt ondermeer bepaald door de pka's van de zuren. Dit volgt rechtstreeks uit de Henderson-Hasselbalchvergelijking, waarbij de pH bepaald wordt door de som van de pKa en de logaritme van de verhouding zuur op base in oplossing. Ook zal de molaire concentratie aan zuur ter hoogte van de diffusielaag van belang zijn: om de pH te verlagen moet lokaal de buffercapaciteit van het medium overwonnen worden.
Wanneer we nu de zuren onderling met elkaar vergelijken stellen we vast dat bij een laag gehalte aan zuur de dissolutie gelijkaardig is. Bij hogere concentratie echter stellen we vast dat hoe korter de ketenlengte van het zuur, hoe sneller de dissolutie: vrijstelling met succinezuur > glutaarzuur > adipinezuur. Dit kan verklaard worden doordat een lagere moleculair massa bij een gelijke procentuele fractie (g/g) een hoger molaire gehalte met zich mee brengt. In de volgende fase van deze onderzoeksthesis vergelijken we dan ook het effect van bovenstaande zuren wanneer er een gelijk aantal mol toegevoegd wordt aan de formulatie.
32
Procentuele vrijstelling (%)
Vrijstellingsprofiel tabletten met 10% zuur bij pH 5 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Tijd (min.)
Vrijstellingsprofiel tabletten met 15% zuur bij pH 5 100 Procentuele vrijstelling (%)
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Tijd (min.)
Procentuele vrijstelling (%)
Vrijstellingsprofiel tabletten met 20% zuur bij pH 5 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
10
20
30
40
50
60
Tijd (min.)
FIGUUR 4.13. VRIJSTELLINGSPROFIEL IBP BIJ PH5 UIT TABLLETTEN MET (A) 10%, (B) 15% en (C) 20% ADIPINEZUUR (■), GLUTAARZUUR (♦) EN SUCCINEZUUR (▼), (BLANCO ▲)
33
4.3.2. Effect van het molair gehalte zuur (mol/g formulatie) op de vrijstelling van ibuprofen Wanneer we het vrijstellingsprofiel van formulaties met een gelijk molair gehalte aan zuur met elkaar vergelijken stellen we vast ondanks dezelfde molaire concentratie aan zuur, de vrijstellingsgraad toch verschillend is van elkaar. Zo zal de vrijstelling na 60min. van succinezuur 91% zijn terwijl deze met glutaarzuur en adipinezuur 76% en 43% bedragen respectievelijk. (Figuur 4.14) Hieruit blijkt dat ook andere factoren buiten de concentratie aan zuur een rol spelen bij de dissolutiesnelheid.
Procentuele vrijstelling
Vrijstellingsprofiel tabletten met 1,5 mmol zuur per gram tablet
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0
10
20
30
40
50
60
Tijd (min.)
FIGUUR 4.14 VRIJSTELLINGSPROFIEL IBUPROFEN BIJ PH5 UIT TABLLETTEN MET 1,5 MMOL ADIPINEZUUR (■), GLUTAARZUUR (♦) EN SUCCINEZUUR (▼) PER GRAM MENGSEL
Een mogelijke verklaring hiervoor is de maximale oplossnelheid van de zuren. Waarschijnlijk daalt deze oplossnelheid naarmate de moleculaire massa van het zuur stijgt. (zie volgende paragraaf 4.3.3)
4.3.3. Maximale oplosbaarheid adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur: Een verklaring voor de verschillen qua dissolutiegedrag? De dissolutiesnelheid van moleculen wordt gedreven door het verschil tussen de maximale oplosbaarheid en concentratie van de molecule in oplossing. Dit wordt verklaard via de Nernst-Brunner vergelijking: dC/dt = DS/(Vh)*(Cs-C) waarbij dC/dt de oplossnelheid is, D de diffusiecoëfficiënt, S het oppervlak, h de dikte van de diffusielaag, V het volume van het 34
medium, Cs de maximale oplosbaarheid en C de eigenlijke concentratie. Om na te gaan of deze oplosbaarheid (en onrechtstreeks de oplossnelheid) van de verschillende zuren een rol speelt in het vrijstellingsprofiel werd de maximale oplosbaarheid van de betreffende zuren onderzocht. Adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur zijn allemaal bivalente zuren, met pKa's die dicht bij elkaar liggen. Daarom wordt de concentratie bepaald aan de hand van pKa2. Uit de Henderson-Hasselbalch vergelijking volgt dat bij een pH = pKa + 2 de 99% van het zuur geprotoneerd is. Bij een bivalent zuur zal dit overeenkomen met +/- 100% van de moleculen die 1x geprotoneerd zijn een 99% 2x. We kunnen dus stellen dat bij deze pH de protonen voor 99,5% afgestoten zijn. Zo zal dit voor succinezuur het geval zijn bij pH 7,61. Dit komt overeen met 125,5ml 0,1M NaOH. Hieruit volgt dat de verzadigde oplossing een molaire concentratie heeft van 73,7g/l. (Figuur 4.15)
Titratiecurve Succinezuur 14 12 10
pH
8 6 4 2 0 0
20
40
60 80 100 Volume 0,1M NaOH (ml)
120
140
160
FIGUUR 4.15: TITRATIECURVE 20ML VERZADIGDE SUCCINEZUUROPLOSSING MET 0,1M NAOH
We stellen vast dat adipinezuur zoals verwacht de laagste oplosbaarheid heeft. (Figuur 4.16) We merken wel op dat glutaarzuur paradoxaal genoeg een veel grotere oplosbaarheid heeft dan succinezuur (615g/l tegenover 73,7g/l). De bevindingen tonen aan dat de maximale oplosbaarheid van de zuren nagenoeg geen invloed heeft op de release profielen. Deze waarden komen qua grootorde overeen met wat we terugvinden in de literatuur: 26g/l, 1156g/l en 88g/l, respectievelijk (Rozaini, M. 2008) 35
0,1M
Molaire # mmol
Zuur
# mmol
Concentratie verzadigde
NaOH
massa NaOH
zuur
oplossing (g/l)
(ml)
(g/mol)
Adipinezuur
59,73
5,973
2,972
146,14
43,4
Glutaarzuur
935,63
93,563
46,548
132,12
615,0
Succinezuur
125,53
12,553
6,245
118,09
73,7
FIGUUR 4.16: BEREKENING VERZADIGDE OPLOSSING ADIPINEZUUR, GLUTAARZUUR EN SUCCINEZUUR
4.3.4. Stabiliteit van de formulaties Om de stabiliteit van de formulaties na te gaan worden de tabletten in een oven (25°C) gelegd. Na een maand werden de tabletten beoordeeld. Via MDSC konde we geen herkristallisatie vaststellen. De opaciteit van de tabletten was na 1 maand niet veranderd. Wel was het zo dat de tabletten hun oorspronkelijke vorm en afmetingen verliezen. Dit beschouwen we als een maatstaf voor de stabiliteit van de tablet. (Figuur 4.17)
36
FIGUUR 4.17: DIAMETER TABLETTEN NA 1 MAAND IN DE INCUBATOR BIJ 25°C: BLANCO (LINKSBOVEN), 20% SUCCINEZUUR (RECHTSBOVEN), 20% GLUTAARZUUR (LINKSONDER) EN 20% ADIPINEZUUR (RECHTSONDER)
We merken op dat de tabletten hun oorspronkelijke vorm minder behielden naarmate de concentratie aan zuur toenam. (Figuur 4.18) Een verklaring hiervoor is te vinden in het feit dat naarmate de concentratie zuur toeneemt, de relatieve concentratie van ibuprofen ten opzichte van Eudragit® E ook toeneemt en er dus een grotere plasticizend effect is. Verder stellen we ook vast dat de ketenlengte van het zuur evenzeer een rol speelde: de diameter was het grootst bij formulaties met adipinezuur, gevolgd door deze die glutaarzuur en succinezuur bevatten.
Dit resultaat is opmerkelijk aangezien de formulatie waar het plasticizing effect het grootst was, zorgde voor de traagste release. Theoretisch gezien, zal bij daling van de viscositeit het vrij volume in de matrix toenemen, wat normaal de diffusie van opgeloste moleculen verhoogt. (Duda, J. 1985) Maar we stellen vast dat de formulatie met succinezuur de hoogste viscositeit heeft en het beste release profiel.
37
We stellen ook vast dat er zich luchtbellen gevormd hebben in de tabletten, mogelijks werden de microscopische luchtbellen, gevormd tijdens HME en IM, vergroot door het verbreden van de tablet.
Zuur
Blanco
10% zuur
15% zuur
20% zuur
Succinezuur
10,2mm
10,2mm
10,4mm
12,0mm
Glutaarzuur
10,2mm
10,4mm
11,1mm
13,8mm
Adipinezuur
10,2mm
10,4mm
11,3mm
14,2mm
FIGUUR 4.18: DIAMETER TABLETTEN NA 1 MAAND INCUBATOR (25°C)
Uit bovenstaande testen opteren we voor succinezuur als meest bruikbare molecule. Formulaties met succinezuur waren zowel het beste qua release als qua stabiliteit.
4.4. AANTONEN VAN HET BESTAAN VAN EEN LOKAAL MICROZUUR KLIMAAT 4.4.1. Dissolutie van tabletten met succinezuur en met natriumsuccinaat Om aan te tonen dat de release afhankelijk is van de protonenafgifte en niet van de concentratie aan succinaatmolecule in de formulatie, vergelijken we de release uit tabletten met succinezuur met de release uit tabletten met dezelfde concentratie aan natriumsuccinaat. (Figuur 4.19, 4.20) We kunnen besluiten dat zowel de tabletten met natriumsuccinaat maar voor een heel beperkte vrijgave van IBP zorgen (ca 10% na 60min.) terwijl de tabletten met succinezuur na 60min. 48% en 91% ibuprofenrelease hebben (1,0 en 1,5 mmol succinezuur per g tablet). We kunnen dit beschouwen als een eerste bewijs voor het aanwezig zijn van een lokaal microzuur klimaat ter hoogte van de tablet.
38
Procentuele vrijstelling (%)
Vrijstellingsprofiel tabletten bij pH 5 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0
10
20
30
40
50
60
70
Tijd (min.)
FIGUUR 4.19:VRIJSTELLINGS PROFIEL IBUPROFEN BIJ PH 5 UIT TABLETTEN MET SUCCINEZUUR (▼ & ▲), BLANCO (■ & ♦) EN NATRIUMSUCCINAAT (► & ◄)
Tablet
% Ibuprofen % Eudragit® E % Sucinezuur
% NaSuccinaat
1,0mmol succinezuur (▼)
30
58,181
11,809
0
1,5mmol succinezuur (▲)
30
52,286
17,714
0
1,0 mmol NaSuccinaat (►)
30
53,795
0
15,205
1,5 mmol NaSuccinaat (◄)
30
45,692
0
24,308
FIGUUR 4.20: SAMENSTELLING TABLETTEN FIGUUR 4.15
4.4.2. Dissolutie van tabletten met succinezuur en malonzuur Om het effect van de pka1 van de het zuur te onderzoeken vergelijken we het vrijstellingsprofiel van formulaties met succinezuur met deze met malonzuur. Malonzuur heeft een pKa1 2,83 een stuk lager is dat deze van succinezuur (4,28).
39
Procentuele vrijstelling (%)
Vrijstellingsprofiel tabletten met malonzuur bij pH 3 100 80 60 40 20 0 0
10
20
30 Tijd (min.)
40
50
60
FIGUUR 4.21: VRIJSTELLINGSPROFIEL IBUPROFEN BIJ PH3 UIT TABLLETTEN MET 1,0MMOL (■) EN 2,0 MMOL(♦) MALONZUUR PER GRAM MENGSEL
Ook bij de formulatie met malonzuur stellen we vast dat de vrijstelling bij pH 3 onafhankelijk is van de concentratie aan zuur. (Figuur 4.21) Wanneer we de vrijstelling met malonzuur en succinezuur vergelijken bij pH 5 stellen we vast dat na 30 minuten reeds 91% IBP is opgelost bij een 2,0 mmol malonzuur per gram fomulatie terwijl dit voor eenzelfde hoeveelheid aan succinezuur maar 76% is. Dit verschil kan verklaard worden door de pKacomponent in de Henderson-Hasselbalch vergelijking, waardoor de pH van het microzure klimaat rond de tablet lager uitvalt bij zuren met een lage pKa1. We stellen zelfs vast dat toevoeging van 1,5 mmol malonzuur minstens een even goed effect heeft op de dissolutiesnelheid als 2,0 mmol succinezuur. (Figuur 4.22). De betere release door het toevoegen van malonzuur kunnen we beschouwen als een 2de bewijs voor het bestaan van een microzuur klimaat ter hoogte van de tablet.
Echter, het gebruik van malonzuur gaf tijdens het productieproces schuimvorming. Malonzuur heeft een smeltpunt rond 130°C en wordt boven deze temperatuur snel afgebroken
met
de
vorming
van
CO2
en
Azijnzuur
tot
gevolg.
(http://www.1911encyclopedia.org/Malonic_acid) Mogelijks worden deze temperaturen lokaal bereikt door toedoen van de shearkrachten om het polymeermengsel. Verdere stabiliteitstesten omtrent malonzuur moeten hier nog meer duidelijkheid over brengen. 40
Vrijstellingsprofiel tabletten met succinezuur en malonzuur bij pH 5
100 Procentuele vrijstelling (%)
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Tijd (min.)
FIGUUR 4.22: VRIJSTELLINGSPROFIEL IBUPROFEN BIJ PH5 UIT TABLLETTEN MET 1,5 MMOL (▼) EN 2,0 MMOL (▲) SUCCINEZUUR EN 1,5MMOL (►) EN 2,0 MMOL (◄) MALONZUUR PER GRAM MENGSEL.
4.4.3. Effect van de verhouding ibuprofen en de hoeveelheid polymeer-zuur op de dissolutiesnelheid Als de concentratie aan IBP ten opzichte van een vaste Eudragit® E/succinezuur verhouding wordt gewijzigd, stijg de dissolutiesnelheid naarmate de hoeveelheid ibuprofen in de formulatie lager is. (Figuur 4.23) Daar waar Eudragit® E bij pH 5 quasi niet oplost, stellen we vast dat het toevoegen succinezuur, voor een dermate daling van de pH rond de tablet zorgt dat Eudragit® E wel snel oplost. waardoor het oplossen van Ibuprofen de snelheidsbepalende stap wordt bij de dissolutie. Hierdoor daalt de dissolutiesnelheid naarmate de ibuprofenconcentratie in de tablet stijgt. We kunnen dit als een 3de bewijs interpreteren voor het bestaan van een microzuur klimaat rondom de tablet.
41
Procentuele vrijstelling
Vrijstellingsprofiel tabletten met succinezuur en verschillende gehaltes ibuprofen
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30 Tijd (min.)
40
50
60
FIGUUR 4.23.DISSOLUTIEPROFIEL BIJ PH 5 VAN TABLETTEN MET 2,5 MMOL SUCCINEZUUR PER GRAM EUDRAGIT® E EN VERSCHILLENDE IBUPROFENRATIO'S (2/12■, 3/12▼, 4/12♦, 5/12▲EN 6/12►) TEN OPZICHTE VAN EUDRAGIT® E
4.5. VERGELIJKING VAN HET EFFECT VAN SUCCINEZUUR T.O.V. ANDERE MOLECULEN IN DE FORMULATIE OP DE DISSOLUTIESNELHEID VAN IBUPROFEN.
4.5.1. Vergelijking vrijstellingsprofielen succinezuur met maleïnezuur en L-tartaarzuur We gaan nu na of extra functionele groepen op het dicarbonzuur een positief effect hebben op de dissolutie van ibuprofen. Dit zou mogelijks het geval kunnen zijn door interacties van deze groepen met het polymeer. Zo heeft maleïnezuur dezelfde structuur als succinezuur behoudens een onverzadigdheid ter hoogte van de centrale koolstofatomen. Ltartaarzuur daarentegen heeft op deze atomen een hydroxielfunctie. We bemerken geen groot verschil tussen de verschillende formulaties op het vlak van dissolutiesnelheid. (Resultaten niet weergegeven)
4.5.2. Vergelijking vrijstellingsprofielen succinezuur met citroenzuur Trivalente zuren kunnen per molecule 3 protonen afsplitsen. Citroenzuur is een trivalent zuur met pKa's 3,15, 4,77 en 6,40. In dit experiment onderzoeken we het effect van een extra afsplitsbaar proton op de dissolutiesnelheid van ibuprofen. (Figuur 4.24) 42
Procentuele vrijstelling
Vrijstellingsprofiel tabletten met succinezuur en citroenzuur 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
Tijd (min.)
FIGUUR 4.24. VRIJSTELLINGSPROFIEL IBUPROFEN BIJ PH5 UIT TABLLETTEN MET 1,0 MMOL (▼) EN 1,5 MMOL (▲) SUCCINEZUUR EN 1,0MMOL (►) EN 1,5 MMOL (◄) CITROENZUUR PER GRAM MENGSEL.
We stellen vast dat er geen significant verschil waar te nemen valt in vrijstellingsgraad tussen tabletten met succinezuur en tabletten met citroenzuur. Een mogelijke verklaring is de pKa3 van citroenzuur, deze is 6,40 en te hoog om een effect te hebben op het microzure klimaat.
4.5.3. Vergelijking vrijstellingsprofiel succinezuur, glycine en NaCl Ook ladingen kunnen de interacties tussen monomeren van een polymeer beïnvloeden. Glycine is een aminozuur. Bij het iso-electrisch punt (pH = (Pka1 + Pka2)/2, hier 5,97) is glycine een zwitterion. Een zwitterion is een molecule met een positief geladen deel en een negatief geladen deel: de carboxylgroep heeft het proton afgestaan en is negatief geladen, de aminefunctie heeft een proton opgenomen en is positief geladen. Natriumchloride is een goed oplosbaar zout, dat bij oplossing volledig gesplitst wordt in Na+ en Cl—ionen.
43
Procentuele vrijstelling
Vrijstellingsprofiel tabletten met succinezuur, NaCl en glycine bij pH 5
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0
10
20
30 Tijd (min.)
40
50
60
FIGUUR 4.25: VRIJSTELLINGSPROFIEL IBUPROFEN BIJ PH5 UIT TABLLETTEN MET 1,5 MMOL SUCCINEZUUR (▼ ), GLYCINE (■ ) EN NACL (♦) PER GRAM MENGSEL
Uit Figuur 4.25 stellen we vast dat het toevoegen van glycine en NaCl geen invloed heeft op de vrijstelling van Ibuprofen. Zo zal de formulatie met 1,5mmol succinezuur een vrijstelling hebben na 60' van 91% terwijl de tabletten met glycine en met NaCl slechts een vrijstelling hebben van 8% De aanwezigheid van geladen moleculen volstaat niet om een verhoogde vrijstelling te bekomen, dit is evenzeer een bewijs voor de noodzakelijkheid van een microzuur klimaat rondom te tabletten om een verhoogde vrijstelling te bekomen bij hogere pH.
44
5.
VERDER ONDERZOEK
Toekomstig onderzoek focust zich mogelijks op de de oorzaak van verschillen qua releaseprofiel tussen de verschillende dicarbonzuren (adipinezuur, glutaarzuur en succinezuur). Een mogelijke piste die onderzocht kan worden is het verschil in dissolutiesnelheid van deze zuren. Bijkomend onderzoek naar de ‘soepelheid’ van de formulaties zou ook meer duidelijkheid kunnen brengen hieromtrent.
Verder is het nuttig om release profielen op te stellen bij pH 7. Een substantiële release bij hogere pH's kan een betere biologische beschikbaarheid met zich meebrengen.
Verder onderzoek is ook nodig omtrent de stabiliteit van de formulatie met succinezuur. Stabiliteit werd nu enkel uitgevoerd bij 25°C. Nieuwe stabiliteitstesten bij hogere temperatuur (40°C) is nuttig voor dit topic.
Als laatste kan het interessant zijn om de mogelijke interacties in de formulaties aan te tonen. Via Fourier Transform Infrarood Spectroscopy kan nagegaan worden of er sprake is van een interne waterstofbrug en of dit varieert bij de gebruikte zuren.
45
6.
BESLUIT Ibuprofen is een kristallijne molecule met een smeltpunt van 76°C. Het is een zuur met
pKa 4,43, waardoor de oplosbaarheid stijgt in functie van de pH. Eudragit® E is daarentegen een amorf polymeer met Tg 48-49°C. Het heeft basische eigenschappen en een pKa van 6,2. Hierdoor daalt de oplosbaarheid in functie van de pH, waardoor Eudragit® E boven pH 5 quasi onoplosbaar is.
Een mengsel dat via hot melt extrusie en injection mouldig gevormd wordt uit ibuprofen en Eudragit® E PO is een solid solution: ibuprofen is moleculair gedispergeerd in het amorfe polymeer. Dit werd aangetoond via HSM, MDSC en XRD. Ibuprofen is tevens een niettraditionele plasticizer: de Tg wordt verlaagd volgens Tg = 0,0183828x² - 1,76267x + 48,8829 met x het gehalte aan ibuprofen en R²= 0,9858.
Ibuprofen heeft geen goede oplossnelheid bij zure pH's, daarom maken we maken we een solid solution aan met Eudragit® E. De dissolutiesnelheid verbetert voornamelijk bij lage pH's. Vanaf pH 5 speelt de lage oplosbaarheid van Eudragit® E bij hogere pH een rol. Daarom worden formulaties met dicarbonzuren aangemaakt.
Wanneer we geëxtrudeerde mengsels van ibuprofen, Eudragit® E PO en bivalente zuren met elkaar vergelijken, stellen we vast dat de dissolutiesnelheid stijgt naarmate het gehalte (g/g) aan zuur stijgt. Ook merken we op dat de dissolutiesnelheid daalt naarmate de ketenlengte van het zuur stijgt.
Als we nu mengsels maken met een gelijk aantal mol zuur, blijven we een correlatie vaststellen tussen de ketenlengte en de dissolutiesnelheid. Een correlatie met de oplosbaarheid van de zuren is er niet.
De formulaties met de verschillende zuren hebben elk een andere stabiliteit: we stellen vast dat naarmate het gehalte aan zuur toeneemt, de stabilteit daalt. Verder zal een langere ketenlengte van het zuur de mechanische stabiliteit negatief beïnvloeden. Uit deze en bovenstaande testen besluiten we dat succinezuur de beste keuze is voor de formulatie uit deze gelijkaardige dicarbonzuren. 46
De release (bij pH 5) werd succesvol verhoogd. De oorzaak hiervan is de vorming van een microzuurklimaat:
1. We stellen vast dat formulaties met de zoutvorm van succinezuur geen goede vrijstelling geven (ca 10% na 60min.). De tabletten met 1,0 mmol en 1,5 mmol succinezuur per gram tablet een vrijstellingsgraad veroorzaken na 60min. van 48 en 91% respectievelijk. Hieruit kunnen we besluiten dat de vrijstelling van protonen wel degelijk een groot effect heeft op de dissolutie van IBP uit de tabletten en er een microzuur klimaat gecreëerd wordt rondom de tablet.
2. Een tweede bewijs voor het lokale microzuur klimaat stellen we vast door het vergelijken van succinezuur met malonzuur. We stellen vast dat tabletten met malonzuur een snellere dissolutie veroorzaken. Dit kan verklaard worden door een lagere pKa1, wat de pH rondom de tablet sterker doet dalen.
3. Maken we nu solid solutions bestaande uit een vaste verhouding Eudragit® E en succinezuur, maar met een stijgend gehalte aan Ibuprofen, dan stellen we vast dat de dissolutiesnelheid bij pH 5 afneemt naarmate het gehalte aan Ibuprofen ten opzichte van Eudragit® E stijgt. Door toevoeging van het succinezuur zal het oplossen van het polymeer niet meer de snelheidsbepalende stapt zijn, maar wordt dit het oplossen van Ibuprofen uit de tablet. Dit beschouwen we als een derde bewijs voor de aanwezigheid van een microzuurklimaat rondom te tablet.
Wanneer we extra functionele groepen plaatsen op het dicarbonzuur dan heeft dit geen positief effect op de dissolutiesnelheid. Ook een extra carboxylgroep heeft geen invloed op de disolutiesnelheid, wat verklaard wordt door de te hoge pKa3.
Ook hebben ladingen op zich, toegevoegd aan de formulatie geen effect op de dissolutie: zo zal een tablet met glycine of NaCl, geen noemenswaardige vrijstelling van ibuprofen veroorzaken bij pH5. Dit kan tevens geïnterpreteerd worden als bewijs voor de aanwezigheid van het microzuur klimaat.
47
7.
LITERATUURLIJST
Bikiaris, D. (2011). Solid dispersion, Part I: recent evolutions and future opportunities in manufacturing methods for dissolution rate enhancement of poorly water-soluble drugs, Expert Opinion Drug Delivery, 8, 1, 1501-1519 Breitenbach, J. (2002). Melt extrusion: from process to drug delivery technology, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 54, 107-117 Cheng, Z.B., Turng, L.S. (2005) A review of current developments in process and quality control for injection molding, Advances in polymer technology, Vol.24, 3, 165-182 Chiou, W. Riegelman, S. (1971). Pharmaceutical Applications of Solid Dispersion Systems, Journal of Pharmaceutical Sciences, Vol. 60, 9, 1281-1497 Crowley, M. et al (2007) Pharmaceutical Applications of Hot-Melt Extrusion Part I, Drug Development and Industrial Pharmacy, 33, 909-926 Duda, J. (1985). Molecular diffusion in polymeric systems, Pure & Applicable Chemistry, Vol. 57 (11), 1681-1690 Fahr, A. Liu X. (2007). Drug Delivery strategies for poorly water-soluble drugs, Expert Opinion Drug Delivery, Vol.4, 4, 403-416 Gibson, M. (2004). Preformulation Predictions from Small Amounts of Compound as an Aid to Candidate Drug Selection. Pharmaceutical Preformulation and Formulation, 21-96 Hoogenboom, R., Fijten, M., Thijs,H.,
van Lankvelt B., Schubert, U. (2005), Designed
Monomers & Polymers, 8, 659-671. Janssens, S., Van den Mooter, G. (2009). Review: physical chemistry of solid dispersions. Journal of Pharmacy and Pharmacology, 61, 1571-1586 Jiang, B., Hu, L., Gao, C., Shen, J. (2005) Ibuprofen-loaded nanoparticles prepared by a coprecipitation method and their release properties, International Journal of Pharmaceutics, 304, 220-230 Kidokoro, M. Et Al. (2001), Properties of Tablets Containing Granulations of Ibuprofen and an Acrylic Copolymer Prepared by Thermal Processes, Pharmaceutical Development and Technology, Vol.6, 2, 263-275 48
Leurner, C., Dressman, J. (2000). Improving drug solubility for oral delivery using solid dispersions, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 50, 47-60 Mathews, C. K. ; Van Holde, K. E. ; Ahern, K. G. (1999). Biochemistry Miller D. et al (2006) Hot-Melt Extrusion for Enhanced Delivery of Drug Particles, Journal of Pharmaceutical Sciences, Vol. 96, 2, 361-376 Perdikoulias, J., Dobbie, T. (2003) Die Design. In I. Ghebre-Sellassie & C. Martin (Eds.), Pharmaceutical exrusion technology. Drugs and pharmaceutical sciences, Vol. 133, 99-110 Qi, S., Gryczke, A., Belton, P. Craig, D (2008), Characterisation of solid dispersions of paracetamol and Eudragit®E prepared by hot-melt extrusion using thermal, microthermal and spectroscopic analysis, International Journal of Pharmaceutics, Vol. 354, 158-167 Quinten, T. et al (2009). Evalutation of injection moulding as a pharmaceutical technology to produce matrix tablets, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 71, 145154 Rahman, M., Brazel, C. (2004). The plasticizer market: an assessment of traditional plasticizers and research trends to meet new challenges, Progress in Polymer Science, 29, 1223-1248 Repka, M.A.et al (2007). Pharmaceutical Applications of Hot-Melt Extrusion: Part II, Drug Development and Industrial Pharmacy, 33, 1043-1057 Repka, M. et Al (2008). Applications of hot-melt extrusion for drug delivery, Expert Opinion Durg Delivery, Vol.5, 12, 1357-1376 Repka, M. et al (2012). Melt extrusion: process to produce, Expert Opinion Drug Delivery, Vol.9, 1, 105-125 Rozaini, M., Brimblecombe, P. (2008) The Odd-Even Behaviour of Dicarboxylic Acids Solubility in the Atmospheric Aerosols, Water, Air, Soil Pollutions, Vol. 198 (1), 65-75 Serajuddin, A. (1999) Solid Dispersion of Poorly Water-Soluble Drugs, Early Promises, Subsequent Problems, and Recent Breakthroughs, Journal of Pharmaceutical Sciences, Vol. 88, 10, 1058-1066
49
Thommes, M., Ely, D., Carvajal M., Pinal, R. (2011) Improvement of the Dissolution Rate of Poorly Soluble Drugs by Solid Crystal Suspensions. Molecular Pharmaceutics, 8 (3), 727-735 Vascocelos, T. et al (2007). Solid dispersions as strategy to improve oral bioavailability of poor water soluble drugs, Drug Discovery Today, Vol 12, 23/24, 1068-1075 Verdonck, E., Schaap, K., Thomas, L. (1999). A discussion of the principles and applications of Modulated Temperature DSC (MTDSC), International Journal of Pharmaceutics, 192, 3-20 Wu, C., McGinity, J. (2001). Influence of ibuprofen as a solid-state plasticizer in eudragit®RS 30D on the physicochemical properties of coated beads. Vol.2, 4, 35-43 db.cbg-meb.nl/Bijsluiters/h13331.pdf (22/04/2012) http://eudragit.evonik.com/product/eudragit/en/Pages/default.aspx (26/04/2012) http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=4982 (25/03/2012) http://www.bcfi.be/GGR/Index.cfm?ggrWelk=/nIndex/GGR/Stof/IN_I.cfm (21/01/2012) http://www.chemicalize.org/structure/#!mol=ibuprofen&source=calculate (23/03/2012) http://www.ehow.com/about_5039184_ph-stomach-acid.html (23/03/2012) http://www.pslc.ws/macrog/dsc.htm (25/03/2012) http://www.spec2000.net/09-xrd.htm (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927222 (1) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9924163 (2) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927284 (3) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927423 (4) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9924344 (5) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927179 (6) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927564 (7) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9925165 (8) (25/03/2012) www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9923494 (9) (25/03/2012) http://eudragit.evonik.com/product/eudragit/en/Pages/default.aspx (21/03/2012) http://www.accessscience.com/loadBinary.aspx?filename=526800FG0030.gif (21/03/2012) http://cltad.arts.ac.uk/groups/camberwellmateriallibrary/wiki/54c80/images/87225.gif (23/03/2012) http://www.materialanalyzers.com/sitebuilder/images/MiniLab_II_Barrel_-_Open474x351.jpg (26/04/2012) 50
