Vliv teploty na sorpční kinetiku vlhkosti v mikrokrystalické celulóze

ACHARYA M., GUO M., NADERI M., AHMED S., BURNETT D.
Surface Measurement Systems Ltd.

Úvod

Pro lepší účinnost orální dávkové formy farmaceutických léčiv a vývoj zpracování je zásadní pochopení fyzikálních vlastností aktivních a pomocných látek, jako je mikrokrystalická celulóza (MCC). MCC je široce používána ve farmaceutickém průmyslu jako pomocná látka v kombinaci s aktivními farmaceutickými přísadami. MCC je prášek prakticky nerozpustný ve vodě, ale vodu absorbuje, je značně hygroskopický. Uvádí se, že sorpce vlhkosti pomocí MCC způsobuje problémy se stabilitou tablet, což ovlivňuje jejich účinnost v důsledku vystavení vlhkosti [1, 2]. Tato studie byla provedena za účelem měření sorpčního chování vody a kinetiky MCC (standardní materiál PH-101) v rozsahu 0–95 % relativní vlhkosti při teplotě 5–60 °C pomocí dynamické sorpce par (DVS). Difúzní koeficienty byly vypočítány v teplotním rozmezí 10–60 °C.

Metoda

Technika DVS je gravimetrická sorpční technika, která měří, jak rychle a kolik par je absorbováno vzorkem. Používá tok nasyceného nosného plynu parami, kterému je vzorek vystaven a měří se změna jeho hmotnosti. DVS je využívána pro testování vlivu podmínek – vlhkosti a teploty na strukturu a vlastnosti produktů. K minimalizaci vlivu velikosti částic byla použita mikrokrystalická celulóza (PH-101) od společnosti Sigma Aldrich s velikostí částic 50 µm. 6–20 mg vzorku bylo vloženo do misky na vzorky DVS a okamžitě umístěno do komory pro vzorky. Vzorky byly nejprve sušeny pod kontinuálním proudem suchého vzduchu jako nosného plynu, aby byla stanovena hmotnost suchého vzorku, m0 . Vzorky byly poté vystaveny následujícím typickým profi lům parciálního tlaku: 0–90 % RH v 10% krocích, následovanými 5% krokem na 95 % RH. Parciální tlak byl poté snížen podobným způsobem. Experimenty byly nastaveny v režimu dm/dt s pevnou hodnotou kritéria 0,002 % min–1. Stejné experimenty sorpce vlhkosti byly provedeny při 5 °C, 10 °C, 20 °C, 25 °C, 40 °C, 50 °C a 60 °C na vzorku MCC. Pro výpočet difúzních koefi cientů byla použita velikost částic 50 μm.

Výsledky

Superponované grafy kinetiky sorpce a desorpce vlhkosti pro vzorek MCC při různých teplotách jsou uvedeny na obr. 1. Srovnání sorpčních izoterm v teplotním rozmezí 5–60 °C vidíte na obr. 2. Data jsou vyjádřena jako procentuální změna hmotnosti s odkazem na hmotnost vzorku po fázi sušení. Data ukazují, že v rozmezí teplot 5–25 °C absorpce vlhkosti při konkrétní relativní vlhkosti nevykazuje významný rozdíl. Výsledky sorpce vody při 40 °C, 50 °C a 60 °C však naznačují, že procento absorpce vody klesá s rostoucí teplotou. Vyšší teploty zvyšují rozpustnost a objemovou absorpci a měly by ve skutečnosti zvýšit absorpci, ale vzorek, který změní svou strukturu, která způsobí snížení sorpční kapacity vody při zvýšených teplotách. Obr. 1 ukazuje, že zvyšováním teploty se zrychluje kinetika sorpce vlhkosti materiálu MCC díky zvýšené difúzi práškovým materiálem. Hysterezní křivka mezi sorpčními a desorpčními izotermami při 60 °C (obr. 5) je užší ve srovnání s 10 °C (obr. 3). Jak teplota stoupá, molekuly vody se volněji pohybují ven z objemové struktury, což má za následek menší hysterezi a zvýšení difuzních koeficientů, jak je uvedeno v tab. 1.

V experimentu DVS je kinetika sorpce vlhkosti vzorků částic určena rychlostí zvyšující se relativní vlhkosti, průměrnou velikostí částic, experimentální teplotou a hmotností vzorku. V této studii bylo rychlé dodávání vlhkosti do vzorku při určité relativní vlhkosti optimalizováno dynamickým tokem zvlhčeného nosného plynu. Účinek velikosti částic a velikosti vzorku byl eliminován použitím průměrné velikosti částic 50 μm a typické navážky vzorku menší než 20 mg. Současná data jasně ukazují vliv teploty na kinetiku sorpce vlhkosti při různých podmínkách a vliv relativní vlhkosti na teplotní stabilitu.

Závěr

Fyzikální vlastnosti aktivních a pomocných látek, jako je MCC, jsou zásadní při podávání účinných látek ve farmaceutických výrobcích. Vliv Tab. 1: Objemové difúzní koeficienty při 10 °C, 25 °C, 40 °C, 50 °C a 60 °C Předchozí RH [%] Cílová RH [%] Difúzní koeficient [cm2 /s] 10 °C 25 °C 40 °C 50 °C 60 °C 70 80 3,98E-11 2,67E-10 5,40E-10 8,97E-10 1,94E-09 Obr. 4: Sorpční izoterma vodní páry při 25 °C Obr. 5: Sorpční izoterma vodní páry při 60 °C teploty na kinetiku sorpce vlhkosti MCC ukazuje zvýšení molekulární pohyblivosti vody, což vede k rychlejšímu rovnovážnému času, ale snižuje celkovou absorpci vlhkosti při zvýšených teplotách v důsledku strukturálního uspořádání v materiálu.

Obr. 1: Kinetika sorpce vodní páry MCC v teplotním rozsahu 5 - 60 °C	Obr. 2: Sorpční izotermy vodní páry na MCC v teplotním rozsahu 5 - 60 °C
Obr. 3: Sorpční izoterma vodní páry při 10 °C	Obr. 4: Sorpční izoterma vodní páry při 25 °C
Obr. 5: Sorpční izoterma vodní páry při 60 °C

Literatura
[1]. Sahputra, I.H., Alexiadis A., Adams, M.J., J. Polymer Sci., 2019, 10.1002/polb.24801.
[2]. Mihranyan, A., Llagostera, A.P., Karmhag, R., Strømme M., Int. J. Pharm., 2004, 269(2).