Velikost a tvar částic, Mikrostruktura pevných lékových forem

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze

Velikost a tvar částic, Mikrostruktura pevných lékových forem Michal Šimek [email protected]

Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2014

Proč se zabývat velikostí, tvarem částic a mikrostrukturou tablet? Zastoupení lékové formy na trhu léčiv: 10%

Dosage form state2)

90%

Tablety umožňují: - umožňují přesné dávkování. - maskování nepříjemné chuti. - jsou oblíbené u pacientů. - obsahují minimum vlhkosti → dlouhá expirace. - je možné upravit chování tablety • Úprava disolučních profilů • Řízené uvolňování Komárek P., Rabišková M.: Technologie léků. 3. vydání. Galen, Praha 2006.

Solid dosage form

Other form

Velký zájem v oblasti pevných lékových forem – vývoj, analytika,… 2)Crowder

T.M. et al. A Guide to Pharmaceutical Particulate science. Interpharm CRC; ISBN 1-57491-142-2

Složení tablet

Tablety jsou tvořeny látkami účinnými (API) a pomocnými (excipienty), z nichž každá musí plnit předem zamýšlenou funkci: • Zlepšení zpracovatelnosti, ochrany, zvýšení stability nebo biodostupnosti API, pomoci při identifikaci léčiva (barviva, atd.)

Práškové materiály se skládají z pevných částic obklopených plynem, které mají vlastnosti pevných látek, kapalin i plynů, protože jsou schopné do určité míry odolat deformacím, vykazují tokové vlastnosti a je možné je částečně stlačit.

Chování částic a jejich systémů …je ovlivňováno: Velikostí Tvarem Drsností povrchu Hustotou Hygroskopicitou Aktivním povrchem Elektrostatickými silami - adheze

Tokovost (sypný úhel,…) Hustota systému (schopnost částic se poskládat)

Velikost a tvar částic

Velikost částic Velikost částic je to rozměrová vlastnost částice v prostoru definovaná jednotkou délky.

Reálný práškový materiál

100

40

80

30

60

V (%)

V (%)

Ideální práškový materiál

40

20

10

20

0

0 10

30

10

50

50

Velikost (µm)

V [%]

Velikost (µm)

Distribuce velikosti částic: V reálném práškovém vzorku se velikost částic pohybuje v určitém intervalu, proto hovoříme o distribuci velikosti části (DVČ/PSD).

30

50

0 10

20

30

40

50

60

µm

Tvar částic Příklady tvarů částic léčivých látek: aglomeráty

jehličky

koule

destičky

Nepravidelné

krychle

vločky

kvádrovité

Tvar a velikost jsou neoddělitelné parametry!!!

• Velikost a tvar částic ovlivňuje: Výrobu lékové formy : • tokové vlastnosti prášku (sypnost,…)

Chování lékové formy : • transport léčiva (Velikost částic, které se uloží v plicích: 4 – 10 μm)

• homogenizaci (problémy se segregací směsi a obsahovou stejnoměrností)

• dezintegrace a disoluce lékové formy Difúze -1.Fickův zákon

• mletí (dobu a sílu) • granulaci • tabletování Zámostný P. Mísení a segregace sypkých hmot. Inženýrství chemickofarmaceutických výrob, studijní materiály, VŠCHT Praha 2012

dM/dt …míra přestupu hmoty D …difúzní koeficient S …difúzní plocha dC/dx …koncentrační gradient

Menší částice = větší celková aktivní/difúzní plocha

Byrn S.R., Pfeiffer R.R., Stowell J.G. Solid State Chemistry of Drugs. Second Edition. SSCI, Inc. West Lafayette Indiana 1999

• Využití úpravy velikosti částic: Generikum je: léčivý přípravek, který má shodné kvalitativní a kvantitativní složení léčivé látky, shodnou lékovou formu, je bioekvivalentní s originálním přípravkem a je s ním zaměnitelný. Bioekvivalentní jsou pokud mají podobné farmakokinetické profily. (± 20 % na hladině významnosti 0,05) Farmokokinetické profily originálního a generického přípravku1)

Disoluční profily tablet s různou velikostí téže API:

4

c [ng/ml] in blood

3,5 3

Brand drug

2,5

Generic drug

2 1,5 1 0,5 0

0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 t[min]

Delvadia P.R. Et al. A biorelevant in vitro release/permeation system for oral transmucosal dosage Forms. International Journal of Pharmaceutics 430 (2012) 104– 113

Byrn S.R., Pfeiffer R.R., Stowell J.G. Solid State Chemistry of Drugs. Second Edition. SSCI, Inc. West Lafayette Indiana 1999

Farmakokinetický profil = Závislost koncentrace účinné látky v krvi na čase. Disoluční profil = Závislost koncentrace účinné látky v disolučním médiu na čase.

Vznik částic a úprava jejich velikosti • Konstruktivní techniky Krystalizace

Sprejové sušení

• Destruktivní techniky Mletí

• Úprava distribuce velikosti částic Sítování

Lyofilizace

Krystalizace • Rozdílné způsoby a podmínky krystalizace (převzato od J. Holaně) Krystalizace chlazením a očkování – záleží na míře přesycení jaký děj bude probíhat preferenčně. B…rychlost nukleace b…řád nukleace S…přesycení ❶

❷ G…rychlost růstu kr. kg…konstanta růstu g…řád růstu

Vyšší přesycení podporuje nukleaci (př. bod ❶)

❷

❶

Nižší přesycení podporuje růst krystalu → cílená velikost API (př. bod ❷) Ovlivnění velikosti částic

Očkování a pohyb v metastabilní zóně během výroby !!!!

Krystalizace • Krystalizaci lze ovlivnit podmínkami: Rozpouštědlem, Teplotou, Mícháním, Aditivem,…

Rozdílné tvary krystalů paracetamolu Formy I připravené rozdílnými způsoby krystalizace: Nepravidelné částice Krystalizace z roztoku ethanolu a vody.

Destičky Vysrážení vodou z ethanolu.

Kvádry Vysrážení vodou z ethanolu s přídavkem aditiva (PVP) a vysokých otáčkách míchání.

Sférulity Vysrážení vodou z ethanolu s přídavkem aditiva (PVP).

U robustních procedur lze připravit rozdílnou velikost krystalů pomocí změny rychlosti otáček V tomto případě: stejné krystalové struktury (Forma I), pouze jiným tvarům krystalů.

Úprava velikosti při zachování tvaru během krystalizace

Destičky

Nepravidelné 250

200

d(0.9)

150

d(0.5)

100 50

Size [microns]

Size [microns]

250

200 150

d(0.9) d(0.5) d(0.1)

100 50 0

0 W-O 100 EtOH rpm W-O 200 EtOH rpm W-O 600MeOH rpm 100rpm 50g 200rpm 50g 600rpm 040614 040614 270514

EtOH H2O EtOH H2O EtOH H2O 100+rpm 300 +rpm 1200+rpm 300rpm 50g 100rpm 50g 1200rpm 50g 020614 040614 090614

Změna vlastností prášků při změně velikosti a tvaru částic Zdánlivý a skutečný objem/hustota (před a po setřesení) 120

100

Volume [ml]

80

60

40

20

0 raw W-O EtOH W-O EtOH W-O MeOH EtOH + H2O Nepravidelné EtOH + H2O EtOH + H2O Vstupní Destičky Paracetamol 100rpm 50g 200rpm 50g 600rpm 300rpm 50g 100rpm 50g 1200rpm 50g Paracetamol 100rpm 200rpm 600 rpm 100rpm 300 rpm 1200rpm 040614 040614 270514 020614 040614 090614

Objem při volném nasypání: V0 Objem po setřesení: V1250

m=20g

Změna vlastností prášků při změně velikosti a tvaru částic Zdánlivý a skutečný objem/hustota 120

100

Volume [ml]

80

60

40

20

0 raw W-O EtOH W-O EtOH W-O MeOH EtOH + H2O Nepravidelné EtOH + H2O EtOH + H2O Vstupní Destičky Paracetamol 100rpm 50g 200rpm 50g 600rpm 300rpm 50g 100rpm 50g 1200rpm 50g Paracetamol 100rpm 200rpm 600 rpm 100rpm 300 rpm 1200rpm 040614 040614 270514 020614 040614 090614

Objem při volném nasypání: V0 Objem po setřesení: V1250

Změna vlastností prášků při změně velikosti a tvaru částic m=20g

Sypný úhel 50,00 45,00 40,00 35,00

Degrees [°]

30,00 25,00 20,00

Angle °

15,00 10,00 5,00 0,00 Paracetamol Vstupní raw Paracetamol

W-O EtOH 100rpm 100rpm

W-O EtOH Destičky 200rpm 200rpm

W-O MeOH EtOH + H2O Nepravidelné EtOH + H2O EtOH + H2O 600rpm 100rpm 300rpm 1200rpm 600 rpm 100rpm 300 rpm 1200rpm

Sypný úhel (úhly)

Typ toku

<20

Výborný

20-30

Dobrý

30-40

Průměrný

>40

Velmi špatný

Mletí Kulový mlýn, Fluidní mlýn, Kladivový mlýn, Čelisťový mlýn …

Snížení velikosti částic API . Princip kulového mlýnu (http://cs.wikipedia.org/wiki/Kulov%C3%BD_ml%C3%BDn)

Rychlost redukce velikosti závisí na: • Vstupní velikosti částic • Orientaci v mlýnu • Doba mletí Částice obsahují nedokonalosti ve struktuře, kde po aplikaci mlecí síly vznikají trhliny a částice se rozpadne. Příklad vstupní a umleté API

Úprava distribuce velikosti částic • Sítování materiálu

15% V(%)

V(%)

10% 5%

Úprava šíře DVČ API.

130

Velikost (µm)

115

100

85

70

55

Özbilen S. Influence of atomising gas pressure on particle shape of Al and Mg powders. Powder Technology (1999) 102 Pages 109–119

40

Velikost (µm)

25

10

220 205 190 175 160 145 130 115 100 85 70 55 40 25 10

0%

20% 15% 10% 5% 0%

Popis velikosti a tvaru částic •

•

Martinův průměr: Je roven délce čáry, která půlí plochu průmětu disperzní částice. Směr, kterým je vedena dělící čára, je libovolný, ale musí být stejný u všech proměřovaných částic. Feretův průměr: Je roven vzdálenosti bodů, v nichž se dvě paralelní tečny dotýkají obvodu průmětu částice. Směr, kterým jsou vedeny tečny, musí být stejný u všech proměřovaných částic.

Velikost částic se vyjadřuje pomocí početní nebo objemové distribuce a d-hodnot. Tvar částic se vyjadřuje slovně(není sjednocené) nebo vyjádřením více velikostních distribucí.

Popis velikosti a tvaru částic

Objemová DVČ •

•

V závislosti na použité metodě analýzy má objemová DVČ tvar histogramu nebo spojité distribuční křivky. Kromě koulí a krychlí nelze ostatní tvary popsat jedním přesným číslem, a proto byla do praxe zavedena aproximace na tzv. ekvivalentní koule. Tzn. kouli o stejném objemu, maximální délce, minimální délce, rychlosti sedimentace, velikosti ok síta apod. (Obr. 4), jako má měřená částice.

max. průmět

min. průmět

10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 100-110 110-120 120-130 130-140 140-150 150-160 160-170 170-180 180-190 190-200 200-210 210-220 220-230 230-240 240-250 250-260 260-270 270-280

•

Na základě jednoho či více délkových parametrů je možné zrekonstruovat početní DVČ, která má tvar histogramu. V případě, že se nejedná o koule či krychle je preferován záznam dvou až tří histogramů.

45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

Velikost (µm) Početní distribuce velikosti částic léčivé látky (API) v závislosti na min. a max. průmětu (obrazová analýza). Jehličkovité částice měřené léčivé látky. 15%

Objem (%)

•

Počet (%)

Početní DVČ

10%

5%

0% 10

30

50

70

90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 Velikost (µm)

Způsob sférických aproximací nepravidelných tvarů částic

Objemová distribuce velikosti částic léčivé látky (API).

Popis velikosti a tvaru částic Percentilní d-hodnoty • •

•

Tyto hodnoty byly zavedeny proto, aby bylo možné číselně vyjádřit DVČ. Nejznámější jsou: • dolní decil d(0,1) • horní decil d(0,9) • medián d(0,5) Jedná se o hodnoty odečtené z kumulativní křivky při příslušném procentu počtu částic.

Metody měření velikosti částic • Sedimentační Vhodné pro částice 1 - 300 μm

• Sítová analýza Vhodné pro částice větší než 5 μm

• Obrazová analýza mikroskopických snímků  Světelná: 0,5 – 250 μm  Elektronová: 0,05 – 100 μm

• Laserová difrakce  Vhodné pro částice v rozmezí 0,001 - 2000 μm

• Dynamický rozptyl světla  Vhodné pro částice v rozmezí 0,005 – 1 μm

Obrazová analýza mikroskopických snímků Obrazová analýza (př. SW NIS Elements 4.13) Zjednodušený princip:

Pořízení snímku pro hodnocení

Vymezení částic na snímku

Odečtení délek a aproximace na objemy ekvivalentních koulí

Snímek ze světelného mikroskopu

Zkonstruování distribuce velikosti částic

Snímek z elektronového mikroskopu

Obrazová analýza mikroskopických snímků Pomocí programu obrazové analýzy

Obrazová analýza mikroskopických snímků

„Nutný velký počet označených částic.“

Pomocí programu obrazové analýzy Početní DVČ:

Objemová DVČ:

Počet výskytu částic dané hodnoty: př. maximálního průmětu

Rozdělení celkového objemu všech částic do tříd dle jejich maximálního průmětu:

Aproximace na objem ekv. koule

45% 40% 35% Volume

30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Size (um)

60-65 μm :3 částice = 39 % objemu !!!

Obrazová analýza mikroskopických snímků Početní x objemová procenta

𝑉=

4 V = 1 000 000 ∙ π ∙ 𝟐, 𝟓3 = 65449846 µm3 3

Objemově:

1 000 000 částic (d=5µm)

4 𝜋 ∙ 𝑟3 3

4 V = 1 ∙ π ∙ 𝟐𝟓𝟎3 = 65449846 µm3 3

=

1 částice (d=250µm)

Laserová difrakce Princip: Ohyb a rozptyl monochromatického záření na částicích proudících v cele, tvorba difrakčních obrazců na detektoru, Fourierova transformace zaznamenaných dat a tvorba výsledku. 6

1 1

3

1. 2. 3. 4.

2 6

4

Rozptyl světla na velké a malé částici:

5

5. 6.

Zdroj záření – paprsek monochromatického světla Čočky – soustřeďují paprsky na detektory Prostorový filtr – zkvalitňuje paprsek světla Cela se vzorkem – kyveta naplněná proudícím vzorkem ve vhodné kapalině nebo plynu Detektor – vytváří se zde difrakční obrazec Soustava pomocných detektorů

Rozptyl světla na různých tvarech částic:

Moderní přístupy k farmaceutické analýze. 3, Analýza chirálních léčiv. Jiří Dohnal ... *et al.]. Vyd. 1. Brno : Veterinární a farmaceutická univerzita, 2009.

Laserová difrakce Přístroj Malvern MasterSizer 2000 Cela

Počítačový systém Vzorek rozptylující příslušenství

Na suché cestě

Rozptyl vzorku stlačeným vzduchem

Tělo přístroje

Na mokré cestě

Rozptyl vzorku kapalným médiem

Laserová difrakce - příklad Vývoj metody

Mokrá cesta

Suchá cesta

Pevné parametry • Kapalné médium • Zvolení smáčedla • Index lomu kapalného média • Index lomu API Hledané parametry • Rychlost míchání • Intenzita sonifikace • Doba sonifikace Opakovatelnost

Pevné parametry • Index lomu API

Hledané parametry • Vibrace podavače • Tlak vzduchu Opakovatelnost

Ukázkové měření distribuce velikosti částic pomocí laserové difrakce

Porovnání metod: Metoda

rozsahy

Množství vzorku

čas Pozn.

Laserová difrakce

0,001 - 2000 μm

Stovky mg až g

+

Nutný vývoj metody.

Obrazová analýza

0,05 – 1000 μm

několik mg

-

Není třeba vyvíjet metodu.

Výsledky analýz laserovou difrakcí a obrazovou analýzou: 18% 16% 14%

V (%)

12% 10%

8% 6% 4% 2% 0% 20

40

60

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Size (microns)

spojitá distribuční křivka

histogram DVČ

Mikrostruktura PLF

Vznik mikrostruktury API

excipienty

Co je to mikrostruktura pevných lékových forem a co jí ovlivňuje? Je soubor parametrů charakterizujících: 1. Prostorové uspořádání účinné látky a pomocných látek v lékové formě 2. Přítomnost a morfologii pórů 3. Homogenitu tloušťky povrchového filmu 4. Velikost a tvar částic Mikrostrukturu ovlivňuje: • složení a vlastnosti výchozích surovin • velikost a tvar částic • způsob výroby lékové formy

1.Prostorové uspořádání účinné látky a pomocných látek v lékové formě Určující krok: • Homogenizace tabletovací směsi (míchání) IČ mapování řezu tabletou

+

homogenizace

tabletování

analýza

Šimek M., Grünwaldová V., Kratochvíl B. A new way of solid dosage form samples preparation for SEM and FTIR using microtome, Pharm. Dev. Technol. 2013, Early Online: 1–6

• Homogenizaci a její účinnost ovlivňuje: – Rozdíl ve velikosti a tvaru částic složek – Rozdílné hustoty složek – Použitý typ homogenizátoru a doba homogenizace

Zámostný P. Mísení a segregace sypkých hmot. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob, studijní materiály, VŠCHT Praha 2012

• Řešení komplikovaných situací: – Úprava velikosti částic, granulace, částečná kompaktace,…

FTIR/Raman imaging (mapping) Spojením mikroskopu a příslušné spektrální techniky jsou postupně proměřovány jednotlivá pole. „Barevné rozlišení domén se stejným záznamem/charakteristickým píkem.“ Excipient 1

Potahová vrstva

Excipient 2

Excipient 3

API

Henson J.M. and Zhang L. Drug Characterization in Low Dosage Pharmaceutical Tablets Using Microscopic Mapping 2006, (60) 11, 1247-1255

FTIR mapping - peleta Cukerná část

API

Potah

Parafinová matrice

FTIR mapping + UV-viditelná spektroskopie Př. Sledování dezintegrace a disoluce tablety „in situ“. FTIR mapping → distribuce → úbytek velikosti tablety UV spektroskopie → disoluční profil Golden GateTM průtočná jednotka s diamatovým ATR krystalem Tableta s průměrem 3mm, lisovaná při 300MPa – nízká míra porozity a vytvoření spojité struktury použitého excipientu.

Kimber J. A. Microstructure-based mathematical modelling and spectroscopic imaging of tablet dissolution Chemical Engineering Volume 35, Issue 7 2011 1328 - 1339

2. Přítomnost a morfologie pórů Porozita Charakteristika materiálu, poměr mezi objemem pórů (prázdných míst) a celkovým objemem vzorku. Nabývá hodnot 0 – 1, resp. 0 – 100 %. Čím je tato hodnota větší, tím více porézní je daný materiál.

Klasifikace velikosti pórů: • • •

Mikropóry Mezopóry Makropóry

< 2nm 2-50 nm > 50 nm

Porozita lékové formy ovlivňuje vstup kapaliny do její struktury!

Složené snímky z počítačové tomografie. Disect Systems Ltd., Innovation Martlesham Martlesham Health United Kingdom

Nutné rozlišovat: Porozita lékové formy

Porozita vstupních surovin

Ovlivňuje pevnost a vstup kapaliny do tablety

Ovlivňuje velikost specifického povrchu API

rychlost dezintegrace tablety

rychlost rozpouštění API

• Porozitu pevné lékové formy ovlivňuje: – Lisovací tlak – Rychlost tabletování – Velikost částic – Tvar částic – Typ tabletovací směsi – prášek/granulát

Vliv lisovacího tlaku a typu tabletovací směsi na porozitu Lisovací tlak

Porozita (%)

Specifický povrch (m2/g)

Síla tablety (N) průměr

SD

průměr

SD

Tableta z prášku 72 MPa

33

62

9

1,33

0,03

122 MPa

24

102

16

1,16

0,01

196 MPa

18

119

9

0,95

0,05

72 MPa

27

10

2

0,80

0,01

122 MPa

20

19

4

0,69

0,01

196 MPa

15

51

6

0,62

0,00

Tableta z granulátu

Obecně: Větší lisovací tlak = menší porozita, tvrdší tableta a menší specifický povrch Westermarck S., Juppo A.M., Kervinen L., Yliruusi J. Microcrystalline cellulose and its microstructure in pharmaceutical processing. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 48 (1999) 199-206

Vliv velikosti částic a lisovacího tlaku na porozitu

Obecně: Menší částice a nižší lisovací tlak = větší porozita. Větší lisovací tlak = menší vliv velikosti částic na porozitu. Sun Ch. Effects of initial particle size on the tableting properties of L-lysine monohydrochlorid dihydrate powder. International Journal of Pharmaceutics 215 (2001) 221-228

Vliv velikosti částic a lisovacího tlaku na pevnost tablet

Obecně: Menší částice a vyšší lisovací tlak = vyšší pevnost tablet.

Sun Ch. Effects of initial particle size on the tableting properties of L-lysine monohydrochlorid dihydrate powder. International Journal of Pharmaceutics 215 (2001) 221-228

Porozimetrie Nejznámější metody měření porozity Fyzikální adsorpce inertních plynů (př. dusík, argon, krypton)

Vysokotlaká rtuťová porozimetrie

„Měření izotermických křivek vratného děje zaplnění a vyprázdnění pórů“ Tvar křivek => Tvar pórů Průběh křivek => Četnost pórů dané velikosti

Rtuťová porozimetrie • metoda využívající kapilární depresi ke stanovení velikosti a objemu pórů v materiálech nesmáčených rtutí (téměř všechny mimo některých kovů)

Kapilární elevace Smáčení povrchu kapalinou

r ... poloměr pórů γ ... povrchové napětí rtuti Θ ... úhel smáčení rtuti na materiálu p ... tlak

Kapilární deprese Nesmáčení povrchu kapalinou

Pokud uvažujeme γ a Θ za nezávislé na tlaku, pak: P

……….

r

Běžné přístroje měří až do tlaku 100 MPa, to odpovídá poloměru pórů do 3,8 nm http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-001/hesla/rtutova_porozimetrie.html

Rtuťová porozimetrie

+ tvar!

Šolcová O. Porous Materials – Determination of textural properties. Institute of Chemical Proces Fundamentals ASCR, Czech Republic

Sorpce inertních plynů na povrchu pevných látek • Čistě fyzikální adsorpce netečných plynů (dusík, krypton,…) --> žádná změna složení adsorbovaných molekul při desorpci

Pechoušek J. Měření plochy povrchu pevných látek a určování jejich porozity metodou sorpce plynu. Učební text. Univerzita Palackého v Olomouci. 2010

Sorpce inertních plynů na povrchu pevných látek Sorpce dusíku – kapilární kondenzace

Pinkas J., Moravec Z. Stanovení měrného povrchu metodou BET. Přírodovědecká fakulta, MU Brno http://www.sci.muni.cz/chemsekce/c8870/pdf/Uloha7_BET.pdf

Sorpce inertních plynů na povrchu pevných látek vznik hysterezní křivky

Tvar izotermy závisí na charakteru pórů !!

Sorpce inertních plynů na povrchu pevných látek kapilární kondenzace

3. Homogenita tloušťky povrchového filmu Vznik povrchového filmu na tabletě/peletě:

Process & Plant Engineering. Glatt Ingenieurtechnik GmbH, Weimar, Germany.

•

Vlastnosti povrchového filmu určuje: - Použitá filmotvorná látka - Rychlost nástřiku - Způsob nástřiku – jednou x více vrstev - Průtok sušícího vzduchu

•

Sledované parametry: - Porozita vrstvy - Homogenita tloušťky vrstvy Continuous / Batch Coating Systems. O'Hara Technologies Inc. Richmond Hill, Ontario

Analýza struktury povrchové vrstvy: Skenovací elektronová mikroskopie

Povrh potahované tablety originálního přípravku:

Analýza struktury povrchové vrstvy: Skenovací elektronová mikroskopie

Povrh pelety:

Analýza struktury povrchové vrstvy: Skenovací elektronová mikroskopie

Rozdílné způsoby nástřiku filmu:

jedna dlouhá doba nástřiku, pomalé sušení

několik krátkých nástřiků, rychlé sušení

Analýza tloušťky povrchové vrstvy: Skenovací elektronová mikroskopie + obrazová analýza

min max average stdeva RSD (%)

Value (micron) Layer 161,28 178,34 171,50 5,45 3,18

Šimek M., Grünwaldová V., Kratochvíl B. A new way of solid dosage form samples preparation for SEM and FTIR using microtome, Pharm. Dev. Technol. 2013, Early Online: 1–6

SEM ve farmacii Pozorování povrchů se zvětšením 10 – 1 000 000 x (max. 1nm)

Použití: • Morfologie – Vstupních surovin – Produktů

• Hodnocení velikosti – Distribuce velikosti částic – Tloušťky vrstev lékových forem, adjustačního materiálu atd.

Princip – vznik elektronového svazku Vznik elektronu: Zahřátím nebo působením elektrického pole na katodu. – překonání energetické bariéry bránící elektronům v úniku

Rychlost elektronu: Primární elektrony jsou urychleny napětím (do 25 kV) mezi katodou a anodou . Vakuum:

Zabránění srážkám s molekulami vzduchu

Princip – vznik elektronového svazku Soustava elektromagnetických čoček: Má za úkol co nejvíce zmenšit průměr svazku elektronů, které dopadají na povrch preparátu. Stigmátor: Koriguje astigmatismus elektromagnetických čoček.

Skenovací cívky: Vychylují primární svazek – rastruje po preparátu Detektor: Dopadem elektronů na scintilátor se uvolní záblesk světla

Princip interakce el. svazku se vzorkem Elastické kolize: •bez ztráty energie, velká změna směru,interakce s jádry BSE – zpětně odražené elektrony

Neelastické kolize: •ztráta energie, malá změna směru, interakce s elektrony SE – sekundární elektrony

Další využitelné druhy záření: RTG záření EDS / WDS techniky Augerovy elektrony Katodoluminiscence

Příprava preparátů (pevné lékové formy) •

Příprava vzorku k pozorování 1. Skalpelem a pinzetou 2. Půličem tablet

3. Mikrotomem

Příprava preparátů (pevné lékové formy) •

Nalepení na terčík (hliníkový nebo uhlíkový) uhlíková

oboustranná lepící páska

•

Pokovení (zlato, palladium, uhlík, platina) Odstranění rušivého jevu nabíjení preparátu dopadajícími záporně nabitými primárními elektrony Naprašovačka

Účinkem elektrického napětí vzniká usměrněný výboj, který ionizuje plyn. Vzniklé ionty jsou přitahovány ke katodě a cestou vyrážejí částice kovu, který katodu obklopuje, takže vznikne prostorový mrak, který dokonale obalí povrch preparátu.

Mikrostruktura pevných lékových forem výrazně ovlivňuje dezintegraci a disoluci lékové formy!!! Složení → Kinetika dezintegrace tablety (penetrace tekutiny Poréznost do struktury) Homogenita → Kinetika rozpouštění dezintegrované tablety Obalová vrstva Velikost částic

Příklady ovlivnění rozpouštěcí rychlosti API změnou mikrostruktury tablety: Zvýšení dezintegrační a disoluční rychlosti Způsob

Nástroj

Možný vedlejší efekt

↑ poréznosti tablety

↓ lisovací tlaky

↓ pevnost tablety

↓ velikost částic

úprava vých. surovin

↓ homogenita tabletoviny

↓ tloušťka potahu

↓ doba nástřiku

↓ doba účinnosti vrstvy

↑ obsah rozvolňovadel

úprava vých. suroviny

↑↑↑ rozp. rychlost

Kinetika penetrace tekutiny, disoluce dezintegrace

disoluce

Kinetika penetrace tekutiny do struktury tablety (pórů) a dezintegrace

Kinetika rozpouštění částic dezintegrované tablety

→ ovlivňuje ji četnost a velikost pórů tablety

→ ovlivňuje ji DVČ a jejich porozita

Míra penetrace kapaliny do porézní struktury je závislá na rovnováze mezi kapilárními silami a viskozitou kapaliny a popisuje ji následující vztah: L…penetrovaná vzdálenost v čase t m…poloměr póru γ…povrchové napětí kapaliny Θ…smáčivý úhel kapalné a pevné f. η…viskozita kapaliny k0…konstanta vztažená ke tvaru póru

Povrch částic a povrch pórů uvnitř jejich struktury společně tvoří difúzní plochu. Rychlost disoluce vychází ze vztahu: Difúze - 1.Fickův zákon dM/dt …míra přestupu hmoty D …difúzní koeficient S …difúzní plocha dC/dx …koncentrační gradient

Mnohem komplexnější děj díky rozvolňujícím látkám, které napomáhají vstupu kapaliny do struktury.

Menší částice = větší celková aktivní/difúzní plocha -> větší rozpouštěcí rychlost

Lerk C.F., Bolhuis G.K., Boer A.H. Effect of Microcrystalline Cellulose on Liquid Penetration in and Disintegration of Directly Compressed Tablets. Journal of Pharmaceutical Sciences. Vol. 68, No. 2, 1979

Byrn S.R., Pfeiffer R.R., Stowell J.G. Solid State Chemistry of Drugs. Second Edition. SSCI, Inc. West Lafayette Indiana 1999

Příklad vlivu rozvolňujících látek

BASF The chemical company, Accelerators. 2013, Ludwigshafen, Germany

Příklady speciální tvorby vnitřní struktury lékové formy • Lisováním pelet do tablet místo homogenní tabletovací směsi

Umožňuje: • Kombinovat pelety s různými obalovými vrstvami. Změna chování lékové formy – disolučních profilů Chránit API před nízkým pH žaludku.

Příklady speciální tvorby vnitřní struktury lékové formy • Lisováním dutých struktur Nízká pevnost tablet, vysoká porozita → rychlá dezintegrace

Příklady speciální tvorby vnitřní struktury lékové formy • Tuhé disperze pevné látky: hydrofilní nosič + hydrofóbní API (PEG,PVP,HPMC,…)

Krystalická tuhá disperze

Amorfní tuhá disperze

Příklady tvorby tuhé disperze: • Tavení: -API + polymer → roztavení → prudké ochlazení → mletí a sítování → úprava do tablet

• Extruze taveniny: -API + polymer → hom., tavení, extruze → chlazení → prášek/pelety/… → úprava do tablet

Ghaste R. Solid Dispersions: An overview. Latest reviews. 2009 Vol.7 Issue 5

Rozdíly ve struktuře tablety připravené: Přímým lisováním

Lisováním tuhé disperze

Rozdíly ve struktuře tablety připravené: Lisováním tuhé disperze

Přímým lisováním 80

!!!

70

konc.

60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

min přímé lisování

lisování tuhé disperze

MCC API

Povidon

Exc

MCC HPC + API Exc

Redukce „velikosti částic“ API • API je s polymerem molekulárně zamíchána

Po rozpuštění polymerního nosiče jsou uvolněny molekulární útvary API, nikoli pevné částice. Problémy bránící širšímu použití: • Vysoké náklady a dlouhá doba vývoje. • Špatná reprodukovatelnost výroby lékových forem. • Stabilita API a polymeru. Dhirendra K. et al. – Solid dispersions: A review. Pak. J. Pharm. Sci. 22, 234 (2009)

Nanovlákna

Porovnání: Lidský vlas, pylové zrno, nanovlákna

• Výroba: Z roztavených polymerů nebo roztoků polymerů. Elmarco. Nanofiber drug delivery systems – Application Note http://www.elmarco.com/upload/soubory/dokumenty/154-1-applicnote-dds-130913-a4-300dpi.pdf

Nanovlákna Electrospinning: Do kapky proudí vysoké napětí. Elektrostatické odpudivé síly působí proti povrchovému napětí a kapka se natáhne. Při určité tenkosti dochází vlivem odpudivých sil k rozpohybování. Vlákno se suší v letu a dopadá na uzemněný sběrač.

Petrik S. a Maly M. Production Nozzle-Less Electrospinning Nanofiber Technology

Vlastnosti netkaných nanovláken: • Velký specifický měrný povrch • Vysoká porozita a objem pórů • Možnost aditivovat nanovlákenný materiál

Nanovlákna

Elmarco. Nanofiber drug delivery systems – Application Note http://www.elmarco.com/upload/soubory/dokumenty/154-1-applicnote-dds-130913-a4-300dpi.pdf

Nanovlákna API je nanesena na povrch nanovláken. Maximální nanesené množství závisí více jak z 50% na konkrétní API. Umožňují: • Dramaticky zvýšit rozpouštěcí rychlost špatně rozpustných léčiv. • Vlákna je možné formulovat do celé řady PLF. • Formulovat několik nekompatibilní API do jedné lékové formy.

50-500 nm tloušťka 10mg API ve formě nanovláken 10mg mikronizované API v peletách 10mg samotné API

Elmarco. Nanofiber drug delivery systems – Application Note http://www.elmarco.com/upload/soubory/dokumenty/154-1-applicnote-dds-130913-a4-300dpi.pdf

RTG Mikrotomografie • Nedestruktivní transmisní technika s absorbcí. • Rozlišení komponent na bázi rozdílných hustot zrn. – Čím větší hustota, tím světlejší bílá. – Póry černé – velice selektivní. – Je možné si nechat zobrazit jen některé látky. (př. API + Exc) – Je dobře když má API těžké prvky – výrazný rozdíl hustoty.

• Je možné sledovat probíhající proces, ne jen statické předměty. – Sledování mikrodifúze obalové vrstvy. – Sledování krystalových forem od povrchu k jádru.

• Není potřeba připravovat řezy vzorkem ani pokovovat. – Dobré podmínky pro simulaci požadovaného prostředí.

Schéma

2D snímky

SYRMEP Beamline User guide http://w3.ts.infn.it/experiments/syrma/SYRMEP/Home_syrmep.html

3D rekonstrukce

2D snímek – „řez“ tabletou

3D rekonstrukce

Matematické modelování chování tablet • Obecně: Snaha predikovat vliv mikrostruktury na rychlost dezintegrace a disoluce tablet na základě experimentálně zjištěných závislostí. Popsat chování řadou teoretických a experimentálních rovnic. Za proměnné veličiny dosadit známé parametry vstupních surovin a výrobních postupů (rozpouštěcí rychlost, hustoty, velikost a tvar částic, ...)

Využití mapovacích technik pro získání experimentálních údajů o distribuci komponent v PLF. Sledování desintegrace a disoluce „in situ“.

Kazarian, S. G., Chan, K. L. A. "Chemical photography" of drug release , MACROMOLECULES (2003) Vol: 36 , Pages: 9866 - 9872 , ISSN: 0024-9297 https://www3.imperial.ac.uk/vibrationalspectroscopyandchemicalimaging/research/pharmaceutical/drugmodelling (available 2.12.2013) Štěpánek F. Effect of microstructure and pure component properties on the dissolution rate of a binary composite material Comp. Mat. Sci. 44 (2008) 145–151

Závěr • Významná část léčivých látek(API) dnešní doby je špatně až velmi špatně rozpustná. • Úpravou velikosti a tvaru částic lze zlepšit zpracování a chování prášků. • Řízenou krystalizací lze připravit určitou velikost a tvar částic při zachování stejné polymorfní formy. • Mikrostruktura pevných lékových forem ovlivňuje jejich dezintegraci a rozpouštěcí rychlost API. • Moderní technologie umožňují vytvářet zcela nové typy mikrostruktur, které rapidně zvyšují rozpouštěcí rychlost.