Um eine möglichst hohe Bioverfügbarkeit zu erreichen, werden pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) häufig in amorphem
Zustand bevorzugt. Amorphe APIs sind aber nur im Glaszustand, d. h. unterhalb der Glasumwandlungstemperatur (Tg) stabil. Oberhalb Tg können sie kristallisieren, was die Bioverfügbarkeit beträchtlich verändern kann.
APIs werden oft aus Lösungen kristallisiert, um eine möglichst hohe Reinheit sicherzustellen. Die Amorphisierung des Wirkstoffs erfolgt anschließend beispielsweise durch Mahlen der Kristalle, wobei die Temperatur des Mahlguts während des Mahlens Tg nicht übersteigen darf. Die Kenntnis der Glasübergangstemperatur von amorphen APIs ist deshalb sowohl aus Sicht der Lagerung wie der Verfahrenstechnik bedeutsam.
Vorteile der Flash-DSC
Um die Glasumwandlungstemperatur eines (kristallinen) Ausgangsmaterials zu bestimmen, muss das Material so rasch geschmolzen und anschließend wieder gekühlt werden, dass keine Zersetzung und auch keine nennenswerte Kristallisation stattfindet. In vielen Fällen reichen die Heiz- und Kühlraten konventioneller DSCs nicht aus. In diesen Fällen empfiehlt sich das Flash-DSC von Mettler Toledo (Bild 1). Mit Heiz- und Kühlraten von maximal 40 000 K/s (Heizen) bzw. 4000 K/s (Kühlen) kann eine Substanz innerhalb von wenigen Millisekunden um mehrere hundert Grad aufgeheizt und wieder abgekühlt werden.
In diesen kurzen Zeitintervallen kann praktisch keine Zersetzung stattfinden. Somit ist es möglich, die Glasübergangstemperatur für kristalline Substanzen zu bestimmen, die sich in einem konventionellen DSC während des vergleichsweise langsamen Aufschmelzens längst zersetzt hätten.
Einsatzbeispiel Prednisolon
Prednisolon ist ein synthetisches Kortikoid, das unter anderem zur Bekämpfung von Entzündungen verwendet wird. Das Glucocorticoid kommt als Anhydrat in zwei stabilen polymorphen Formen und als Sesqui-hydrat vor. Die erwartete fest-fest-Umwandlung zwischen den beiden stabilen Anhydraten sollte zwischen etwa 120 und 130 °C auftreten, wurde aber bisher nicht beobachtet. Die bei Raumtemperatur stabile Form I schmilzt zwischen 236,5 und 239 °C. Die Hochtemperaturform (Form II) schmilzt zwischen 224 und 228 °C. Die Schmelze ist thermisch nicht stabil und zersetzt sich.
Kommerziell erhältlich ist die bei Raumtemperatur stabile Form I.
Für die Experimente wurde Prednisolon Form I von Sigma Aldrich verwendet (P6004, Reinheit 99 %). Die Messungen wurden mit dem DSC 1 und dem Flash-
DSC 1 von Mettler Toledo durchgeführt. Für die Probenvorbereitung im Flash-DSC wurde ein wenig Prednisolon auf einer Glasscheibe verteilt.
Unter dem Binokular des Flash-DSC wurden anschließend geeignete kleine Kristalle identifiziert und auf dem Flash-DSC-Sensor platziert. Im Flash-DSC wurde mit Kühl- und Heizraten von 100 und 1000 K/s gearbeitet. Die konventionellen DSC-Messungen erfolgten mit Heizraten von 0,5, 2 und 10 K/min.
Ergebnisse
In Bild 2 ist das erste Aufheizen einer Prednisolon-Probe (Form I) in einem DSC mit verschiedenen Heizraten (0,5, 2 und 10 K/min) dargestellt. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu ermöglichen, wurden die Messkurven auf die Probenmasse und die Heizrate normiert. Man erkennt, dass die Temperatur der Schmelzpeaks stark von der verwendeten Heizrate abhängig ist. Außerdem ist unmittelbar nach dem endothermen Schmelzpeak ein exothermer Zersetzungspeak erkennbar.
Schließlich unterscheiden sich auch die
Peakflächen der verschiedenen Heizraten
beträchtlich. Diese Befunde lassen sich durch die Zersetzung von Prednisolon während des Aufheizens erklären. Dabei wirken die Zersetzungsprodukte als Verunreinigungen, was zu einer Reduktion der Schmelztemperatur führt. Je mehr Zeit die Probe für die Zersetzung hat (d. h. je kleiner die Heizrate ist), desto größer ist die Verunreinigung und desto tiefer die Schmelztemperatur. Die scheinbare Abhängigkeit der Schmelztemperatur von der Heizrate ist somit eine Folge der Zersetzung während des Aufheizens.
Wird Prednisolon (Form I) im Flash-DSC mit 1000 K/s aufgeheizt, ergibt sich die in Bild 3 rot dargestellte Kurve. Man erkennt einen scharfen Schmelzpeak bei 257,5 °C. Hingegen findet man keinerlei Anzeichen einer Zersetzung. Wird die Probe aus der Schmelze mit 1000 K/s abgekühlt und
anschließend mit 100 K/s aufgeheizt (grüne Kurve) erkennt man eine Glasumwandlung bei 118 °C.
Anschließend kristallisiert das Material. Der Schmelzprozess erfolgt innerhalb der Mess-unsicherheit bei der gleichen Temperatur wie während des ersten Aufheizens (257,2 °C). Bild 4 zeigt die Prednisolon-Probe auf dem Flash-DSC-Sensor vor und nach den beiden Heizläufen. Die Bilder
illustrieren, dass keine Zersetzung stattgefunden hat (die Änderung der Probenform ist auf das Aufschmelzen und Rekristallisieren der Probe zurückzuführen). Die mittels Flash-DSC gefundene Schmelztemperatur entspricht somit der Schmelztemperatur von nicht durch Zersetzungsprodukte verunreinigtem Prednisolon (Form I).
Resümee
Dank der hohen Heizraten, die mittels Flash-DSC erreicht werden können, kann das Schmelzen und Zersetzen von Substanzen, deren Zersetzung mit oder unmittelbar vor dem Schmelzen beginnt, voneinander getrennt werden. Nach raschem Kühlen der nicht verunreinigten Schmelze lässt sich
somit die Glasumwandlungstemperatur derartiger Substanzen bestimmen.
Im Fall von Prednisolon wurde so bei einer Heizrate von 100 K/s eine Glasumwandlungstemperatur von 118 °C gemessen. Prednisolon kann also problemlos bei Raumtemperatur durch Mahlen amorphisiert werden. Allerdings darf die Temperatur während des Mahlens nicht über etwa 112 °C (Onset-Tg) steigen. Auch konnte die Schmelztemperatur der bei Raumtemperatur stabilen
Form 1 von Prednisolon bestimmt werden.
Mettler-Toledo GmbH, Gießen
Halle A2, Stand 101
Autoren:
Yohann Corvis
Université Paris Descartes
Andreas Wurm
Universität Rostock
Christoph Schick
Universität Rostock
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