Velikost a tvar částic, Mikrostruktura pevných lékových forem

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Velikost a tvar částic, Mikrostruktura pevných lékových forem Michal Šimek simekm@vscht.cz Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2015

Proč se zabývat velikostí, tvarem částic a mikrostrukturou tablet? Zastoupení lékové formy na trhu léčiv: 10% Dosage form state 2) 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

V [%] V (%) V (%) Velikost částic Velikost částic je to rozměrová vlastnost částice v prostoru definovaná jednotkou délky. Ideální práškový materiál Reálný práškový materiál 100 40 80 60 40 20 30 20 10 0 10 30 50 0 10 30 50 Velikost (µm) Velikost (µm) Distribuce velikosti částic: V reálném práškovém vzorku se velikost částic pohybuje v určitém intervalu, proto hovoříme o distribuci velikosti části (DVČ/PSD). 50 0 10 20 30 40 50 60 µm

Příklady tvarů částic léčivých látek: Tvar částic 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 dm/dt míra přestupu hmoty D difúzní koeficient S difúzní plocha dc/dx koncentrační gradient Menší částice = větší celková aktivní/difúzní plocha Zámostný P. Mísení a segregace sypkých hmot. Inženýrství chemickofarmaceutických výrob, studijní materiály, VŠCHT Praha 2012 Byrn S.R., Pfeiffer R.R., Stowell J.G. Solid State Chemistry of Drugs. Second Edition. SSCI, Inc. West Lafayette Indiana 1999

c [ng/ml] in blood 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) 4 3,5 Využití úpravy velikosti částic: Farmokokinetické profily originálního a generického přípravku 1) Disoluční profily tablet s různou velikostí téže API: 3 2,5 2 Brand drug Generic drug 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 Lyofilizace Destruktivní techniky Mletí Úprava distribuce velikosti částic Sítování

Sprejové sušení Amorfní vs. krystalická forma Sférické částice Energetická náročnost Parametry aparatury vs. požadavky na API

Krystalizace Rozdílné způsoby a podmínky krystalizace (převzato od J. Holaně) Krystalizace chlazením a očkování záleží na míře přesycení jaký děj bude probíhat preferenčně. ❶ ❷ B rychlost nukleace b řád nukleace S přesycení G rychlost růstu kr. k g konstanta růstu g řád růstu Vyšší přesycení podporuje nukleaci (př. bod ❶) Nižší přesycení podporuje růst krystalu cílená velikost API (př. bod ❷) ❷ ❶ 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. Kvádry Vysrážení vodou z ethanolu s přídavkem aditiva (PVP) a vysokých otáčkách míchání. Destičky Vysrážení vodou z ethanolu. 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.

Size [µm] Scale-up a příprava rozdílných velikostí Příklad přípravy destiček - Modifikací rychlostí otáček: Speed of stirring 200 rpm 300 rpm d(0,1) 42 µm d(0,5) 96 µm d(0,9) 177 µm d(0,1) 41 µm d(0,5) 78 µm d(0,9) 133 µm Paracetamol (50 g) byl rozpuštěn v 120 ml ethanolu při 70 C. Roztok rychle nalit do 500 ml destilované vody (3 C), která se definovaně míchala. 400 rpm 600 rpm d(0,1) 40 µm d(0,5) 72 µm d(0,9) 115 µm d(0,1) 27 µm d(0,5) 55 µm d(0,9) 98 µm 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Závislost DVČ na rychlosti otáček d(0,9) d(0,5) d(0,1) 200 300 400 600 Stirring speed [rpm]

Size (microns) 300 250 200 Scale-up a příprava rozdílných velikostí Příklad přípravy destiček - Modifikací rozpouštědla a otáček: d(0,9) d(0,5) d(0,1) 150 100 50 0 Závěr Scale-up : Tvar Preferenční tvar formy I Scale-up daného tvaru Scale-up konkrétní DVČ Destičky ANO OK Uspokojivý Nepravidelné ANO OK Uspokojivý Sféry NE OK Problematický Kvádry NE Neúspěšný Neúspěšný

DSC analýzy polymorfní kontrola Form I plates plates irregular spheres plates colums plates colums irregular

Size [microns] Size [microns] Size [microns] Připravené materiály tvar a velikost 250 200 150 100 50 0 250 200 150 100 50 0 150 100 50 0 W-O EtOH 100rpm 50g 040614 EtOH + H2O 300rpm 50g 020614 Destičky Sféry W-O EtOH PVP ot. 2,5 vysitovane W-O EtOH 200rpm 50g 040614 Nepravidelné EtOH + H2O 100rpm 50g 040614 d(0.9) d(0.5) d(0.1) W-O MeOH 600rpm 270514 d(0.9) d(0.5) d(0.1) EtOH + H2O 1200rpm 50g 090614 d(0.9) d(0.5) d(0.1) W-O EtOH PVP ot. 2 vysitovane Shape d(0.1) d(0.5) d(0.9) [µm] [µm] [µm] Raw (medium) 17 40 100 Plates (big) 51 113 203 Plates (medium) 37 67 105 Plates (small) 19 40 61 Irregular (big) 51 102 222 Irregular (medium) 44 91 159 Irregular (small) 10 25 57 Spheres (medium) 26 56 103 Spheres (small) 23 39 62

Volume [ml] Materiálová charakterizace EP 2.9.34. Sypný a setřesný objem m=20g 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Raw (medium) Plates (big) Plates (medium) Plates (small) Irregular (big) Irregular (medium) Irregular (small) Spheres (medium) Spheres (small) apparent volume before settling: V0 apparent volume after settling: V1250 Tvar vs Velikost vs šíře DVČ

Degree [ ] EP 2.9.36. Sypný úhel Materiálová charakterizace m=20g 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Raw (medium) Plates (big) Plates (medium) Plates (small) Irregular (big) Irregular (medium) Irregular (small) Spheres (medium) Spheres (small) úhel Tvar vs Velikost vs šíře DVČ

Surface Chování částic API při/po tabletování Změna velikosti částic = Změna difúzní plochy P1>P2 3 části 1 částice 2 části Teoreticky pro jehličky: (při konstantní porozitě) 120% 115% 113% a 110% 105% 100% 100% 107% a/10 95% jehličkovitá API a/4 1 particle 2 parts 3 parts 20

Elastická expanze tablety A začátek stlačení (při minimální zanedbatelné síle na prášek) B maximální aplikovaná síla na prášku/ minimální výška ztlačeného prášku (tablety) C minimální výška ztlačeného prášku (tablety) D výška tablety po relaxaci (zanedbatelná síla proti razidlům % expanze = D C C 100 ABC oblast celková energie komprese BCD oblast energie elastické expanze BC křivka když se neprojevuje elastická expanze (teoreticky) BD křivka když se projevuje elastická expanze (běžně) Gibson M, Pharmaceutical Preformulation and Formulation. 2nd ed, New York: Informa Healthcare USA, Inc. 2009.

Materiálová charakterizace Elastická expanze tablet paracetamolu 2 3 1 4 Irregular Plates Raw Spheres (big) (med.) (small) (big) (med.) (small) (med.) (med.) (small) [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 25 % speed 5 kn 8.1 7.8 5.9 9.5 9.6 10.2 8.1 4.2 3.5 10 kn 10.5 10.3 7.8 11.6 11.7 13.7 10.4 4.6 4.3 15 kn 14.1 11.7 10.1 11.9 14.0 14.1 10.9 6.5 5.3 20 kn 15.5 12.8 10.9 13.4 14.1 15.2 11.1 6.9 6.1 25 kn 15.1 13.7 11.9 17.1 17.4 19.8 11.7 7.4 6.2 50 % speed 5 kn 9.5 8.4 7.9 13.0 14.1 14.6 10.9 4.3 4.2 10 kn 11.9 11.8 9.4 15.5 16.3 17.7 11.9 5.2 5.0 15 kn 14.7 13.2 11.4 18.0 18.1 18.4 12.7 6.9 6.1 20 kn 13.4 12.9 12.8 19.2 19.4 19.5 12.9 8.3 7.8 25 kn 11.5 11.6 11.7 18.9 19.5 19.9 13.2 9.4 8.1 75 % speed 5 kn 10.5 9.4 9.1 14.2 15.1 15.7 11.8 5.5 4.7 10 kn 11.3 11.2 10.1 16.2 16.4 16.9 12.6 6.2 5.7 15 kn 10.7 11.9 10.8 18.5 19.4 20.6 13.1 8.6 6.3 20 kn 10.7 10.9 10.8 19.8 20.8 21.3 13.2 9.2 8.1 25 kn 10.1 10.1 10.0 20.1 22.2 22.4 13.4 9.8 8.3 Pevnost tablet Legenda: Hodnoty [%] znamenají zvětšení výšky tablety po tabletaci. Expanze je když je: velikost částic DVČ (= přeskupování částic) elastický tvar částic tabletační rychlost elastická expanze = víčkování od 42 N (při 5 kn) do 90 N (při 25 kn)

Heckelova rovnice HR popisuje vztah mezi aplikovaným tlakem a poměrem hustot vzniklé tablety a hustotou prášku během tabletace. ln 1 1 D r =kp+a Heckel analýza V matrici Heckel analýza Mimo matrici D r = teoretická hustota tablety hustota prášku (v matrici) D r = skutečná hustota tablety hustota prášku (v matrici) D 1,2, x = skutečná hmotnost tablety V skutečná hmotnost tablety V 1,2 min Kompaktační tlak P *po odebrání tlaku a po relaxaci tablety V 1,2, min, = plocha razidla h 1,2, min Vzdálenost razidel h 1 h 2 Hmotnost konstantní Objem proměnlivý t 1, P 1 < t 2, P 2 Garekani HA, Ford JL, Rubinstein MH, and Rajabi-Siahboomi AR. Formation and compression of prismatic polyhedral and thin plate-like crystals. Int. J. Pharm. 1999;187 77-89. Gibson M, Pharmaceutical Preformulation and Formulation. 2nd ed, New York: Informa Healthcare USA, Inc. 2009.

ln(1/(1-d)) Heckelův graf Teoretický průběh ln 1 1 D =kp+a Typický průběh farmaceutických látek 4,00 3,50 Žádné přeskupení částic. Kompaktace je uskutečněna pouze plastickou deformací. 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 OBLAST I Přeskupování a fragmentace OBLAST II Zhutňování a fragmentace OBLAST III Post lineární část Poměr hustot (tableta: prášek) se blíží k 1 a přirozený logaritmus směřuje k nekonečnu. 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 Mean Pressure (MPa) Garekani HA, Ford JL, Rubinstein MH, and Rajabi-Siahboomi AR. Formation and compression of prismatic polyhedral and thin plate-like crystals. Int. J. Pharm. 1999;187 77-89. Gibson M, Pharmaceutical Preformulation and Formulation. 2nd ed, New York: Informa Healthcare USA, Inc. 2009.

ln(1/(1-d)) Hecklův graf farmaceutických prášků OBLAST I 1,00 OBLAST I Přeskupení a fragmentace částic. 0,90 0,80 0,70 0,60 A y = 0,033x + 0,6894 R² = 0,9988 A. Průsečík směrnice lineární části H. grafu D a = 1 e A D a hustota zcela zhuštělého volně nasypaného práškového lože 0,50 0,40 B. Hodnota při nulovém tlaku 0,30 0,20 B D 0 = 1 e B D 0 hustota prášku při nulovém tlaku 0,10 0,00 0,50 1,50 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 Mean Pressure (MPa) A-B.čím větší hodnota A mínus B, tím větší přeskupení částic/fragmentace Gibson M, Pharmaceutical Preformulation and Formulation. 2nd ed, New York: Informa Healthcare USA, Inc. 2009. Paronen P. Heckel Plots as Indicators of Elastic Properties of Pharmaceuticals. Drug Development and Industrial Pharmacy 1986;12 11-13 p.:1903-1912. Yang L, Ventkatesh G, and Fassihi R. Characterization of compressibility and compactibility of Poly(ethylene oxide) polymers for modified release application by compaction simulator. Journal of Pharmaceutical Sciences 1996;85 10 p.:1085-1090. Rasenack N and Müller BW. Crystal habit and tableting behavior. Int. J. Pharm. 2002;244 1-2 p.:45-57.

ln(1/(1-d)) Hecklův graf farmaceutických prášků AREA II 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 ln 1 1 D =kp+a OBLAST II - Souvisí s plasticitou materiálu. k směrnice lineární oblasti H. grafu 1/k zdánlivý průměrný tlak na vzorek A průsečík směrnice lineární části H. grafu 1,50 1,00 y = 0,033x + 0,6894 R² = 0,9988 0,50 0,00 6,50 11,50 16,50 21,50 26,50 31,50 36,50 41,50 46,50 Mean Pressure (MPa) Gibson M, Pharmaceutical Preformulation and Formulation. 2nd ed, New York: Informa Healthcare USA, Inc. 2009. Sonnergaard JM. A critical evaluation of the Heckel equation. Int. J. Pharm. 1999;193 63-71.

Současné výsledky tabletačního chování Analýzy poskytují predikci/trendy chování: 1.Elasticita: Přeskupování a fragmentace v oblasti I hodnota = přeskupení více elastický materiál 2.Plasticita: Fragmentace v oblasti II hodnota = fragmentace více plastický materiál 3.Elastická expanze: Víčkování/laminace po tabletaci hodnota = víčkování

Force [N] Formulace tablet různých paracetamolů s excipienty Pevnost tablet 70 60 50 40 30 20 10 0 5 kn 10 kn 15 kn 20 kn 25 kn Plates big 18 27 32 34 35 Plates medium 18 28 32 35 36 Plates small 17 28 34 36 38 Raw medium 16 29 36 37 38 Irregular big 18 29 34 37 39 Irregular medium 17 30 35 38 39 Irregular small 18 32 38 39 42 Spheres medium 22 37 42 46 48 Spheres small 25 42 49 53 57 Největší rozdíl u sfér Obsah API v tabletě byl jen 25%, ostatní excipienty byly vždy stejné, a přesto ovlivnil výsledek. Výraznější vliv tvaru ve srovnání s velikostí. (obecně: menší = mírně pevnější tableta)

Weight [mg] Formulace různých paracetamolů s excipienty Ovlivnění velikosti vsádky hustoty tabletoviny 110,0 105,0 100,0 95,0 90,0 85,0 Plates Spheres Raw Irregular Overview 90,1 91,7 94,9 105,8 Při zachování stejného objemu (výšky vsádky): Tvar částic API ovlivňuje hustotu tabletoviny Velikost částic příliš neovlivňuje hustotu tabletoviny Při obsahu tablety 25% API, stejných excipientech. Průměry pro každý tvar. Shape Average weight [g] Deviation % differencial % Plates 90,1 4,0 100 0 Spheres 91,7 1,4 102 2 Raw 94,9 1,9 105 5 Irregular 105,8 1,2 118 18

Mletí Kulový mlýn, Fluidní mlýn, Kladivový mlýn, Čelisťový mlýn Princip kulového mlýnu (http://cs.wikipedia.org/wiki/kulov%c3%bd_ml%c3%bdn) Snížení velikosti částic API. 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

V(%) V(%) Úprava distribuce velikosti částic Sítování materiálu 15% 10% 5% 0% 220 205 190 175 160 145 130 115 100 85 70 55 40 25 10 Velikost (µm) 20% 15% 10% 5% 0% 130 115 100 85 70 55 40 25 10 Velikost (µm) Özbilen S. Influence of atomising gas pressure on particle shape of Al and Mg powders. Powder Technology (1999) 102 Pages 109 119 Úprava šíře DVČ API.

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.

Objem (%) 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 Počet (%) Popis velikosti a tvaru částic Početní DVČ 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. 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. 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% max. průmět min. průmět Velikost (µm) Početní distribuce velikosti částic léčivé látky (API) v závislosti na min. a max. průmětu (obrazová analýza). Jehličkovité částice měřené léčivé látky. 15% 10% 5% Způsob sférických aproximací nepravidelných tvarů částic 0% 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 Velikost (µm) Objemová distribuce velikosti částic léčivé látky (API).

Percentilní d-hodnoty Popis velikosti a tvaru částic 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 Pořízení obrazu Jedna z nejpoužívanějších metod analýzy velikosti a morfologie částic. Software: NIS Elements v.4 Označení částic Aproximace Interpretace dat Výsledek

Obrazová analýza mikroskopických snímků Pořízení obrazu Množství vzorku: alespoň několik miligramů Příprava vzorku: záleží na použitém mikroskopu Rozsah měřitelnosti: záleží na použitém mikroskopu Označení částic Snímek ze světelného mikroskopu Př. Vzorek A Snímek z elektronového mikroskopu Př. Vzorek B Aproximace Interpretace dat 200 µm 1 µm Výsledek

Obrazová analýza mikroskopických snímků Způsob označení částic: automatický a manuální mód Pořízení obrazu Označení částic Aproximace % Počet označených částic: záleží na distribuci velikosti částic 20 15 10 5 0 500 částic % 40 30 20 10 0 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 Velikost [µm] Velikost [µm] 500 částic Interpretace dat Výsledek

Počet (%) V (%) Obrazová analýza mikroskopických snímků Početní DVČ: Počet výskytu částic dané hodnoty: př. maximálního průmětu Objemová DVČ: Rozdělení celkového objemu všech částic do tříd dle jejich maximálního průmětu: Pořízení obrazu Označení částic Aproximace na objem ekv. koule Aproximace 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% Interpretace dat Velikost (µm) Velikost (µm) Výsledek

Obrazová analýza mikroskopických snímků Pořízení obrazu Početní x objemová procenta vzorek Př. Vyjádření distribuce velikosti vzorku obsahující 2 částice 1:1 1:1000 Označení částic d = 5nm d = 50nm Aproximace V = 4 π r3 3 Třetí mocnina Interpretace dat Výsledek

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 V (%) 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 Počet (%) Obrazová analýza mikroskopických snímků Početní DVČ Procentuální rozdělení částic do histogramu na základě délky, např. maximálního průmětu. Pořízení obrazu 40% 30% 20% max. průmět min. průmět Proč početní DVČ? - bez použití aproximace - přesnější představa Označení částic 10% 0% Objemová DVČ Procentuální rozdělení celkového objemu všech částic do histogramu na základě délky. 10% 8% 6% 4% 2% 0% Velikost (µm) Nepoužívá aproximace, zachovává informaci o tvaru (2D) jedinečnost této metody! Proč objemovou DVČ? - podíl hmoty X velikost č. - porovnání metod DVČ - disoluční profily (farmacie) Aproximace Interpretace dat Velikost (µm) d-hodnoty Představují horní decil [d(0.9)], dolní decil [d(0.1)] a medián [d(0.5)] DVČ. Výsledek

Aplikace obrazové analýzy Je možné vybrat a označit pouze volné částice. Aglomeráty částic Volné částice Početní DVČ X X X Parametr Velikost [µm] d(0.1) 0,09 d(0.5) 0,14 d(0.9) 0,18

Možnost vývoje obrazové analýzy Export všech naměřených údajů do MS Excel Statistiku údajů Vlastní výpočty DVČ Příznak Hodnota Plocha 4996 Ekv. průměr 79 Objem ekv. koule 265703 Objem ekv. válce 142460 Obvod 326 Vnější obvod 326 Délka 122 Šířka 40 Max. průmět 111 Min. průmět 78 Kruhovitost 0,59 Protažení 1,42 Tvarový faktor 0,71.. Kruhovitost = 4 π Ploha Max. průmět Protažení = Tvarový faktor = Obvod 2 Min. průmět 4 π Plocha (Obvod konvexního tělesa) 2

Objem Objem Vývoj vhodnější aproximace obrazové analýzy Pro objemovou DVČ Každá částice je přepočítávána jednotlivě dle podmínek: Jehličky výrazně převládá tvar jehliček 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Příklady Needle new EqSphere 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Velikost (µm) Nepravidelné částice směs tvarů 18% 16% 14% 12% 10% EqSphere Irregular new Kruhovitost = 4 π Ploha Max. průmět Obvod 2 Protažení = Min. průmět 8% 6% 4% 2% 0% 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 370 Velikost (µm)

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. 1 2 1 6 3 6 4 5 1. Zdroj záření paprsek monochromatického světla 2. Čočky soustřeďují paprsky na detektory 3. Prostorový filtr zkvalitňuje paprsek světla 4. Cela se vzorkem kyveta naplněná proudícím vzorkem ve vhodné kapalině nebo plynu 5. Detektor vytváří se zde difrakční obrazec 6. Soustava pomocných detektorů Rozptyl světla na velké a malé částici: 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.

Přístroj Malvern MasterSizer 2000 Laserová difrakce Cela Počítačový systém Vzorek rozptylující příslušenství Na suché cestě Tělo přístroje Na mokré cestě Rozptyl vzorku stlačeným vzduchem Rozptyl vzorku kapalným médiem

Laserová difrakce - příklad Vývoj metody Mokrá cesta Pevné parametry Kapalné médium Zvolení smáčedla Index lomu kapalného média Index lomu API Hledané parametry Rychlost míchání Intenzita sonifikace Doba sonifikace Opakovatelnost Suchá cesta Pevné parametry Index lomu API Hledané parametry Vibrace podavače Tlak vzduchu Opakovatelnost

Ukázkové měření distribuce velikosti částic pomocí laserové difrakce

Porovnání objemových DVČ obrazové analýzy a laserové difrakce V (%) 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 Laserová difrakce Množství měřených částic >10 000 částic Měřená šíře velikostí 0,02-2000 µm Principy metod (předpoklady) Obrazová analýza Množství měřených částic 600-2000 částic Měřená šíře velikostí 1-1000 µm X 0,02-1000 µm Principy metod (aproximace) Jehličkovité částice měřeného vzorku 10% 5% 0% d(0,1) = 10µm d(0,5) = 32µm d(0,9) = 111 µm velikost (µm) d(0,1) = 62µm d(0,5) = 116µm d(0,9) = 221 µm

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 Excipient 2 Potahová vrstva 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 Parafinová matrice API Potah

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 < 2nm Mezopóry 2-50 nm Makropóry > 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 (%) Síla tablety (N) Specifický povrch (m 2 /g) 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 Tableta z granulátu 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 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 Vysokotlaká rtuťová porozimetrie (př. dusík, argon, krypton) 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) r... poloměr pórů γ... povrchové napětí rtuti Θ... úhel smáčení rtuti na materiálu p... tlak Kapilární elevace Smáčení povrchu kapalinou 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 Value (micron) Layer min 161,28 max 178,34 average 171,50 stdeva 5,45 RSD (%) 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 3. Mikrotomem 2. Půličem tablet

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 Poréznost Homogenita Obalová vrstva Velikost částic Kinetika dezintegrace tablety (penetrace tekutiny do struktury) Kinetika rozpouštění dezintegrované tablety 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 ovlivňuje ji četnost a velikost pórů tablety Míra penetrace kapaliny do porézní struktury je závislá na rovnováze mezi kapilárními silami a viskozitou kapaliny a popisuje ji následující vztah: Kinetika rozpouštění částic dezintegrované tablety ovlivňuje ji DVČ a jejich porozita Povrch částic a povrch pórů uvnitř jejich struktury společně tvoří difúzní plochu. Rychlost disoluce vychází ze vztahu: L penetrovaná vzdálenost v čase t m poloměr póru γ povrchové napětí kapaliny Θ smáčivý úhel kapalné a pevné f. η viskozita kapaliny k 0 konstanta vztažená ke tvaru póru 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. 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 Menší částice = větší celková aktivní/difúzní plocha -> větší rozpouštěcí rychlost 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

konc. Rozdíly ve struktuře tablety připravené: Přímým lisováním Lisováním tuhé disperze 80 70 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 Exc HPC + API

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. 10mg API ve formě nanovláken 10mg mikronizované API v peletách 10mg samotné API 50-500 nm tloušťka 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 3D rekonstrukce SYRMEP Beamline User guide http://w3.ts.infn.it/experiments/syrma/syrmep/home_syrmep.html

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 změnit/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.