Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań nad rozkładem termicznym dziesięciu substancji pomocniczych stosowanych w technologii stałych postaci leku (mannitolu, laktozy, skrobi rozpuszczalnej, metylocelulozy, β-cyklodekstryny, megluminy, chitozanu, poliwinylopirolidonu K-30, stearynianu magnezu, talku). Badania wykonano w warunkach nie-izotermicznych, w statycznej atmosferze powietrza, za pomocą derywatografu rejestracja krzywych DTA (różnicowa analiza termiczna), TG (termograwimetria) i DTG (różniczkowa TG) oraz w dynamicznej atmosferze azotu, stosując przyrząd do DSC w systemie heat flux rejestracja krzywych DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa). Analiza termiczna badanych substancji wykazała, że ich rozkład sprowadza się w zasadzie do trzech etapów, na które składają się dehydratacja i (lub) topnienie w etapie pierwszym, destrukcja termiczna badanych związków z utworzeniem pośrednich produktów rozkładu w etapie drugim oraz w wyniku dalszego podwyższania temperatury, ostateczne spalenie skoksowanej pozostałości w etapie trzecim rozkładu. Stwierdzono ponadto, że duży wpływ na proces rozkładu termicznego wywiera budowa chemiczna badanych związków. Dane uzyskane w efekcie przeprowadzonych badań mogą być użyteczne w szybkich testach przesiewowych m.in. podczas wykrywania niezgodności fizykochemicznych pomiędzy potencjalnymi składnikami preparatów farmaceutycznych. Dowodu potwierdzającego fakt wystąpienie interakcji dostarcza porównanie krzywych DSC, DTA i TG substancji leczniczej i pomocniczej oraz ich mieszanin fizycznych. Z tego względu poznanie charakterystyki rozkładu termicznego substancji pomocniczych jest konieczne. Słowa kluczowe: substancje pomocnicze, rozkład termiczny, metody termoanalityczne, DSC, DTA, TG Abstract In the work, the results of studies on thermal decomposition of ten excipients used in technology of solid forms of drugs (mannitol, lactose, soluble starch, methylcellulose, β-cyclodextrine, meglumine, chitosane, polyvinylpirolidone K-30, magnesium stearate, talc) are presented. The investigations were performed in non-isothermic conditions, in static air atmosphere, by the use of derivatograph registration of DTA curves (differential thermal analysis), TG (thermogravimetry) and DTG (differential TG) as well as in dynamic nitrogen atmosphere, using DSC instrument in system of heat flux registration of DSC curves (differential scanning calorimetry). The thermal analysis of the studied substances showed that their thermal decomposition goes generally through three stages, which are as follows dehydration and (or) melting in the first stage, thermal destruction of the investigated substances with creation of intermediate products of decomposition as an effect of temperature increase in the second stage, and as a result of continuing temperature increase, final burning of the charred residue in the third stage of disintegration. Moreover, it was found, that the chemical structure of the studied compounds has high impact on the process of their thermal decomposition. The data obtained during the performed investigations can be useful in quick screening tests for detection of physicochemical discrepancies between potential elements of pharmaceutical preparations. The evidence for the fact of interaction can be obtained by comparison of DSC, DTA and TG curves of a drug substance and excipient, as well as of their physical mixtures. Due to this, the recognition of characteristics of thermal decomposition of excipients is necessary. Key words: excipients, thermal decomposition, thermoanalytical methods, DSC, DTA, TG Wstęp Ważnym elementem w procesie formowania postaci leku jest dobranie właściwych substancji pomocniczych, które wraz z substancjami leczniczymi pozwalają na uzyskanie produktu leczniczego o odpowiednich właściwościach farmakokinetycznych. W tradycyjnym podejściu substancje pomocnicze powinny być obojętne w stosunku do substancji czynnych, w praktyce okazuje się jednak, że niektóre z nich wchodzą w interakcje ze składnikami czynnymi, wpływając
Ubytek masy Temperatura Ubytek masy Temperatura Ubytek masy Temperatura Czas [min] Czas [min] Czas [min] Ryc. 1. Krzywe DTA, TG i DTG rozkładu termicznego wybranych substancji pomocniczych: (a) megluminy, (b) chitozanu, (c) poliwinylopirolidonu K-30, zarejestrowane dla 200-mg odważek badanych substancji ogrzewanych z szybkością wzrostu temperatury 5 ºC/min w statycznej atmosferze powietrza. 50 mw Ryc. 2. Krzywe DSC badanych substancji pomocniczych: (a) mannitolu, (b) laktozy, (c) skrobi rozpuszczalnej, (d) metylocelulozy, (e) β-cyklodekstryny, (f) megluminy, (g) chitozanu, (h) poliwinylopirolidonu K-30, (i) stearynianu magnezu, zarejestrowane dla 4 mg odważek substancji pomocniczych ogrzewanych z szybkością wzrostu temperatury 10 ºC/min w atmosferze azotu. niekorzystnie na ich biodostępność, a tym samym na efekt leczniczy stosowanego preparatu farmaceutycznego [1-6]. Często w produktach leczniczych substancje pomocnicze stanowią większą część masy i (lub) objętości postaci leku w porównaniu do substancji aktywnej, a ponadto bardzo często posiadają w swojej strukturze reaktywne ugrupowania chemiczne, które przyczyniają się do wystąpienia zmian fizycznych i chemicznych w postaci leku [1, 7-9]. Z tego względu, na etapie formulacji produktu leczniczego niezbędne jest określenie charakterystyki fizykochemicznej C
Tab. I. Wyniki badań termomikroskopowych analizowanych substancji pomocniczych Substancja pomocnicza Mannitol Laktoza Skrobia rozpuszczalna Metyloceluloza β-cyklodekstryna Meglumina Chitozan Poliwinylopirolidon K-30 Stearynian magnezu Talk Wzór sumaryczny Masa cząsteczkowa C 6 H 14 O 6 182,17 C 12 H 22 O 11 342,30 Dane literaturowe topnienie, 166-168 [13, 14]; 165-170 [15]; 164-169 [16] temperatura zapłonu < 150 [13] topnienie uwodnionej odmiany α, 201-202 [14] topnienie bezwodnej odmiany α, 223 [13]; 222,8 [14] topnienie bezwodnej odmiany β, 252,3 [13, 14] topnienie bezwodnej laktozy handlowej, 232 [13] Wyniki badań termomikroskopowych topnienie, 167-169 parowanie, 169-176 dehydratacja, 137 przemiana krystaliczna, 144-146 topnienie, 208-211; karmelizacja, 217-240 zwęglanie, > 240 (C 6 H 10 O 5 ) n (162,14) n brak danych literaturowych rozkład, > 220 początek zwęglania, 190-200 (C 8 H 14 O 6 ) n tworzenie skoksowanej pozostałości, 225-230 (206,20) n [13, 14] C 42 H 70 O 35 1135 C 7 H 17 NO 5 195,21 C 12 H 24 N 2 O 9 340,10 topnienie, 255-265 [13, 14] temperatura topnienia podana na opakowaniu, 290-300 topnienie,128-132 [13, 17]; 129-131,5 [14] przemiana szklista, 203 [13] rozkład, > 250 zwęglanie, > 300 dehydratacja, > 80 przemiana fazowa, 158 topnienie, 296-300; rozkład, > 300 topnienie, 127-131 parowanie z rozkładem, > 220 dehydratacja, 110-123 przemiana szklista, 211 rozkład, > 250 (C 6 H 9 NO) n (111,14) n substancja mięknie, >150 [18] rozkład, > 200 topnienie preparatów handlowych, 117-150 [13, 14] Mg (C 18 H 35 O 2 ) 2 topnienie, 139-144 topnienie substancji o wysokiej czystości, 591,34 parowanie, > 160 126-130 temperatura zapłonu, 250 [13] Mg 3 (OH) 2 Si 4 O 10 379,29 temperatura zapłonu, 850 [15] nie ulega przemianom fazowym w zakresie 20-350 wszystkich używanych substancji pomocniczych oraz określenie ich zgodności z substancjami leczniczymi [10]. Biorąc powyższe pod uwagę, podjęto badania nad rozkładem termicznym wybranych substancji pomocniczych stosowanych w technologii stałych postaci leku. Do realizacji tego zadania wykorzystano najczęściej używane metody termoanalityczne różnicową analizę termiczną (ang. Differential Thermal Analysis, DTA), różnicową kalorymetrię skaningową (ang. Differential Scanning Calorimetry, DSC) oraz termograwimetrię (ang. Thermogravimetry, TG) i jej różniczkową pochodną (ang. Differential Thermogravimetry, DTG). Badaniom poddano substancje pomocnicze powszechnie stosowane w technologii stałych postaci leku. Analizowano substancje wypełniające, do których zalicza się m.in. laktozę, skrobię, mannitol i chitozan (chitozan jest również substancją antyadhezyjną) [1, 2, 4, 9, 11-13], substancje hydrofilowe o właściwościach wiążących, które reprezentuje skrobia rozpuszczalna, metyloceluloza, chitozan i poliwinylopirolidon K-30 (używanym też jako substancja powlekająca). Najczęściej stosowanym środkiem rozsadzającym jest skrobia, ponadto stosuje się również w tym celu metylocelulozę, poliwinylopirolidon K-30 i chitozan. Jako substancję utrzymującą wilgoć stosuje się m.in. skrobię. Z kolei działanie poślizgowe wykazuje talk, skrobia i stearynian magnezu, który jest również substancją smarującą i antyadhezyjną [11-13]. Natomiast β-cyklodekstryna i meglumina znalazły zastosowanie jako stabilizatory i solubilizatory [7, 11-13]. Określenie charakterystyki termicznej wyżej wymienionych substancji pomocniczych ułatwi prowadzenie badań związanych z oceną ich trwałości, a ponadto umożliwi identyfikację niezgodności z innymi substancjami na etapie formowania stałej postaci leku. Materiały i metody W pracy wykorzystano następujące substancje pomocnicze: mannitol (POCh, Gliwice), laktozę (BUFA B.V., Holandia), skrobię rozpuszczalną (POCh, Gliwice), metylocelulozę (Shin-Etsu Chemical Co., Tokyo, Japonia),
Tab. II. Wyniki analizy krzywych DTA, TG i DTG rozkładu termicznego badanych substancji Etapy rozkładu Substancja etap I etap II etap III pomocnicza Zakres temperatur piku DTA ; temperatura piku DTA Zakres temperatur etapu TG-DTG ; temperatura piku DTG, ubytek masy [%] 190-320; 260 Mannitol 105-190; 130 a 320-450; 430 b a 150-320; 260, (96,0) 320-480, 370, (4,0) 140-210; 170 a Laktoza 80-140; 110 a 140-200; 180, (10,0) 300-490; 430 b 85-140; 110, (4,5) 210-300; 240 a 320-490; 430, (30,5) 200-320; 230, (54,0) Skrobia rozpuszczalna 35-130; 60 a 30-155; 60, (10,0) 130-205; 190 a 155-230; 200, (23,0) 205-290; 240 a 230-290; 260, (18,0) 165-270; 250 a, 270-310; 280 a 155-285; 260, (78,0) 130-240; 200 a, 240-300; 250 a 185-325; 265, (65,0) Metyloceluloza 35-90; 50 a 30-80; 50, (2,0) β-cyklodekstryna 40-130; 80 a 40-120; 70, (13,0) 160-270; 225 Meglumina 90-160; 105 b a 130-330; 210, (75,0) Chitozan 30-135; 60 a 135-300; 240 b 30-140; 60, (8,0) 140-315; 240, (58,0) 120-315; 305 b 30-120; 60 a 160-310; 275, (25,0) Poliwinylopirolidon 30-100; 50, (6,0) 315-380; 340 b K-30 310-380; 335, (25,0) Stearynian magnezu 40-150; 80 a 40-130; 70, (4,0) a pik endotermiczny, b pik egzotermiczny 150-200; 170 a, 200-290; 220 a 130-260; 205, (17,0) 290-320; 315 a, 320-340, 330 a 260-365; 320, (62,0) 290-510; 450 b 290-510; 445, (49,0) 310-450; 410 b 285-690; 405, (20,0) 300-480; 400 b 325-525; 430, (22,0) 270-510; 420 b 330-510; 420, (25,0) 300-470; 430 b 315-470; 430, (34,0) 380-560; 480 b 380-570; 485, (44,0) 340-430; 390 b 365-680; 395, (10,0) β-cyklodekstrynę (Fluka, purum 99%), megluminę (Fluka, purum 99%), chitozan (Fluka, purum 99%), poliwinylopirolidon K-30 (Fluka, purum), stearynian magnezu (Faci Carsco, Włochy), talk (Koeln, Włochy). 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 tygielku aluminiowym o poj. 40 μl szczelnie zamkniętym pokrywką z dwoma otworkami, ogrzewano z szybkością wzrostu temperatury 10 ºC/min w zakresie temperatur 25-300 ºC, w atmosferze azotu przepływającym z szybkością 70 ml/min. Próbkę referencyjną stanowił pusty tygielek o poj. 40 μl szczelnie zamknięty pokrywką. 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 ºC/min w zakresie temperatur 20-350 ºC. Wyniki i dyskusja Wyniki badań rozkładu termicznego dziesięciu substancji pomocniczych stosowanych w technologii stałych postaci leku mannitolu, laktozy, skrobi rozpuszczalnej, metylocelulozy, β-cyklodekstryny, megluminy, chitozanu, poliwinylopirolidonu K-30, stearynianu magnezu i talku, zestawiono w tabelach I-III oraz przedstawiono graficznie na rycinach 1 i 2. Analiza danych zamieszczonych w tabeli I wskazuje, że z wyjątkiem talku i stearynianu magnezu, wszystkie pozostałe substancje to związki organiczne różniące się znacznie budową chemiczną i masą cząsteczkową. Dla przykładu, β-cyklodekstryna jest cyklicznym, nieredukującym się oligosacharydem, utworzonym z cząsteczek α-d-glukopiranozy połączonych wiązaniem α-1,4-glikozydowym. Meglumina to N-metylo-D-glukozoamina, natomiast chitozan jest polimerem D-glukozoaminy z N-acetylo-β-glukozoaminą, otrzymywanym w procesie częściowej deacetylacji chityny pozyskiwanej z pancerzy krewetek i krabów. Z kolei poli-
Tab. III. Wyniki analizy DSC badanych substancji pomocniczych Substancja pomocnicza Masa próbki [mg] Temperatura początku piku Temperatura piku Ciepło przemiany [mj] Ciepło właściwe [J/g] Mannitol 4,27 165,65 166,54-1254,37-293,76 Laktoza 4,13 143,74 147,41-560,46-135,70 209,86 217,19-1134,35-274,66 Skrobia 25,96 96,39-1466,93-354,33 4,14 rozpuszczalna 232,81 236,60-690,49-166,78 Metyloceluloza 4,33 26,99 75,95-381,54-88,11 β-cyklodekstryna 4,25 104,97 131,97-2113,01-497,18 Meglumina 4,27 127,97 128,88-1325,24-310,36 223,61 248,73 301,07 70,51 Chitozan 4,22 27,01 240,51 287,72 100,58 275,95 305,05-778,23-138,31 1054,34-184,42-32,77 249,84 Poliwinylopirolidon 45,91 109,09-576,02-135,85 4,24 K-30 159,20 200,30-36,73-8,66 Stearynian magnezu 4,26 78,50 102,99-1016,44-238,60 winylopirolidon jest syntetycznym polimerem zbudowanym z mieszaniny liniowych polimerów 1-winylo-2-pirolidonu. Na podstawie danych literaturowych [13-18] i zestawionych w tabeli I wyników badań termomikroskopowych można stwierdzić, że analizowane substancje w różny sposób reagują na działanie podwyższonej temperatury. Część substancji topi się w przedziale temperatur 100-200 ºC (mannitol, meglumina, stearynian magnezu), różne formy laktozy bezwodnej i uwodnionej topią się po przekroczeniu temperatury 200 ºC, a w temperaturze prawie 300 ºC topi się β-cyklodekstryna. Procesowi topnienia nie podlega natomiast skrobia rozpuszczalna, metyloceluloza, chitozan, poliwinylopirolidon K-30 i talk. Z wyjątkiem talku, który nie ulega żadnym przemianom w badanym zakresie temperatur, pozostałe cztery substancje pomocnicze zaczynają rozkładać się po przekroczeniu temperatury 200 ºC, ulegając zwęgleniu a następnie skoksowana pozostałość spala się w wyższych temperaturach. Wyniki analizy krzywych DTA, TG i DTG rozkładu termicznego badanych substancji pomocniczych zestawiono w tabeli II, natomiast przykładowe termogramy przedstawiono na rycinie 1. Dokładna analiza zakresów temperatur poszczególnych procesów termicznych oraz wartości towarzyszących im ubytków masy prowadzi do wniosku, że można uogólnić przebieg rozkładu prawie wszystkich badanych substancji, wyróżniając trzy zasadnicze etapy. Ten schemat rozkładu nie obejmuje talku, który w badanym zakresie temperatur nie ulega żadnym przemianom termicznym. Z tego powodu nie zamieszczono informacji o talku w tabelach II i III oraz nie przedstawiono jego krzywej DSC na rycinie 2. W etapie pierwszym analizowane substancje topią się (mannitol, meglumina, stearynian magnezu), niektóre z nich uwalniają najpierw wodę krystalizacyjną (dehydratacji towarzyszy kilku lub kilkunastoprocentowy ubytek masy), a następnie bezwodna substancja topi się (laktoza, β-cyklodekstryna). W tym etapie zachodzą także przemiany krystaliczne, a procesom dehydratacji, topnienia i przemianom krystalicznym towarzyszą efekty endotermiczne na krzywej DTA. W wyniku dalszego ogrzewania, w etapie drugim następuje termiczna degradacja składników badanych substancji. Na krzywej DTA proces ten potwierdza zespół pików, zarówno endo- jak i egzotermicznych, natomiast na krzywej TG, od kilkunastu do kilkudziesięciu procentowy ubytek masy. Skoksowana pozostałość po rozkładzie produktów pośrednich spala się w etapie III, co potwierdza rozległy efekt egzotermiczny. Krzywe DSC badanych substancji zilustrowano na rycinie 2, natomiast wyniki ich analizy zestawiono w tabeli III. Dostarczają one wartościowych informacji o cieple kolejnych przemian fazowych zachodzących w badanych substancjach. Wnioski Na podstawie badań przeprowadzonych z użyciem technik termoanalitycznych (DSC, DTA, TG) oraz termomikroskopii wykazano, że rozkład termiczny badanych substancji pomocniczych: mannitolu, laktozy, skrobi rozpuszczalnej, metylocelulozy, β-cyklodekstryny, megluminy, chitozanu, poliwinylopirolidonu K-30 i stearynianu magnezu można przedstawić za pomocą schematu obejmującego trzy etapy rozkładu. W etapie pierwszym przebiegają najważniejsze procesy charakteryzujące badane substancje, takie jak topnienie, dehydratacja lub przemiany krystaliczne. Związane z nimi charakterystyczne piki endotermiczne mogą służyć do potwierdzenia tożsamości badanych substancji oraz do oceny ich niektórych właściwości fizykochemicznych. Ten schemat rozkładu nie obejmuje talku, który w badanym zakresie temperatur nie ulega żadnym przemianom termicznym. Określenie zachowania się badanych substancji pomocniczych 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. Crowley P, Martini LG. Drug-excipient interactions. Pharm Technol, Europe 2001; 13: 26-34. 2. Jivraj M, Martini LG, Thomson CM. An overview of the different excipients useful for the direct compression of tablets. Pharm Sci Technol Today 2000; 3: 58-63. 3. Armstrong NA. Functionality related tests for excipients. Int J Pharm 1997; 155: 1-5. 4. Pifferi G, Santoro P, Pedrani M. Quality and functionality of excipients. II Farmaco 1999; 54: 1-14. 5. Swarbrick J. Encyclopedia of pharmaceutical technology. 3rd ed. Informa Healthcare, New York 2007. 6. Rybacki E, Stożek T. Substancje pomocnicze w technologii postaci leku. Tom 7. Biblioteka Farmaceuty. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1980. 7. Crowley PJ. Excipients as stabilizers. Pharm Sci Technol Today 1999; 2: 237-243. 8. Pifferi G, Restani P. The safety of pharmaceutical esxcipients. II Farmaco 2003; 58: 541-550. 9. Nachaegari SK, Bansal AK. Coprocessed excipients for solid dosage forms. Pharm Technol 2004; 28: 52-65. 10. Kalász H, Antal I. Drug excipients. Cur Med Chem 2006; 13: 2535-2563. 11. Janicki S, Fiebig A, Sznitowska M. Farmacja stosowana. Wyd. 4. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2003. 12. Zheng J. Formulation and analytical development for low-dosage oral drug products. Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey 2009. 13. Rowe RC, Sheskey PJ, Quinn ME. Handbook of pharmaceutical excipients. 6th ed. Pharm Press American Pharm Assoc, London, Washington 2009. 14. Kibbe H. Handbook of pharmaceutical excipients. 3rd ed. Am Pharm Assoc Pharm Press, London, Washington 2000. 15. British Pharmacopoeia, Tom I i III, The Stationery Office, London 2004. 16. The United States Pharmacopeia USP 30. The National Formulary NF 25. Tom III. The US Pharmacopeial Convention, Rockville 2006. 17. Farmakopea Polska VIII. Tom I. Wyd. Minister Zdrowia oraz Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych agenda MZ, Warszawa 2008. 18. Kreft K, Kozamernik B, Urleb U. Qualitative determination of polyvinylopyrrolidone type by near-infrared spectrometry. Int J Pharm 1999; 177: 1-6. data otrzymania pracy: 19.07.2010 r. data akceptacji do druku: 27.08.2010 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 e-mail: marwes@gumed.edu.pl