Reoloji-Raman Spektroskopisi: EVA/asetaminofen Karışımının Kristalleşmesinin İzlenmesi

Giriş

Bu uygulama notunda, etilen vinil asetat (EVA) ve asetaminofen içerikli maddelerin kristalleşme davranışını izlemek için reometri ve Raman spektroskopisinin birleştirilmiş bir analitik yöntem olarak kullanımı sunulmaktadır. Son birkaç yılda, farmasötik endüstride, EVA’nın biyomedikal mühendislikte ve sıcak eriyik ekstrüzyon (HME) uygulamalarında ilaç salınımı yapan bir eksipiyan olarak kullanılmasına yönelik talep artmıştır. Diğer çalışmalarda gösterildiği gibi, EVA, düşük sıcaklıkta HME için özellikle uygun bir eksipyandır, böylece düşük termal stabiliteye sahip aktif farmasötik bileşenleri (API’ler) işlemeye olanak tanır.

HME, polimer endüstrisinde geniş bir plastik ürün yelpazesi üretmek için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, farmasötik formülasyonların üretiminde HME’nin uygulanması, tabletler, granüller, peletler ve hatta transdermal filmler gibi geleneksel parti işleme yöntemlerine karşı geliştirilen cazip bir alternatif olarak nispeten yeni bir yöntemdir. HME’nin en büyük avantajı, sürekli bir süreç olarak, üretim sürecinin doğrudan çevrimiçi izlenmesi ve kontrol edilmesine olanak tanımasıdır.

HME, geleneksel yöntemlere göre daha kolay bir şekilde çeşitli dozaj formülasyonları üretmekte, ürünün çözünürlük, geliştirilmiş ürün teslimatı ve kontrollü salınım gibi özelliklerini artırmaktadır. HME sırasında, ilgili API ve termoplastik eksipiyan kuru karışımı, ekstrüderler kullanılarak eriyik hale getirilir. İdeal durumda, bu, termodinamik olarak kararlı katı çözeltilerin veya dispersiyonların oluşumuna yol açar ve bu da ürün ömrünün uzatılmasına yardımcı olabilir. Nihai ürün stabilitesini ve API’nin biyoyararlanımını etkileyen önemli bir parametre, termoplastik eksipiyan ve API’nin kristallenmesidir. Termoplastik bir maddenin kristalleşmesi, ısıl olarak ve/veya ekstrüderde uygulanan kesme gerilmeleri ile indüklenebilir, bu nedenle büyük ölçekli HME deneyleri yapmadan önce davranışın araştırılması faydalıdır. Ayrıca, API ve termoplastik maddelerin katı çözeltisinin, üretim adımından sonra termodinamik olarak kararlı kalıp kalmayacağını veya API’nin yeniden kristalleşip kristalleşmeyeceğini anlamak gereklidir. Termodinamik stabilite davranışını laboratuvar ölçeğinde araştırmak için Thermo Scientific™ HAAKE™ MARS™ Rheo-Raman sistemi kullanılabilir. Bu sistem, Thermo Scientific’in iki cihazının entegrasyonudur: HAAKE MARS Reometresi ve DXR3 Flex Raman Spektrometresi, HAAKE MARS Rheo-Raman Modülü aracılığıyla birleştirilmiştir. Bu uygulama notunda kullanılan sistem, Şekil 1’de gösterilmektedir.,

Şekil 1. HAAKE MARS Reometre ve DXR3 Flex Raman Spektrometresi Rheo-Raman sistemini oluşturmaktadır.

Sonuç ve Tartışma

Rheo-Raman sisteminin yeteneklerini göstermek için, saf EVA kopolimer (28% VA) ile asetaminofen (40 ağırlık %) karışımının çeşitli sıcaklık tarama deneylerinde küçük genlikli osilatör kayma (SAOS) sırasında eşzamanlı Raman ve reolojik ölçümler sağlanmıştır. Tüm reolojik testler, 35 mm paralel plaka geometrisi kullanılarak 750 μm boşlukta, %1 deformasyon genliği ve 6.28 rad/s açısal frekansta CD osilasyonunda gerçekleştirilmiştir. Raman spektroskopisi ölçümleri, DXR3 Flex Raman Spektrometresi ve Thermo Scientific OMNIC™ Serisi Yazılımı kullanılarak yapılmıştır. DXR3 Flex Raman Spektrometresi, -50ºC’ye soğutulmuş bir CCD kamera, 3500 ila 50 cm-1 Raman kayması (Stokes) aralığında 5 cm-1 çözünürlükle Raman spektrumları sağlayan bir triplet spektrografı ve 532 nm lazerle donatılmıştır. Örnek üzerinde 10 mW’lik lazer gücü kullanılarak EVA’nın kristalleşme kinetiği izlenmiştir. Lazer, Raman saçılma ve açıklık seçimi spektrometrede yazılım kontrolü ile hizalanmıştır. Kristalleşme kinetiği, 120°C’den başlayarak sürekli olarak izlenmiş ve her 30 saniyede bir spektrum toplanmıştır (5 birikim için 6 saniye pozlama süresi).

Şekil 1’de gösterilen bu hibrid sistem kurulumu, Raman spektrometresi ve bir döner reometrenin, Thermo Scientific RheoScope Modülü’nden modifiye edilmiş optik olarak şeffaf bir taban üzerinden birbirine bağlanmasından oluşan yenilikçi bir entegrasyonu temsil etmektedir. Kurulumun şematik görünümü Şekil 2’de gösterilmiştir.

Saf EVA’nın kristalleşme davranışı üzerindeki sıcaklık etkisini izlemek için, reometrede farklı sıcaklık rampaları çalıştırılmıştır ve bu, Şekil 3’te gösterilmektedir. Üç farklı çalışmanın her biri için, taze örnek 120°C’de reometreye yerleştirilmiştir. Örneğin erimesi için bekleme süresi 10 dakika olup, ardından boşluk sağlanmış ve örnek kesilmiştir. Bir başka 5 dakikalık dengeleme süresinin ardından, sıcaklık 120°C’den sırasıyla 60, 65 ve 70°C’ye kadar 2 K/dakika hızında düşürülmüştür. Son sıcaklığa ulaşıldığında, örnek izotermal olarak başka bir 20 ila 30 dakika boyunca test edilmiştir.

Şekil 3’ten görülebileceği gibi, üç veri seti izotermal aşamaya kadar birbirine uyumludur. 70°C’de, EVA hiç faz geçişi göstermezken, 60°C ve 65°C’de EVA kristalleşme gösterir. Faz geçişi, 60°C’de 65°C’ye kıyasla daha hızlı bir kinetik izler ve daha yüksek G’ değerlerine ulaşılırken, daha küçük bir G’’ değeri ile daha küçük bir sönüm fonksiyonu tan δ (G’’/G’) elde edilir. Şekil 3’te gösterilen davranış, aşağıda açıklanan şekilde eşzamanlı kaydedilen Raman spektrumlarıyla desteklenmiştir.

Şekil 2. Raman spektrometresinden Raman spektrometresinden reometreye giden optik yolun şematik görünümü.

Şekil 3. Saf EVA için zaman ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak G’ ve G”.

Şekil 4. Saf EVA’nın Saf EVA’nın erimiş (mavi spektrum) ve katı haldeki (kırmızı spektrum) Raman spektrumları; ekler en ilginç bölgenin büyütülmüş halini göstermektedir.

Şekil 5. (A) 60, 65 ve 70°C’de EVA için 1060 cm-1/1079 cm-1 yoğunluk oranı ve (B) 1416 cm-1’de normalleştirilmiş pikin yoğunluğu.

Şekil 4, saf EVA’nın 120°C’deki sıvı fazındaki Raman spektrumunu, isothermal kristalleşme sıcaklığına ulaşmak için sıcaklık düşüşüne başlanmadan hemen önce, oda sıcaklığında toplanan katı faz spektrumu ile karşılaştırmalı olarak göstermektedir.

Yukarıdaki yorumlar göz önünde bulundurulduğunda, erimiş polimerin Raman spektrumu, 1416 cm-1 ve 1060 cm-1’deki pikleri göstermemekte, ancak bozulma ve amorf içerik ile ilişkili olarak 1079 cm-1’de belirgin bir pik göstermektedir (Şekil 4). Polietilen için Raman spektroskopisi hakkında daha fazla detay için Thermo Fisher Scientific uygulama notu V286’ya başvurabilirsiniz.

Görüldüğü gibi, Şekil 5A’da, 60°C ve 65°C’de toplanan iki veri setinin 1060/1079 cm-1 yoğunluk oranı (oranın yüksek değerleri, faz dönüşümü ve daha yüksek düzenin bir göstergesidir) faz geçişi zamanında artar ve reolojik verilerle benzerlik gösterir. 60°C’de yapılan izotermal kristalleşme için gözlemlenen daha dik eğim, zincir hizalanma kinetiğinin 65°C’ye göre daha hızlı olduğunu gösterir, bu da tekrar reolojik verilerle uyumludur. 70°C’de ise herhangi bir faz geçişi gözlemlenmez, EVA bu sıcaklıkta erimiş kalır. Kristalin ağırlık fraksiyonu olan Şekil 5B, tıpkı oran gibi aynı davranışı sergiler; ancak 60°C’deki kristalin ağırlık fraksiyonu, 65°C’ye göre yalnızca marginal olarak daha büyüktür.

Tablo 1. EVA28 için EVA28 için ilgili polietilen Raman bantları.

Şekil 6. EVA/asetaminofen karışımına kıyasla saf EVA için zaman ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak G’ ve G”.

EVA’ya %40 asetaminofen eklenmesi, viskoelastik özellikleri ve faz geçişini büyük ölçüde değiştirir (Şekil 6). EVA/asetaminofen karışımı, yalnızca daha yüksek sıcaklıklarda daha yüksek viskoelastik modüller sergilemekle kalmaz, aynı zamanda saf EVA’ya kıyasla 70°C’de bir faz geçişi gösterir. Ayrıca, EVA/asetaminofen karışımı, saf EVA’dan 65°C’de bile daha erken bir geçiş gösterir. Damping fonksiyonu tan değerinin daha küçük olması, eklenen API’nin belirgin kristalleşmeden kaynaklanan genel olarak çok daha kırılgan bir davranışa yol açtığını vurgular.

Şekil 7’de aynı anda toplanan Raman spektrumlarından, reolojik verilerden çıkarılan aynı sonuca varılabilir: Asetaminofen eklenmesi, EVA’nın kristalleşme davranışını etkiler ve 70°C’de bir faz geçişine neden olur. Kristalin pik yoğunluğunun izlenmesi (Şekil 7B) daha fazla bilgi sağlar. Açıkça, eklenen API durumunda, faz geçişi saf EVA’dan 15 dakika daha erken başlar ve izotermal süreç sonunda kristallik derecesi de EVA/asetaminofen eriyik karışımında daha yüksektir.

Raman spektrumu, API’nin morfolojisiyle ilgili bir diğer değerli bilgiyi ortaya koyar, yani HME (Hot Melt Extrusion) işlemi sırasında yüksek sıcaklıklara maruz kalma sonucu asetaminofen’in polimorf formundaki değişiklikler. Şekil 8, saf asetaminofen ile EVA ile karıştırılmış asetaminofen’in kristalleşme sürecinin sonunda elde edilen spektrumlarının karşılaştırmasını göstermektedir.

Saf asetaminofen’in Raman spektrumu (Şekil 8’de mavi spektrum), ticari ürünlerin en yaygın olanı ve en termodinamik olarak kararlı olanı olan monoklinik forma atfedilebilir. İşlemden sonra asetaminofen (kırmızı spektrum) form değiştirmez, ancak spektrumun bazı bölgelerinde göreceli yoğunluklarda ve pik pozisyonlarında hafif farklılıklar gözlemlenir. Bunlar, asetaminofen’in EVA eksipiyanı ile fiziksel etkileşimlerinden kaynaklanıyor olabilir. Mevcut veri seti, kesin bir sonuç sağlamasa da, karmaşık morfoloji ve faz davranışını incelemek için Raman ve reoloji sisteminin faydası açıkça görülmektedir.

Şekil 7. (A) 65 ve 70°C’de EVA ve 70°C’de EVA/asetaminofen karışımı için 1060 cm-1/1079cm-1 yoğunluk oranı ve (B) 1416 cm-1’de normalleştirilmiş pikin yoğunluğu.

Şekil 8. Saf asetaminofen (mavi) ve EVA/asetaminofen karışımının reolojik sıcaklık rampasından sonraki Raman spektrumları (kırmızı).

Özet

HAAKE MARS hyphenated Rheo-Raman sistemi, birçok ilgili ürün parametresini aynı anda elde edebileceğini kanıtlamıştır. Saf EVA, 70°C’de bir faz geçişi göstermemişken, EVA/asetaminofen karışımı sadece bir faz geçişi göstermekle kalmamış, aynı zamanda geçişi saf EVA’dan daha erken, 65°C’de başlatmıştır. Asetaminofen, EVA’nın izotermal kristalleşmesi sırasında bir çekirdeklenme ajanı olarak işlev görür ve bu da EVA/asetaminofen karışımında daha yüksek bir kristalin ağırlık fraksiyonuna yol açar. Reolojik sonuçlar, HME gibi bir formülasyon sürecindeki malzemelerin viskoelastik davranışını anlamamıza olanak tanırken, aynı zamanda polimer ve/veya API’nin morfolojisi hakkında veri elde etmemizi sağlar.

Asetaminofen’in sıcaklık döngüsünden önce ve sonra gözlemlenen Raman spektrumundaki değişiklikler henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Bu değişikliklerin bir polimorf değişikliğine mi yoksa EVA eksipiyanı ile etkileşimlere mi atfedileceğini belirlemek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulacaktır.

Kaynak: ThermoScientific