Ett paket med etablerade analytiska verktyg för att undersöka solid state-förändring av lipidbaserade hjälpämnen
Summary
Denna publikation visar tillämpningen av röntgendiffraktion och differentiell skanningskalorimetri som guldstandarder för att undersöka det fasta tillståndet för lipidbaserade hjälpämnen (LBE). Att förstå solid state-förändringen i LBE och dess effekt på prestandan hos farmaceutiska produkter därav är nyckelfaktorn för tillverkning av robusta lipidbaserade doseringsformer.
Abstract
Lipidbaserade hjälpämnen (LBE) är lågtoxiska, biokompatibla och naturbaserade, och deras tillämpning stöder hållbarheten i läkemedelstillverkningen. Den stora utmaningen är dock deras instabila fasta tillstånd, vilket påverkar läkemedlets stabilitet. Kritiska fysikaliska egenskaper hos lipider för deras bearbetning – såsom smälttemperatur och viskositet, reologi etc. – är relaterade till deras molekylära struktur och deras kristallinitet. Tillsatser, såväl som termisk och mekanisk spänning som är involverad i tillverkningsprocessen, påverkar lipidernas fasta tillstånd och därmed prestandan hos farmaceutiska produkter därav. Därför är det viktigt att förstå förändringen i fast tillstånd. I detta arbete introduceras kombinationen av pulverröntgendiffraktion och differentiell skanningskalorimetri (DSC) som guldstandard för karakterisering av lipiders fasta tillstånd. Röntgendiffraktion är den mest effektiva metoden för att screena polymorfism och kristalltillväxt. Det polymorfa arrangemanget och lamelllängden karakteriseras i röntgendiffraktionens vid- respektive småvinkelområden. Saxs-området (small-angle x-rayspridning) kan användas ytterligare för att undersöka kristalltillväxt. Fasövergång och separation kan anges. DSC används för att screena lipiders termiska beteende, uppskatta blandbarheten av tillsatser och / eller aktiva farmaceutiska ingredienser (API) i lipidmatrisen och tillhandahålla fasdiagram. Fyra fallstudier presenteras där LBE antingen används som beläggningsmaterial eller som en inkapslingsmatris för att tillhandahålla lipidbelagda multipartikelsystem respektive lipidnanosuspensioner. Lipid solid-state och dess potentiella förändring under lagring undersöks och korreleras till förändringen i API-utgåvan. Kvalitativa mikroskopiska metoder som polariserad ljusmikroskopi och svepelektronmikroskopi är kompletterande verktyg för att undersöka kristallisering på mikronivå. Ytterligare analysmetoder bör tillsättas baserat på den valda tillverkningsprocessen. Förhållandet mellan struktur, funktion och bearbetbarhet bör förstås noggrant för att utforma robusta och stabila lipidbaserade läkemedelsprodukter.
Introduction
Lipider är en klass av material som innehåller långkedjiga alifatiska kolväten och deras derivat. De täcker ett brett spektrum av kemiska strukturer, inklusive fettsyror, acylglyceroler, steroler och sterolestrar, vaxer, fosfolipider och sfingolipider1. Användningen av lipider som farmaceutiska hjälpämnen startade 1960 för inbäddning av läkemedel i en vaxmatris för att ge formuleringar med fördröjd frisättning2. Sedan dess har lipidbaserade hjälpämnen (LBE) fått stor uppmärksamhet för olika tillämpningar, såsom modifierad läkemedelsfrisättning, smakmaskering, läkemedelsinkapsling och förbättrad läkemedelsbiotillgänglighet. LBE kan appliceras i ett brett spektrum av farmaceutiska doseringsformer via mångsidiga tillverkningsprocesser, nämligen smältbeläggning, spraytorkning, fast lipidsträngsprutning, 3D-utskrift, tablettering och högtryckshomogenisering, bland andra. Doseringsformer som tabletter, oralt sönderfallande filmer, multipartikelsystem, nano- och mikropartiklar, pellets och 3D-tryckta former är resultatet 2,3,4.
LBE har statusen “General Recognized as Safe”, låg toxicitet, god biokompatibilitet och förbättrad patienttolerans. Deras naturliga ursprung och breda tillgänglighet gör det möjligt för dem att stärka grön och hållbar läkemedelstillverkning. Icke desto mindre, användningen av LBEs har associerats med instabila doseringsformer. Förändringar i egenskaperna hos lipidbaserade produkter efter lagring har rapporterats i stor utsträckning. LBEs fasta tillstånd och förekomsten av lipidpolymorfism anses vara de främsta orsakerna till instabiliteten hos lipidbaserade doseringsformer 5,6,7,8.
De mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos lipider är nära besläktade med deras kristalliseringsegenskaper och strukturen i deras kristallnätverk, vilket visar distinkta hierarkier av strukturell organisation. När lipider används vid tillverkning av farmaceutiska produkter påverkas kristallstrukturen av de processparametrar som tillämpas, såsom temperatur, organiska lösningsmedel, skjuvning och mekaniska krafter, vilket i sin tur påverkar läkemedlets prestanda 5,7,9,10,11,12 . För att förstå detta struktur-funktionsförhållande är det viktigt att känna till grunderna för lipidkristallisering och kristallstruktur och analysmetoder för att screena dem.
På molekylär nivå kallas den minsta enheten av en lipidkristall en “enhetscell”. En regelbunden tredimensionell upprepning av enhetsceller bygger kristallgitteren, med starkare molekylära interaktioner tillsammans med deras laterala riktningar än de längsgående, vilket förklarar den skiktade konstruktionen av lipidkristaller. Den upprepade tvärsnittspackningen av kolvätekedjor kallas delcell 1,12,13 (figur 1). Lameller är lateral packning av lipidmolekyler. I kristallpaketet är gränssnitten mellan olika lameller gjorda av metyländgrupper, medan de polära glycerolgrupperna placeras vid de inre delarna av lamellen14. För att differentiera varje fettsyrakedja i lamellen används termen broschyr, som representerar ett underlager bestående av enstaka fettsyrakedjor. Acylglyceroler kan ordnas i dubbla (2L) eller tredubbla (3L) broschyrkedjelängder14. Lamellernas ytenergi driver dem att epitaxiellt stapla till varandra för att ge nanokristalliter. Olika bearbetningsfaktorer som kyltemperatur och hastighet påverkar antalet staplade lameller och därmed kristallittjockleken (~ 10-100 nm). Aggregering av kristalliter leder till bildandet av sfäruliter i mikroskala, och aggregeringen av sfäruliter ger kristallnätverket av LBE med definierat makroskopiskt beteende13.
Solid state-övergångar börjar på molekylär nivå. Den geometriska övergången från en delcell till en annan kallas polymorfism. Tre stora polymorfer av α-, β’-, och β-form finns vanligtvis i acylglyceroler, ordnade enligt ökad stabilitet. Lutning av lamellen med avseende på ändgrupper sker under polymorfa övergångar 1,13. Lagring och smältmedierade polymorfa övergångar upplevs av LBE. Lagringsövergångar inträffar när den metastabila formen lagras under dess smälttemperatur, medan smältmedierade övergångar sker när temperaturen stiger över smältpunkten för en metastabil form som framkallar smältning och successiv kristallisering av den mer stabila formen.
Dessutom kan fasseparation och kristalltillväxt också förekomma. Fasseparation drivs av initial multifasisk kristallisering och tillväxt av en fas eller mer. Partikel-partikelinteraktioner, inklusive sintring, molekylära interaktioner, mikrostrukturella egenskaper och främmande komponenter, kan också utlösa kristalltillväxt 1,5.
Övervakning av solid state-övergångarna av LBE och deras inverkan på doseringsformernas prestanda är av stor betydelse. Bland annat är differentiell skanningskalorimetri (DSC) och röntgendiffraktion, specifikt samtidig liten och vidvinkelröntgenspridning (SWAXS), två guldstandarder för bedömning av lipid solid state.
DSC används ofta för att mäta entalpiförändringarna i materialet av intresse i samband med värmeflödet som en funktion av tid och temperatur. Metoden används ofta för screening av termiskt beteende hos lipider, såsom möjliga vägar för smältning och kristallisering, motsvarande temperatur och entalpi av olika polymorfa former, såväl som mindre och huvudsakliga fraktioner av lipidkompositioner. Dessa data kan användas för att avbilda heterogenitet, flera faser och lipidpolymorfism 5,7,13.
Röntgendiffraktionstekniker är de mest kraftfulla metoderna för strukturbestämning i fast tillstånd. Med ordnad nanostruktur med upprepade lameller kan reflektionen av röntgenstråle från lipidkristaller undersökas med Braggs lag:
d = λ/2sinθ (ekvation 1)
där λ är röntgenvåglängden 1,542 Å, θ är diffraktionsvinkeln för den spridda strålen och d är det interplanära avståndet mellan upprepade skikt, definierat som lamelllängd i lipider. Röntgenstrålens småvinkelområde kan användas perfekt för att detektera det långa avståndsmönstret och beräkna lamelllängden (d). Ju större det upprepade avståndet d, desto mindre spridningsvinkel (1-15 °, liten vinkelområde) eftersom d är omvänt proportionell mot sin θ. Delcellsarrangemanget av lipider kan karakteriseras som det korta avståndsmönstret i röntgendiffraktionens vidvinkelområde. Både lång- och kortavståndsmönstren för lipider (lamelllängd och delcellsarrangemang) kan användas för att indikera den monotropa polymorfa transformationen. Till exempel kan α-formen (sexkantig) ändras till β (triklinisk) på grund av en förändring i kedjornas lutningsvinkel, med förändringar i lamelllängden (långavståndsmönster, i småvinkelområdet, 1-15 °) och i tvärsnittsförpackningsläget (kortavståndsmönster, i vidvinkelområdet, 16-25 °) (Figur 2).
Informationen som erhållits från SAXS-regionen kan vidare användas för att undersöka kristalltillväxten genom att mäta dess tjocklek (D) via Scherrer-ekvationen15:
D = Kλ/FWHMcosθ (ekvation 2)
Där FWHM är bredden i radianer av diffraktionsmaximum mätt vid en halvvägs höjd mellan bakgrunden och toppen, allmänt känd som full bredd vid halv maximum (FWHM); θ är diffraktionsvinkeln; λ är röntgenvåglängden (1,542 Å) och K (Scherrerkonstanten) är ett dimensionslöst tal som ger information om kristallens form (i händelse av avsaknad av detaljerad forminformation K = 0,9 är en bra approximation). Observera att Scherrer-ekvationen kan användas för att uppskatta genomsnittliga kristallstorlekar på upp till cirka 100 nm eftersom toppbreddningen är omvänt proportionell mot kristallitstorleken. Därför är dess tillämpning användbar för att bestämma tjockleken på nanoplatelets och indirekt antalet aggregerade lameller. Exempel på användning av detta välkända tillvägagångssätt för screening av kristallegenskaperna hos lipider i utvecklingen av farmaceutiska formuleringar och motsvarande instabilitet i produktprestanda finns i 5,12,16,17,18.
Övervakning av LBEs solida tillstånd inom varje utvecklingsstadium genom väletablerade analytiska tekniker ger en effektiv strategi för att utforma högpresterande tillverkningsprocesser och stabila lipidbaserade läkemedelsprodukter.
Denna publikation presenterar den kritiska tillämpningen av en omfattande solid state-analys av LBE för att övervaka förändringarna i fast tillstånd och dess korrelation med förändringen i frisättningsprofilen för aktiv farmaceutisk ingrediens (API) från den farmaceutiska doseringsformen. Multipartikelsystem baserade på lipidbelagda API-kristaller via smältbeläggning och nano-lipidsuspensioner producerade via högtryckshomogenisering tas som fallstudier. Fokus för denna publikation är tillämpningen av pulverröntgendiffraktion och DSC som analytiska verktyg. De två första exemplen visar effekten av polymorf transformation respektive kristalltillväxt på förändringen i API-frisättning från belagda prover. Det sista exemplet avslöjar korrelationen mellan lipidens stabila fasta tillstånd och den farmaceutiska produktens stabila prestanda i lipidbelagda multipartikelsystem och i nano-lipidsuspensioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pulverröntgendiffraktion och DSC beskrevs i detta manuskript som guldstandarder för solid state-analys av LBEs. Pulverröntgendiffraktion har den enastående fördelen att bearbeta mätningarna in situ, med minimal solid state-manipulation av prover under mätningarna. Dessutom kan samma fyllda kapillärer lagras under olika förhållanden efter initiala mätningar för att undersöka fastlandsförändringen under lagring. I detta arbete fokuserade vi på röntgenstrålens vid- och småvinkelområden, vilket g…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Research Center Pharmaceutical Engineering (RCPE) finansieras inom ramen för COMET – Competence Centers for Excellent Technologies av BMK, BMDW, Land Steiermark och SFG. COMET-programmet hanteras av 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 |
References
- Sato, K. Crystallization behaviour of fats and lipids a review. Chemical Engineering Science. 56 (7), 2255-2265 (2001).
- Becker, K., Salar-Behzadi, S., Zimmer, A. Solvent-free melting techniques for the preparation of lipid-based solid oral formulations. Pharmaceutical Research. 32 (5), 1519-1545 (2015).
- Rosiaux, Y., Jannin, V., Hughes, S., Marchaud, D. Solid lipid excipients – Matrix agents for sustained drug delivery. Journal of Controlled Release. 188, 18-30 (2014).
- Siepmann, J., et al. Lipids and polymers in pharmaceutical technology: lifelong companions. International Journal of Pharmaceutics. 558, 128-142 (2019).
- Lopes, D., et al. Microphase separation in solid lipid dosage forms as the cause of drug release instability. International Journal of Pharmaceutics. 517 (1-2), 403-412 (2017).
- Reitz, C., Kleinebudde, P. Solid lipid extrusion of sustained release dosage forms. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 67 (2), 440-448 (2007).
- Salar-Behzadi, S., Corzo, C., Schaden, L., Laggner, P., Zimmer, A. Correlation between the solid state of lipid coating and release profile of API from hot melt coated microcapsules. International Journal of Pharmaceutics. 565, 569-578 (2019).
- Windbergs, M., Gueres, S., Strachan, C. J., Kleinebudde, P. Two-step solid lipid extrusion as a process to modify dissolution behavior. AAPS PharmSciTech. 11 (1), 2-8 (2010).
- Schertel, S., Salar-Behzadi, S., Zimmer, A. Impact of surface properties of core material on the stability of hot melt-coated multiparticulate systems. Pharmaceutics. 13 (3), 366 (2021).
- Tang, D., Marangoni, A. G. Microstructure and fractal analysis of fat crystal networks. Journal of the American Oil Chemists’ Society. 83, 377-388 (2006).
- Corzo, C., et al. Lipid-microparticles for pulmonary delivery of active pharmaceutical ingredients: Impact of lipid crystallization on spray-drying processability. International Journal of Pharmaceutics. 610, 121259 (2021).
- Acevedo, N. C., Marangoni, A. G. Characterization of the nanostructure of triacylglycerol crystal networks. Structure-Function Analysis of Edible Fats. , (2012).
- Marangoni, A. G. Structure-function analysis of edible fats. Structure-Function Analysis of Edible Fats. , (2018).
- Sato, K., Sato, K. Crystallization of lipids. Fundamentals and Applications in Food, Cosmetics, and Pharmaceuticals. , (2018).
- Acevedo, N. C., Marangoni, A. G. Toward nanoscale engineering of triacylglycerol crystal networks. Crystal Growth and Design. 10 (8), 3334-3339 (2010).
- Lopes, D. G., et al. Role of lipid blooming and crystallite size in the performance of highly soluble drug-loaded microcapsules. Journal of Pharmaceutical Sciences. 104 (12), 4257-4265 (2015).
- Salar-Behzadi, S., et al. Novel approach for overcoming the stability challenges of lipid-based excipients. Part 2: Application of polyglycerol esters of fatty acids as hot melt coating excipients. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 148, 107-117 (2020).
- Corzo, C., Meindl, C., Lochmann, D., Reyer, S., Salar-Behzadi, S. Novel approach for overcoming the stability challenges of lipid-based excipients. Part 3: Application of polyglycerol esters of fatty acids for the next generation of solid lipid nanoparticles. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 152, 44-55 (2020).
- Tylor, A. K., Rowe, R. C., Sheskey, P. J., Quinn, M. E. Glyceryl monostearate. Handbook of Pharmaceutical Excipients. , 290-293 (2009).
- Lutton, R. S., Jackson, F. L. The polymorphism of 1- monostearin and 1-monopalmitin. Journal of the American Chemical Society. 70 (7), 2445-2449 (1948).
- Fang, W., Mayama, H., Tsujii, K. Spontaneous formation of fractal structures on triglyceride surfaces with reference to their super water-repellent properties. The Journal of Physical Chemistry. B. 111 (3), 564-571 (2007).
- Maleky, F., Marangoni, A. Nanoscale effects on oil migration through triacylglycerol polycrystalline colloidal networks. Soft Matter. 7, 6012-6024 (2011).
- Corzo, C., et al. Novel approach for overcoming the stability challenges of lipid-based excipients. Part 1: Screening of solid-state and physical properties of polyglycerol esters of fatty acids as advanced pharmaceutical excipients. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 148, 134-147 (2020).
- Gordillo-Galeano, A., Mora-Huertas, C. E. Solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers: A review emphasizing on particle structure and drug release. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 133, 285-308 (2018).
- Fan, Y., Marioli, M., Zhang, K. Analytical characterization of liposomes and other lipid nanoparticles for drug delivery. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 192, 113642 (2021).
- Peyronel, F., Pink, D. A., Marangoni, A. G. Triglyceride nanocrystal aggregation into polycrystalline colloidal networks: Ultra-small angle X-ray scattering, models and computer simulation. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 19 (5), 459-470 (2014).
- Acevedo, N. C., Marangoni, A. G. Functionalization of non-interesterified mixtures of fully hydrogenated fats using shear processing. Food and Bioprocess Technology. 7 (2), 575-587 (2014).
- Dong, Y. D., Boyd, B. J. Applications of X-ray scattering in pharmaceutical science. International Journal of Pharmaceutics. 417 (1-2), 101-111 (2011).
- Di Cola, E., Grillo, I., Ristori, S. Small angle X-ray and neutron scattering: Powerful tools for studying the structure of drug-loaded liposomes. Pharmaceutics. 8 (2), 10 (2016).
- Lopez, C., Lesieur, P., Bourgaux, C., Ollivin, M. Thermal and structural behavior of anhydrous milk fat. 3. Influence of cooling rate. Journal of Dairy Science. 88 (2), 511-526 (2005).
- Kalnin, D., Garnaud, G., Amenitsch, H. Ollivon. Monitoring fat crystallization in aerated food emulsions by combined DSC and time-resolved synchrotron X-ray diffraction. Food Research International. 35 (10), 927-934 (2002).
- Bugeat, S., et al. Unsaturated fatty acid enriched vs. control milk triacylglycerols: Solid and liquid TAG phases examined by Synchrotron radian X-ray diffraction coupled with DSC. Food Research International. 67, 91-101 (2015).
- Brubach, J. B., et al. Structural and thermal characterization of glyceryl behenate by X-ray diffraction coupled to differential calorimetry and infrared spectroscopy. International Journal of Pharmaceutics. 336 (2), 248-256 (2007).
- Chong, C. L., et al. Thermal and structural behaviour of crude palm oil: Crystallisation at very low cooling rate. European Journal of Lipid Science and Technology. 109 (4), 410-421 (2007).
- Askin, S., et al. A simultaneous differential scanning calorimetry-X-ray diffraction study of olanzapine crystallization from amorphous solid dispersions. Molecular Pharmaceutics. 17 (11), 4364-4374 (2020).
- Clout, A., et al. Simultaneous differential scanning calorimetry – synchrotron X-ray powder diffraction: A powerful technique for physical form characterization in pharmaceutical materials. Analytical Chemistry. 88 (20), 10111-10117 (2016).
- Jendrzejewska, I., Goryczka, T., Pietrasik, E., Klimontko, J., Jampilek, J. X-ray and thermal analysis of selected drugs containing acetaminophen. Molecules. 25 (24), 5909 (2020).
- Righetti, M. C. Crystallization of Polymers Investigated by Temperature-Modulated DSC. Materials. 10 (4), 442 (2017).
- Sauer, B. B., Kampert, W. G., Neal Blanchard, E., Threefoot, S. A., Hsiao, B. S. Temperature modulated DSC studies of melting and crystallization in polymers exhibiting multiple endotherms. Polymer. 41 (3), 1099-1108 (2000).
- Ali, F., Kumar, R., Lal Sahu, P., Singh, G. N. Physicochemical characterization and compatibility study of roflumilast with various pharmaceutical excipients. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 130, 1627-1641 (2017).
