Um pacote de ferramentas analíticas estabelecidas para investigar a alteração do estado sólido de excipientes à base de lipídios
Summary
Esta publicação mostra a aplicação da difração de raios X e da calorimetria exploratória diferencial como padrão-ouro para investigar o estado sólido de excipientes à base de lipídios (LBEs). Compreender a alteração do estado sólido em LBEs e seu efeito sobre o desempenho de produtos farmacêuticos é o fator-chave para a fabricação de formas de dosagem robustas à base de lipídios.
Abstract
Os excipientes à base de lipídios (LBEs) são de baixa toxicidade, biocompatíveis e de base natural, e sua aplicação suporta a sustentabilidade da fabricação farmacêutica. No entanto, o grande desafio é o seu estado sólido instável, afetando a estabilidade do produto farmacêutico. As propriedades físicas críticas dos lipídios para seu processamento – como temperatura de fusão e viscosidade, reologia, etc. – estão relacionadas à sua estrutura molecular e sua cristalinidade. Os aditivos, bem como o estresse térmico e mecânico envolvido no processo de fabricação, afetam o estado sólido dos lipídios e, portanto, o desempenho dos produtos farmacêuticos dos mesmos. Portanto, compreender a alteração no estado sólido é crucial. Neste trabalho, a combinação de difração de raios X em pó e calorimetria exploratória diferencial (DSC) é introduzida como padrão-ouro para a caracterização do estado sólido dos lipídios. A difração de raios X é o método mais eficiente para rastrear o polimorfismo e o crescimento de cristais. O arranjo polimórfico e o comprimento da lamela são caracterizados nas regiões de grande e pequeno ângulo da difração de raios X, respectivamente. A região de espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS) pode ser usada para investigar o crescimento de cristais. A transição de fase e a separação podem ser indicadas. O DSC é usado para rastrear o comportamento térmico dos lipídios, estimar a miscibilidade de aditivos e/ou ingredientes farmacêuticos ativos (IFA) na matriz lipídica e fornecer diagramas de fase. Quatro estudos de caso são apresentados em que os LBEs são usados como material de revestimento ou como matriz de encapsulamento para fornecer sistemas multiparticulados revestidos de lipídios e nanosuspensões lipídicas, respectivamente. O estado sólido lipídico e sua potencial alteração durante o armazenamento são investigados e correlacionados com a alteração na liberação do IFA. Métodos microscópicos qualitativos, como microscopia de luz polarizada e microscopia eletrônica de varredura, são ferramentas complementares para investigar a cristalização em nível micro. Devem ser acrescentados outros métodos analíticos com base no processo de fabrico seleccionado. A relação estrutura-função-processabilidade deve ser entendida cuidadosamente para projetar produtos farmacêuticos robustos e estáveis à base de lipídios.
Introduction
Os lipídios são uma classe de materiais que contêm hidrocarbonetos alifáticos de cadeia longa e seus derivados. Abrangem uma ampla gama de estruturas químicas, incluindo ácidos graxos, acilgliceróis, esteróis e ésteres de esteróis, ceras, fosfolipídios e esfingolípidos1. O uso de lipídios como excipientes farmacêuticos iniciou-se em 1960 para incorporação de fármacos em uma matriz de cera para fornecer formulações de liberação sustentada2. Desde então, os excipientes à base de lipídios (LBEs) ganharam ampla atenção para diversas aplicações, como liberação modificada de medicamentos, mascaramento de sabor, encapsulamento de medicamentos e aumento da biodisponibilidade de medicamentos. Os LBEs podem ser aplicados em uma ampla gama de formas de dosagem farmacêutica através de processos de fabricação versáteis, a saber, revestimento a quente, secagem por pulverização, extrusão de lipídios sólidos, impressão 3D, comprimidos e homogeneização de alta pressão, entre outros. Formas de dosagem como comprimidos, filmes de desintegração oral, sistemas multiparticulados, nano e micropartículas, pellets e formas impressas em 3D são o resultado 2,3,4.
Os LBEs possuem o status “Geral Reconhecido como Seguro”, baixa toxicidade, boa biocompatibilidade e melhor tolerância do paciente. Sua origem natural e ampla disponibilidade permitem que eles capacitem a fabricação farmacêutica verde e sustentável. No entanto, o uso de LBEs tem sido associado a formas de dosagem instáveis. Alterações nas propriedades de produtos à base de lipídios após o armazenamento têm sido amplamente relatadas. O estado sólido dos LBEs e a existência de polimorfismo lipídico são considerados os principais motivos para a instabilidade das formas de dosagem à base de lipídios 5,6,7,8.
As propriedades mecânicas e físicas dos lipídios estão intimamente relacionadas às suas propriedades de cristalização e à estrutura de sua rede cristalina, o que mostra hierarquias distintas de organização estrutural. Quando os lipídios são utilizados na fabricação de produtos farmacêuticos, a estrutura cristalina é afetada pelos parâmetros de processo aplicados, como temperatura, solventes orgânicos, cisalhamento e forças mecânicas, o que, por sua vez, afeta o desempenho do produto farmacêutico 5,7,9,10,11,12 . Para entender essa relação estrutura-função, é importante conhecer os fundamentos da cristalização lipídica e da estrutura cristalina e métodos analíticos para rastreá-los.
No nível molecular, a menor unidade de um cristal lipídico é denominada “célula unitária”. Uma repetição tridimensional regular de células unitárias constrói as redes cristalinas, com interações moleculares mais fortes ao lado de suas direções laterais do que as longitudinais, explicando a construção em camadas de cristais lipídicos. O empacotamento transversal repetido das cadeias de hidrocarbonetos é conhecido como subcélula 1,12,13 (Figura 1). As lamelas são o empacotamento lateral das moléculas lipídicas. No pacote de cristais, as interfaces entre diferentes lamelas são feitas de grupos finais de metila, enquanto os grupos glicerol polar são colocados nas partes internas da lamela14. Para diferenciar cada cadeia de ácidos graxos na lamela, o termo folheto é empregado, que representa uma subcamada composta de cadeias únicas de ácidos graxos. Os acilgliceróis podem ser dispostos em comprimentos de cadeia de folheto duplos (2L) ou triplos (3L)14. A energia superficial das lamelas os leva a empilhar epitaxialmente uns aos outros, para fornecer nanocristalitos. Diferentes fatores de processamento, como temperatura e taxa de resfriamento, afetam o número de lamelas empilhadas e, portanto, a espessura do cristalito (~ 10-100 nm). A agregação de cristalitos leva à formação de esferulitos em microescala, e a agregação de esferulitos fornece à rede cristalina de LBEs um comportamento macroscópico definido13.
As transições de estado sólido começam no nível molecular. A transição geométrica de uma subcélula para outra é chamada de polimorfismo. Três polimorfos principais de forma α, β e β são geralmente encontrados em acilgliceróis, ordenados de acordo com o aumento da estabilidade. A inclinação da lamela em relação aos grupos finais ocorre durante as transições polimórficas 1,13. Transições polimórficas mediadas por armazenamento e fusão são experimentadas por LBEs. As transições de armazenamento ocorrem quando a forma metaestável é armazenada abaixo de sua temperatura de fusão, enquanto as transições mediadas por fusão acontecem à medida que a temperatura sobe acima do ponto de fusão de uma forma metaestável, provocando fusão e cristalização sucessiva da forma mais estável.
Além disso, a separação de fases e o crescimento de cristais também podem ocorrer. A separação de fases é impulsionada pela cristalização multifásica inicial e pelo crescimento de uma fase ou mais. Interações partícula-partícula, incluindo sinterização, interações moleculares, características microestruturais e componentes estranhos, também podem desencadear o crescimento de cristais 1,5.
O monitoramento das transições de estado sólido dos LBEs e seu impacto no desempenho das formas de dosagem é de importância significativa. Entre outros, a calorimetria exploratória diferencial (DSC) e a difração de raios X, especificamente o espalhamento simultâneo de raios-X de pequeno e grande ângulo (SWAXS), são dois padrões ouro para avaliar o estado sólido lipídico.
O DSC é comumente usado para medir as mudanças de entalpia do material de interesse associado ao fluxo de calor em função do tempo e da temperatura. O método é amplamente utilizado para a triagem do comportamento térmico de lipídios, como possíveis vias de fusão e cristalização, temperatura e entalpia correspondentes de diferentes formas polimórficas, bem como frações menores e principais de composições lipídicas. Esses dados podem ser utilizados para descrever a heterogeneidade, as múltiplas fases e o polimorfismo lipídico 5,7,13.
As técnicas de difração de raios X são os métodos mais poderosos para a determinação de estruturas no estado sólido. Possuindo nanoestrutura ordenada com lamelas repetidas, a reflexão do feixe de raios-X de cristais lipídicos pode ser investigada usando a lei de Bragg:
d = λ/2sinθ (Equação 1)
onde λ é o comprimento de onda de raios-X de 1,542 Å, θ é o ângulo de difração do feixe disperso e d é o espaçamento interplanar de camadas repetidas, definido como comprimento de lamela em lipídios. A região de pequeno ângulo do raio-x pode ser perfeitamente usada para detectar o padrão de espaçamento longo e calcular o comprimento da lamela (d). Quanto maior a distância repetida d, menor o ângulo de dispersão (1-15°, região de ângulo pequeno), uma vez que d é inversamente proporcional ao pecado θ. O arranjo subcelular dos lipídios pode ser caracterizado como o padrão de espaçamento curto na região grande angular da difração de raios X. Ambos os padrões de espaçamento longo e curto dos lipídios (comprimento da lamela e arranjo subcelular) podem ser usados para indicar a transformação polimórfica monotrópica. Por exemplo, a forma α (hexagonal) pode ser alterada para β (triclínica) devido a uma mudança no ângulo de inclinação das correntes, com alterações no comprimento da lamela (padrão de espaçamento longo, na região de pequeno angular, 1-15°) e no modo de empacotamento transversal (padrão de espaçamento curto, na região grande angular, 16-25°) (Figura 2).
As informações obtidas da região SAXS podem ainda ser utilizadas para investigar o crescimento do cristal medindo sua espessura (D) através da equação de Scherrer15:
D = Kλ/FWHMcosθ (Equação 2)
Onde, FWHM é a largura em radianos do máximo de difração medido a uma altura intermediária entre o fundo e o pico, geralmente conhecido como largura total a meio máximo (FWHM); θ é o ângulo de difração; λ é o comprimento de onda de raios-X (1,542 Å) e K (constante de Scherrer) é um número adimensional que fornece informações sobre a forma do cristal (no caso da ausência de informações detalhadas sobre a forma K = 0,9 é uma boa aproximação). Por favor, note que a equação de Scherrer pode ser usada para estimar tamanhos médios de cristais de até cerca de 100 nm, uma vez que o pico de alargamento é inversamente proporcional ao tamanho do cristalito. Portanto, sua aplicação é útil para determinar a espessura das nanoplaquetas e, indiretamente, o número de lamelas agregadas. Exemplos de utilização dessa conhecida abordagem para triagem das propriedades cristalinas dos lipídios no desenvolvimento da formulação farmacêutica e da correspondente instabilidade no desempenho do produto podem ser encontrados em 5,12,16,17,18.
O monitoramento do estado sólido dos LBEs dentro de cada estágio de desenvolvimento por meio de técnicas analíticas bem estabelecidas fornece uma estratégia eficaz para projetar processos de fabricação de alto desempenho e produtos farmacêuticos estáveis à base de lipídios.
Esta publicação apresenta a aplicação crítica de uma análise abrangente do estado sólido dos LBEs para monitorar as mudanças no estado sólido e sua correlação com a alteração no perfil de liberação do ingrediente farmacêutico ativo (IFA) da forma farmacêutica farmacêutica. Sistemas multiparticulados baseados em cristais API revestidos de lipídios via revestimento a quente e suspensões nanolipídicas produzidas via homogeneização de alta pressão são tomados como estudos de caso. O foco desta publicação é a aplicação da difração de raios X em pó e do DSC como ferramentas analíticas. Os dois primeiros exemplos mostram o efeito da transformação polimórfica e do crescimento de cristais, respectivamente, sobre a alteração na liberação de API de amostras revestidas. O último exemplo revela a correlação entre o estado sólido estável dos lipídios e o desempenho estável do produto farmacêutico em sistemas multiparticulados revestidos de lipídios e em suspensões nanolipídicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Difração de raios X em pó e DSC foram descritos neste manuscrito como padrão-ouro para a análise do estado sólido de LBEs. A difração de raios X em pó tem a excelente vantagem de processar as medições in situ, com o mínimo de manipulação de estado sólido das amostras durante as medições. Além disso, os capilares cheios de mesmo tipo podem ser armazenados em diferentes condições após as medições iniciais para investigar a alteração do estado sólido durante o armazenamento. Neste trabalho…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
O Centro de Investigação em Engenharia Farmacêutica (RCPE) é financiado no âmbito do COMET – Centros de Competência para Excelentes Tecnologias pela BMK, BMDW, Land Steiermark e SFG. O programa COMET é gerido pela FFG.
Materials
| CaCl2·2H2O | Sigma-Aldrich | 223506 | |
| Cassettes with a cellulose membrane bag with a cut-off of 7000 Da, Thermo Scientific Slide-A-Lyzer 7K | Fisher Scientific Inco, USA | ||
| Control software of x-ray system | HECUS dedicated house equipment | ||
| Control unit of x-ray system | HECUS dedicated house equipment | ||
| Differential scanning calorimeter (DSC) aluminum crucibles and lids | Netzsch, Germany | ||
| Differential scanning calorimeter DSC 204 F1 Phoenix (NETZSCH, Germany). | Netzsch, Germany | ||
| Dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) | Sigma-Aldrich | 850355P | |
| Dissolution paddle apparatus II, Erweka DT 828 LH | Erweka GmbH, Langen, Germany | ||
| Dynasan 116 | IOI OLEO | Tripalmitin | |
| Geleol | Gattefosse | Glyceryl monosterarate | |
| KCl | Sigma-Aldrich | 529552 | |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P0662 | |
| Kolliphor P 188 | BASF Chem Trade | Poloxamer 188 | |
| MgCl2·6H2O | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| Na2HPO4·2H2O | Sigma-Aldrich | S9763 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Netzsch DSC 204F1 Software Version 8.0.1 | Netzsch, Germany | 6.239.2-64.51.00 | |
| Origin Pro (OriginLab, Northampton, MA) (statistical software | OriginLab, Northampton, MA | ||
| Proteous Analysis Software | Netzsch, Germany | ||
| Tween 65 | Polysorbate 65 | ||
| Witepsol PMF 1683 | IOI OLEO | Triglycerol ester of stearatic/palmitic acid (partially esterified) | |
| Witepsol PMF 282 | IOI OLEO | Diglycerol ester of stearic acid | |
| X-ray HECUS system composed of a point-focusing camera and two linearly positioned sensitive detectors | HECUS dedicated house equipment |
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