Analiza termiczna w farmacji – badanie polimorfizmu i krystaliczności metodą DSC

Analiza termiczna jest wykorzystywana w przemyśle farmaceutycznym do różnych zastosowań, od badań laboratoryjnych, po kontrolę jakości. Wyroby farmaceutyczne zazwyczaj składają się z wielu, złożonych składników. Związki organiczne stosowane w produktach farmaceutycznych mogą wykazywać polimorfizm krystaliczny. Zjawisko to występuje również w długołańcuchowych związkach węglowodorowych i ma istotny wpływ na właściwości użytkowe oraz skuteczność produktów leczniczych.

 

Pomiar DSC

Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) została dodana jako ogólna metoda badawcza do japońskiej Farmakopei i jest szeroko stosowana do oceny właściwości termofizycznych produktów farmaceutycznych. Polimorfizm kryształów i krystaliczność zależą od zmian temperatury, dlatego DSC jest niezbędne do zrozumienia właściwości termofizycznych produktów farmaceutycznych.

1.1. Badanie karbamazepiny (leku przeciwpadaczkowego) i kwasu ursodeoksycholowego (leku żółciopędnego) w celu określenia różnic w polimorfizmie kryształów i krystaliczności

W pierwszym eksperymencie analizowano karbamazepinę o różnych formach krystalicznych (I i III) oraz jej hydrat.

W drugim eksperymencie analizowano próbki kwasu ursodeoksycholowego poddane różnym warunkom mielenia (bez mielenia, mielenie 5 minut, mielenie 60 minut)

We wszystkich pomiarach próbkę o masie 2 mg ogrzewano z szybkością 10°C/min w atmosferze azotu.

 

Rysunek 1. przedstawia wyniki DSC dla trzech warunków karbamazepiny. Wszystkie próbki wykazały ostry pik endotermiczny w temperaturze około 190°C. Wyniki dla formy III karbamazepiny wskazują, że topnienie następuje w temperaturze około 190°C. Próbka formy I karbamazepiny wykazała pik endotermiczny i egzotermiczny w temperaturze od 170°C do 180°C. Forma I ulega stopieniu, a następnie rekrystalizuje do bardziej stabilnej formy III. Próbka hydratu wykazała pik endotermiczny spowodowany desorpcją wody krystalicznej w temperaturze około 80°C – to prawdopodobnie woda krystaliczna przylegająca do kryształów formy III. Po odwodnieniu kryształy formy III nie wykazywały żadnych pików przed stopieniem.

 

Rysunek 2. przedstawia wyniki DSC dla trzech próbek, które były poddane różnym warunkom mielenia kwasu ursodeoksycholowego. Wszystkie próbki wykazywały ostry pik endotermiczny w temperaturze około 200°C, co wskazuje na topnienie kwasu ursodeoksycholowego. Zmielone próbki wykazywały pik egzotermiczny w temperaturze około 110°C. Proces mielenia prawdopodobnie zniszczył strukturę krystaliczną kwasu ursodeoksycholowego i zmienił ją w formę amorficzną. Im dłużej próbka była mielona, ​​tym większy był pik egzotermiczny. Im dłuższy był czas mielenia, tym większy był prawdopodobnie udział fazy amorficznej.

Wyniki potwierdziły obecność polimorfizmu krystalicznego w karbamazepinie, a także temperaturę przejścia polimorficznego. W przypadku kwasu ursodeoksycholowego wyniki potwierdziły, że czas mielenia ma wpływ na krystaliczność. Wykorzystując pomiary opisane w niniejszym opracowaniu, metodę DSC można wykorzystać do badania warunków przetwarzania i przechowywania produktów farmaceutycznych takich jak karbamazepina.

 

1.2. Badanie próbki dotriakontanu [CH₃(CH₂)₃₀CH₃] o różnej historii termicznej w celu analizy polimorfizmu kryształów.

Badane próbki zawierały dotriakontan dostępny w handlu. Masa próbki wynosiła około 0,1 mg. Próbki ogrzewano w temperaturze od 60°C do 70°C z szybkością nagrzewania 0,5°C/min.

 

Rysunek 3. przedstawia wyniki DSC dla dotriakontanu. Numer 1 oznacza wynik dla próbki niepoddanej obróbce. Numery od 2 do 5 przedstawiają wyniki dla próbek poddanych obróbce. Próbki ogrzewano do całkowitego stopienia, a następnie chłodzono z różną szybkością chłodzenia.

 

Wyniki wskazują, że wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia zwiększa się udział metastabilnych form krystalicznych (przejście A), natomiast udział stabilniejszych form krystalicznych ulega zmniejszeniu (przejście B).

 

Rysunek 5. przedstawia powiększoną wersję pików A i B dla warunków chłodzenia 0,5°C/min. Dane te pokazują, że DSC dokładnie mierzy piki przy masie próbki wynoszącej zaledwie 0,1 mg.

Za pomocą DSC zbadano wpływ historii termicznej na polimorfizm. Różnicowa kalorymetria skaningowa pozwala na dokładne zbadanie zależności między polimorfizmem kryształów a historią termiczną. Dodatkowo umożliwia precyzyjną identyfikację drobnych zmian wywołanych przez różne polimorfizmy kryształów, a także pomiar ciepła.

Podsumowanie

Związki organiczne stanowiące składniki produktów farmaceutycznych mogą występować w różnych formach polimorficznych oraz charakteryzować się odmiennym stopniem krystaliczności, wynikającym m.in. z procesów rafinacji i mielenia. Precyzyjna identyfikacja tych różnic ma kluczowe znaczenie na etapie opracowywania produktów leczniczych, ponieważ zarówno polimorfizm krystaliczny, jak i stopień krystaliczności istotnie wpływają na biodostępność, stabilność oraz skuteczność terapeutyczną preparatów