Streszczenie Metody termoanalityczne znajdują coraz szersze zastosowanie w badaniach nad lekiem. Są niezastąpione jako cenne źródło informacji o temperaturach przemian fazowych, temperaturach rozkładu i produktach rozkładu, a ponadto umożliwiają pomiar ilości ciepła biorącego udział w tych przemianach. W związku z tym, celem pracy są badania nad rozkładem termicznym wybranych substancji pomocniczych stosowanych szeroko w technologii stałych postaci leku. Badaniom poddano substancje, które znajdują zastosowanie głównie jako czynniki wiążące (glukoza, sorbitol, sacharoza, guma arabska), rozsadzające (celuloza mikrokrystaliczna) i wypełniające (sacharoza, glukoza, glikokol). W efekcie badań przeprowadzonych za pomocą metod analizy termicznej (DSC, DTA, TG) oraz termomikroskopii stwierdzono, że rozkład termiczny badanych substancji można przedstawić za pomocą schematu obejmującego trzy etapy rozkładu. Najważniejsze procesy charakteryzujące badane substancje (dehydratacja, przemiany krystaliczne, topnienie), przebiegające w etapie pierwszym rozkładu, mogą być wykorzystane do identyfikacji i oceny ich jakości. Określone na podstawie krzywych termoanalitycznych przemiany zachodzące w badanych substancjach w różnych temperaturach umożliwiają wyznaczenie granicznych wartości temperatur, poniżej których badane substancje można poddać obróbce technologicznej bez groźby wystąpienia niekorzystnych zmian ich właściwości fizykochemicznych. Uzyskane wyniki mogą być również pomocne w badaniu trwałości substancji pomocniczych i w wykrywaniu niezgodności z innymi substancjami w fazie preformulacji. Słowa kluczowe: substancje pomocnicze, rozkład termiczny, metody termoanalityczne, DSC, DTA, TG Abstract Thermoanalytical methods are applied widely nowadays in the drug investigations. They are indispensable as a valuable source of the information on temperatures of phase transitions, temperatures and products of decomposition, as well as enables the measurement of heat amount taking part in these transitions. Due to this, the aim of the work is investigation of thermal degradation of selected excipients used widely in the technology of solid drug forms. The studies were conducted on the substances, which are mainly used as binders (glucose, sorbitol, saccharose, arabic gum), disintegrators (microcrystalline cellulose) and fillers (saccharose, glucose, glycocoll). As an effect of the studies performed by the use of thermoanalytical methods (DSC, DTA, TG) and thermomicroscopy it was found that the thermal decomposition of the analyzed substances can be illustrated by the scheme comprising of three stages of the degradation. The most important processes characterizing the studied substances (dehydratation, crystalline transitions, melting) occurring in the first stage of decomposition, can be used for their identification and evaluation of their quality. Determined based on thermoanalytical curves transitions occurring in the analyzed substances at different temperatures, enables the determination of temperature limits, below which the studied substances can be technologically processed without the threat of changing their physicochemical properties. The obtained results can be also helpful in the investigation of stability of excipients and for the detection of incompatibility with other substances in preformulation phase. Key words: excipients, thermal decomposition, thermoanalytical methods, DSC, DTA, TG Wprowadzenie W Farmakopei Polskiej VII zamieszczono nową monografię, będącą tłumaczeniem monografii z Farmakopei Europejskiej 5, która wprowadza oficjalnie w Polsce do badań nad lekiem metody analizy termicznej [1, 2]. Pod pojęciem analizy termicznej kryje się zespół technik instrumentalnych, których zasada działania polega na pomiarze zmian wybranych właściwości fizycznych substancji w funkcji czasu lub temperatury, w warunkach kontrolowanego programu temperatury [3]. Pomiary termoanalityczne obejmują rejestrację zmian niektórych właściwości fizycznych substancji, prowadząc do określonej metody analizy termicznej, np.: pomiar różnicy temperatur różnicowa analiza termiczna (ang. Differential
Thermal Analysis, DTA), entalpii różnicowa kalorymetria skaningowa (ang. Differential Scanning Calorimetry, DSC), masy termograwimetria (ang. Thermogravimetry, TG) i jej różniczkowa pochodna (ang. Differential Thermogravimetry DTG). Techniki analizy termicznej znajdują coraz szersze zastosowanie w badaniu złożonych procesów zachodzących w fazie formowania oraz składowania produktów leczniczych [4, 5]. Najważniejsze z tych procesów to zachodzące z udziałem substancji wykorzystywanych w technologii stałych postaci leków przemiany fazowe, takie jak topnienie, krystalizacja, polimorfizm oraz procesy rozkładu związane z trwałością substancji przechowywanych w różnych warunkach doświadczenia i w zawierających je postaciach leku (drażetki, tabletki, granulaty, proszki). Ważnym obszarem zastosowań metod termoanalitycznych w farmacji może być także jakościowa i ilościowa kontrola składu preparatów farmaceutycznych. Istotnym zagadnieniem w technologii stałych postaci leku jest ponadto wykrywanie potencjalnych niezgodności między składnikami leków, tj. określenie wzajemnej tolerancji pomiędzy substancjami leczniczymi i pomocniczymi używanymi w fazie preformulacji [6]. Niezgodności chemiczne mogą być wynikiem hydrolizy, utleniania, redukcji czy racemizacji. Natomiast niezgodności fizyczne i fizykochemiczne obejmują takie zjawiska, jak np. absorpcja, adsorpcja, adhezja, dysocjacja, kompleksowanie, wytrącanie, wilgotnienie, rozpuszczanie, solubilizacja, solwatacja, rozdzielanie, pęcznienie [7-9]. Biorąc powyższe pod uwagę, podjęto badania nad rozkładem termicznym wybranych substancji pomocniczych stosowanych w technologii stałych postaci leku. O wyborze substancji do badań zdecydował fakt, że należą one do grupy substratów najczęściej wykorzystywanych w praktyce farmaceutycznej. Poznanie charakterystyki termicznej substancji pomocniczych ułatwia prowadzenie badań związanych z oceną trwałości tych substancji, która wpływa na trwałość otrzymywanych z ich udziałem produktów leczniczych, a także ułatwia identyfikację niezgodności z innymi substancjami w fazie preformulacji. Materiały i metody W pracy wykorzystano następujące substancje pomocnicze: glikokol (POCh, Gliwice, cz.d.a.), glukoza bezwodna (POCh, Gliwice, cz.), sorbitol (POCh, Gliwice, cz.), sacharoza (POCh, Gliwice, cz.d.a.), celuloza mikrokrystaliczna Avicel PH101 (FMC Corp. Europe N.V.), guma arabska (POCh, Gliwice, cz.). Krzywe DTA, TG i DTG rozkładu termicznego badanych substancji rejestrowano za pomocą derywatografu OD-103 (MOM, Węgry). Umieszczone w zestawie czterech tygli talerzowych o średnicy 18,5 mm 200-mg odważki rozkładanych związków ogrzewano z szybkością wzrostu temperatury 5 ºC/ min w zakresie temperatur 20-700 ºC, w statycznej atmosferze powietrza, stosując α-al 2 O 3 jako substancję odniesienia. Pomiary kalorymetryczne wykonano przy użyciu aparatu DSC 822 e, typ heat flux, wyposażonego w naczynie Dewara z ciekłym azotem (Mettler Toledo, Szwajcaria). Próbki o masie ok. 4 mg, umieszczone w szczelnie zamkniętym pokrywką z dwoma otworkami tygielku aluminiowym o poj. 40 μl, ogrzewano z szybkością wzrostu temperatury 10 ºC/min w zakresie temperatur 20-300 ºC, w atmosferze azotu przepływającego z szybkością 70 ml/min. Próbkę referencyjną stanowił szczelnie zamknięty pokrywką pusty tygielek o poj. 40 μl. Do wyznaczenia temperatur przemian fazowych i obserwacji zachowania się badanych substancji podczas ogrzewania zastosowano mikroskop Olympus BX41 (Olympus, Japonia), wyposażony w stolik grzewczy Semic (Bioelektronika, Kraków). Badane próbki ogrzewano z szybkością wzrostu temperatury 5 C/min w zakresie temperatur 20-350 ºC. Wyniki i dyskusja Wyniki badań rozkładu termicznego wybranych substancji pomocniczych (glikokolu, glukozy, sorbitolu, sacharozy, celulozy mikrokrystalicznej, gumy arabskiej), zestawiono w tabelach I-III oraz przedstawiono graficznie na rycinach 1-3. Analiza danych zamieszczonych w tabeli I wskazuje, że badane substancje to związki organiczne różniące się znacznie budową chemiczną i masą cząsteczkową. Glikokol jest najprostszym aminokwasem (glicyna, kwas aminooctowy), sorbitol alkoholem heksahydroksylowym z grupy cukroli, natomiast pozostałe substancje pomocnicze są cukrami prostymi (glukoza), disacharydami (sacharoza) lub polisacharydami (celuloza mikrokrystaliczna), i w pewnym stopniu guma arabska, stanowiąca stężałą wydzielinę z pni i gałęzi drzew afrykańskich z rodzaju Acacia, której głównym składnikiem jest rozgałęziony polisacharyd arabina. Na podstawie danych literaturowych można stwierdzić, że badane substancje nie są odporne na działanie wyższych temperatur [9-12]. Glukoza, sorbitol i sacharoza topią się w przedziale temperatur 100-200 C, po przekroczeniu temperatury 200 C topi się glikokol z równoczesnym rozkładem, natomiast w jeszcze wyższej temperaturze rozkładowi ulega celuloza. W dostępnym piśmiennictwie nie znaleziono danych na temat zachowania się w wyższych temperaturach gumy arabskiej. Powyższe dane zweryfikowano śledząc za pomocą termomikroskopu zachowanie się badanych substancji pod wpływem temperatury. Z zestawionych w tabeli I danych wynika, że wyznaczone wartości temperatur są w niektórych przypadkach rozbieżne z danymi z literatury. Przykładem jest glikokol, którego topnienie z rozkładem następuje w temperaturze niższej, niż cytowana w Poradniku fizykochemicznym [11]. Podobnie zachowuje się celuloza mikrokrystaliczna, która zaczyna także rozkładać się w temperaturze niższej, niż podana w literaturze [12]. Z kolei glukoza topi się w temperaturze o około 10 C wyższej. Nie wykryto natomiast przemian krystalicznych, które podano w piśmiennictwie dla sacharozy [11, 12]. Wyniki analizy krzywych DTA, TG i DTG rozkładu termicznego glikokolu, glukozy, sorbitolu, sacharozy, celulozy mikrokrystalicznej i gumy arabskiej zestawiono w tabeli II. Dokładna analiza zakresów temperatur poszczególnych procesów termicznych oraz wartości towarzyszących im ubytków masy prowadzi do wniosku, że można uogólnić przebieg rozkładu termicznego wszystkich badanych substancji, wyróżniając trzy zasadnicze etapy. Etap I rozkładu obejmuje zakres temperatur, w którym w analizowanej substancji zachodzi dehydratacja, przemiana
Ryc. 1. Krzywe DTA, TG i DTG rozkładu termicznego analizowanych substancji pomocniczych: (a) glikokol, (b) glukoza, (c) sorbitol. Ryc. 2. Krzywe DTA, TG i DTG rozkładu termicznego analizowanych substancji pomocniczych: (a) sacharoza, (b) celuloza mikrokrystaliczna, (c) guma arabska. krystaliczna lub topnienie. Brak ubytku masy na krzywych TG i DTG potwierdza obecność topnienia lub przemiany krystalicznej, natomiast procesowi dehydratacji towarzyszy kilkuprocentowy ubytek masy na krzywej TG i pik endotermiczny na krzywej DTA. Z topnieniem substancji związane są wysokie, wąskie i ostro zakończone piki DTA. W niektórych przypadkach topnienie połączone jest z gwałtownym ubytkiem masy, tj. towarzyszy mu rozkład termiczny rozpoczynający kolejny etap. W wyniku dalszego ogrzewania badanej substancji, w etapie II rozkładu następuje jej termiczna degradacja. W przypadku węglowodanów (glukoza, sacharoza), proces rozkładu określa się mianem karmelizacji.obejmuje ona następujące po sobie reakcje dehydratacji, kondensacji i polimeryzacji z utworzeniem produktu o brązowym kolorze. Karmelizacja zachodzi bez udziału tlenu i jest procesem endotermicznym. W przypadku pozostałych związków, na krzywej DTA proces rozkładu potwierdza zespół nakładających się na siebie pików, zarówno endotermicznych jak i egzotermicznych, natomiast na krzywej TG, od kilkunastu do kilkudziesięciu procent ubytku masy. W etapie tym tworzą się pośrednie
Ryc. 3. Krzywe DSC analizowanych substancji pomocniczych: (a) glikokol, (b) glukoza, (c) sorbitol, (d) sacharoza, (e) celuloza mikrokrystaliczna, (f) guma arabska. Tab. I. Wyniki badań termomikroskopowych analizowanych substancji pomocniczych Substancja pomocnicza Glikokol Glukoza Sorbitol Sacharoza Wzór sumaryczny Masa cząsteczkowa C 2 H 5 NO 2 75,07 C 6 H 12 O 6 180,16 C 6 H 14 O 6 182,17 C 12 H 22 O 11 342,30 Dane literaturowe topnienie z rozkładem, 232-236 [9] topnienie z rozkładem, 262 [11] topnienie, 146; rozkład, > 200 [11] topnienie, 147 [12] topnienie formy metastabilnej, 93 topnienie formy polimorficznej γ, 97,7 [10] topnienie formy amorficznej, 110-112 [10, 12] topnienie z rozkładem, 160-186 karmelizacja, > 160 [10] krystalizacja, 170; topnienie, 184-185 [11] topnienie form: b, 169-170; a, 184-185 [12] Wyniki badań termomikroskopowych topnienie, 240-243 rozkład, > 243 topnienie, 154-157 karmelizacja, 183-188 rozkład, > 250 topnienie, 100-102 parowanie, > 205 topnienie, 184-187 karmelizacja, 189-193 rozkład, > 250 Celuloza mikrokrystaliczna (C 6 H 10 O 5 ) n rozkład, 260-270 [12] rozkład, > 247 Guma arabska brak danych literaturowych rozkład, > 195 produkty rozkładu termicznego, których strukturę chemiczną bardzo trudno jest ustalić z uwagi na wielokierunkowość reakcji destrukcji termicznej badanych substancji. W etapie III produkty karmelizacji i rozkładu ulegają ostatecznej destrukcji termicznej połączonej z całkowitym spalaniem skoksowanej pozostałości. Sumaryczny efekt cieplny tego etapu jest egzotermiczny, co potwierdza rozległy pik na krzywej DTA. Interpretacja krzywych DTA, TG i DTG wykazała, że najbardziej charakterystyczne dla rozkładu termicznego badanych substancji okazały się efekty termiczne występujące w zakresie temperatur niższych, w etapie I rozkładu. Obejmują one zakres temperatury topnienia badanej substancji oraz temperatur niższych niż temperatura topnienia. Obserwowane w tym zakresie charakterystyczne piki mogą być szczególne przydatne podczas oceny właściwości substancji i produktów leczniczych występujących w fazie stałej. Z tego względu do analizy badanych substancji pomocniczych zastosowano technikę DSC. Ponieważ jest to przede wszystkim metoda analizy fazowej, krzywa DSC będzie odzwierciedlać zmiany w układzie faz w badanej próbce w warunkach liniowego wzrostu lub obniżania temperatury.
Tab. II. Wyniki analizy krzywych DTA, TG i DTG rozkładu termicznego badanych substancji Substancja pomocnicza Etapy rozkładu etap I etap II etap III Zakres temperatur piku DTA ; temperatura piku DTA Zakres temperatur etapu TG-DTG ; temperatura piku DTG, ubytek masy [%] Glikokol 20-160; 60 a 40-110; 55, (5,0) 160-270; 200 a 110-320; 200, (65,0) 270-520; 290 a, 420 b, 460 b 320-520; 410, (30,0) Glukoza 20-150; 120 a brak ubytku masy 150-205; 170 a 20-195; 165, (20,0) 205-320; 245 a, 290 b 195-340; 230, (53,0) 320-510; 450 b 340-540; 430, (27,0) Sorbitol 60-180; 80 a 180-430; 265 a, 380 b 80-700; 255, (93,0) > 700; (7,0) Sacharoza Celuloza mikrokrystaliczna Guma arabska 30-130; 90 a brak ubytku masy 20-120; 70 a 20-120; 50, (4,5) 40-160; 60 a 20-125; 60, (11,0) a pik endotermiczny, b pik egzotermiczny 130-160;140 a, 160-200; 170 a 30-320; 170, (67,0) 120-240; 200 a brak ubytku masy 160-330; 260 b, 125-320; 230, (59,0) 200-500; 220 a, 290b, 445 b 320-500; 445, (33,0) 240-360; 270 a, 310 b, 360-470; 420 b 120-490; 265, (95,5) 330-460; 390 b 320-460: 370, (27,0) > 700; (3,0) Tabela III. Wyniki analizy DSC badanych substancji pomocniczych Substancja pomocnicza Masa próbki [mg] Temperatura początku piku Temperatura piku Ciepło przemiany [mj] Ciepło właściwe [J/g] Glikokol 4,33 251,20 254,69-4617,79-1066,46 Glukoza 4,30 157,05 213,85 162,11 219,40-933,41-1136,10-217,07-264,21 Sorbitol 4,26 97,92 99,70-824,94-193,65 Sacharoza 4,18 Celuloza mikrokrystaliczna 4,17 Guma arabska 4,20 188,32 201,69 220,52 27,56 326,51 25,80 268,08 190,87 212,83 227,20 95,95 341,88 128,17 308,74-529,74-29,35-431,56-398,87-721,28-1756,94 625,53-126,73-7,02-103,24-95,65-185,90-374,61 133,37 DSC jest techniką, która może być szczególnie przydatna do wykrywania przemian energetycznych zachodzących podczas ogrzewania lub chłodzenia substancji lub mieszaniny substancji oraz do wyznaczania zmian entalpii, ciepła właściwego i temperatur, przy których te przemiany zachodzą. Krzywe DSC badanych substancji zilustrowano na rycinie 1, natomiast wyniki analizy krzywych zestawiono w tabeli III. Interpretacja tych danych wskazała na ich dużą zgodność z danymi literaturowymi [13-15]. Wnioski Na podstawie analiz wykonanych z użyciem metod analizy termicznej i termomikroskopii stwierdzono, że rozkład termiczny badanych substancji pomocniczych: glikokolu, glukozy, sorbitolu, sacharozy, celulozy mikrokrystalicznej i gumy arabskiej, można przedstawić za pomocą schematu obejmującego trzy etapy rozkładu. Najważniejsze procesy charakteryzujące badane substancje, takie jak dehydratacja, przemiany krystaliczne czy topnienie, przebiegają w etapie pierwszym rozkładu. Odzwierciedlające te procesy charakterystyczne efekty termiczne mogą być wykorzystane do potwierdzenia tożsamości analizowanych substancji oraz do oceny niektórych właściwości fizykochemicznych. Określenie na podstawie krzywych DSC, DTA i TG zachowania się badanych substancji w różnych temperaturach pozwala na wyznaczenie granicznych wartości temperatur, poniżej których analizowane substancje można poddać obróbce technologicznej bez groźby wystąpienia niekorzystnych zmian ich właściwości fizykochemicznych. Uzyskane
wyniki mogą być także przydatne podczas badania trwałości substancji pomocniczych i wykrywania niezgodności z innymi substancjami w fazie preformulacji. Piśmiennictwo 1. Farmakopea Polska VII. Wyd. Polskie Towarzystwo Farmaceutyczne, Warszawa 2006. 2. European Pharmacopoeia 5. Thermal analysis. Publ. Council of Europe, Strasbourg 2005. 3. Gabbott P (ed.). Principles and applications of thermal analysis. Blackwell Publ, Oxford 2008. 4. Craig DQM, Reading M. (eds.). Thermal analysis of pharmaceuticals. CRC Press, Boca Raton 2007. 5. Wesołowski M, Szynkaruk P. Thermal decomposition of methylxanthines. Interpretation of the results by PCA. J Therm Anal Cal 2008; 93: 739-746. 6. Adeyeye MCh, Brittain HG. Prefomulation in solid dosage form development. Informa Healthcare, New York 2008. 7. Krówczyński L, Rybacki E. Interakcje w fazie farmaceutycznej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1986. 8. Jackson K, Young D, Pant S. Drug-excipient interactions and their affect on absorption. Pharm Sci Technol Today 2000; 3: 336-345. 9. Rybacki E, Stożek T. Substancje pomocnicze w technologii postaci leku. Tom 7. Biblioteka Farmaceuty. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1980. 10. Kibbe H. Handbook of pharmaceutical excipients. 3rd ed. Am Pharm Assoc Pharm Press, London 2000. 11. Poradnik fizykochemiczny. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne WNT. Warszawa 1974. 12. Encyklopedia Techniki. Chemia. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne WNT. Warszawa 1993. 13. Wesołowski M, Erecińska J. Relation between chemical structure of amino acids and their thermal decomposition. J Therm Anal Cal 2005: 82; 307-313. 14. Netzsch Thermal Analysis Products and Services. Thermal decomposition of glucose. Netzsch-Geraetebau GmbH 2009. 15. Mothé CG, Rao MA. Thermal behavior of gum arabic in comparison with cashew gum. Thermochim Acta 2000; 357-358: 9-13. data otrzymania pracy: 10.03.2010 r. data akceptacji do druku: 25.03.2010 r. Adres do korespondencji: prof. dr hab. Marek Wesołowski Katedra i Zakład Chemii Analitycznej Gdański Uniwersytet Medyczny Al. Gen. J. Hallera 107, 80-416 Gdańsk tel. +48 58 349 31 20, fax 58 349 31 24