P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A Wydział Technologii Chemicznej

1

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A Wydział Technologii Chemicznej

ROZPRAWA DOKTORSKA

Badania wybranych właściwości

reologicznych i strukturalnych zawiesin na przykładzie modelowych maści

farmaceutycznych

Mgr inż. Magdalena Kwiecień

Promotor

Dr hab. inż. Barbara Tal – Figiel, prof. nadzw. PK

Poznań 2018

2 Pragnę złożyć serdeczne podziękowania Pani Dr hab. inż. Barbarze Tal – Figiel, prof. nadzw.

PK, Niesamowitej Kobiecie, która otworzyła przede mną świat reologii, uczyła, towarzyszyła i wspierała całym sercem w tej cudownej przygodzie, która poprzez swoją ogromną siłę, wiarę i dobroć przyczyniła się do tego, kim teraz jestem i co osiągnęłam.

Dziękuję z całego serca Panu Dr inż. Wiesławowi Figielowi, Mojej Inspiracji do rozpoczęcia i realizacji marzeń, związanych z farmacją i reologią, Towarzyszowi dyskusji i podejmowania nowych wyzwań naukowych, Przyjacielowi, którego zawsze szczera opinia pozwoliła na osiągnięcie zamierzonych celów.

Magdalena Kwiecień

3

Spis treści

Streszczenie ... 6

Summary ... 7

Wykaz ważniejszych oznaczeń ... 9

Wstęp ... 12

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA ... 15

1.1. Układy rozproszone – ogólna charakterystyka ... 15

1.2. Zawiesiny farmaceutyczne ... 19

1.2.1. Ogólna klasyfikacja zawiesin ... 19

1.2.2. Zawiesina jako postać leku ... 20

1.2.3. Maści typu zawiesin jako przykład zawiesin leczniczych z nienewtonowską fazą ciągłą ... 21

1.3. Wpływ właściwości fazy ciągłej i rozproszonej na preparatykę zawiesin farmaceutycznych ... 23

1.3.1. Lecznicza substancja aktywna – Active Pharmaceutical Ingredient (API) ... 24

1.3.1.1. Charakterystyka aktywnej substancji leczniczej wchodzącej w skład zawiesin (API) ... 25

1.3.1.2. Kontrola wielkości i kształtu cząstek substancji czynnej (API) ... 25

1.3.2. Wielkość cząstek zawieszonych ... 28

1.3.3. Względna proporcja fazy ciągłej i rozproszonej ... 29

1.4. Lepkość zawiesin ... 30

1.4.1. Modele lepkości dla stężonych zawiesin ... 33

1.5. Wybrane właściwości reologiczne niejednorodnych układów farmaceutycznych .... 38

1.5.1. Płyny reostabilne ... 39

1.5.2. Reometry rotacyjne ... 41

1.5.3. Nieliniowe modele reologiczne ... 47

4 1.5.4. Związek pomiędzy właściwościami reologicznymi, lepkością a wybranymi

parametrami fazy rozproszonej zawiesin farmaceutycznych ... 49

1.6. Parametry wpływające na właściwości reologiczne oraz lepkość zawiesin ... 50

1.6.1. Udział fazy rozproszonej ... 50

1.6.2. Kształt cząstki ... 52

1.6.3. Wielkość cząstek i rozkłady ich rozmiarów ... 56

1.6.4. Temperatura ... 57

1.7. Statystyka ... 57

1.8. Podsumowanie studiów literaturowych ... 60

Cel i zakres pracy ... 62

2. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA ... 64

2.1. Wstęp... 64

2.1.1. Zakres prowadzonych badań ... 64

2.1.2. Zastosowane substancje lecznicze ... 65

2.1.3. Zastosowane techniki, aparatura, oprogramowanie i procedury badawcze ... 66

2.2. Preparatyka maści ... 69

2.2.1. Sporządzenie maści typu zawiesin ... 69

2.2.1.1. Przygotowanie substancji aktywnych ... 69

2.2.1.2. Przygotowanie podłoża maściowego ... 70

2.2.1.3. Przygotowanie maści typu zawiesin z kwasem salicylowym oraz siarką ... 70

2.3. Analiza mikroskopowa... 70

2.3.1. Analiza mikroskopowa cząstek substancji aktywnych „przed sporządzeniem” maści ... 71

2.3.2. Analiza mikroskopowa cząstek substancji aktywnej w gotowym preparacie .... 76

2.3.3. Ustalenie zależności pomiędzy wielkością a morfologią cząstek ... 81

2.4. Badania właściwości reologicznych ... 99

2.5. Analiza statystyczna i matematyczna wyników badań maści typu zawiesin ... 101

5

2.5.1. Aproksymacja krzywych płynięcia modelami reologicznymi ... 101

2.5.2. Weryfikacja modeli i parametrów równań reologicznych na podstawie analizy statystycznej ... 106

2.5.3. Ustalenie zależności pomiędzy parametrami równań reologicznych a parametrami morfologicznymi cząstek stałych ... 108

2.5.4. Wyznaczenie wartości ułamka upakowania ... 113

2.5.5. Analiza i weryfikacja równań opisujących lepkość ... 116

2.5.6. Wybór równania charakteryzującego lepkość badanych układów ... 121

2.5.7. Modyfikacja modelu lepkości Quemady ... 125

2.6. Model empiryczny wiążący lepkość maści typu zawiesin z morfologią cząstek leczniczej substancji aktywnej ... 140

Podsumowanie i wnioski ... 143

Dorobek naukowy własny ... 148

Bibliografia ... 152

6

Streszczenie

Niniejsza praca składa się z dwóch części: teoretycznej i doświadczalnej. Część

teoretyczna zawiera przegląd literatury, dotyczący: ogólnej charakterystyki zawiesin

farmaceutycznych ze szczególnym uwzględnieniem maści typu zawiesin; szczegółowego

opisu, podziału i wymogów względem farmaceutycznych układów zawieszonych do użytku

zewnętrznego; analizy doniesień na temat matematycznego opisu właściwości reologicznych i

strukturalnych zawiesin farmaceutycznych do użytku zewnętrznego z twardymi cząstkami ciała

stałego, zawieszonego w nienewtonowskim medium. Część doświadczalna poświęcona była

badaniu wybranych właściwości reologicznych, określeniu lepkości maści typu zawiesin oraz

morfologii zawieszonych cząstek stałych, zarówno przed sporządzeniem maści, jak i w

gotowym preparacie. W pracy zbadano pod kątem właściwości reologicznych 150 próbek

maści z kwasem salicylowym i siarką w wazelinie białej (w badanym zakresie stężeń substancji

aktywnych 5 – 30 % mas.) z uwzględnieniem podłoża maściowego – wazeliny białej. Maści

sporządzono za pomocą miksera recepturowego – UNGUATOR® 2100, Gako Konietzko,

Niemcy. Badania właściwości reologicznych przeprowadzono stosując reometr rotacyjny

Rheostress RS75 z termostatem K15/DC/5, HAAKE, Niemcy z układem pomiarowym stożek

– płytka, głównie w temperaturach 25 °C i 32 °C. W celu przeprowadzenia badań

strukturalnych, zbadano 200 próbek czystych substancji aktywnych (kwas salicylowy, siarka),

wykorzystując mikroskop optyczny Morphologi G3, Malvern, Wielka Brytania oraz

Skaningowy Mikroskop Elektronowy. Na podstawie badań doświadczalnych i analizy

wybranych właściwości badanych układów rozproszonych, ustalono zależności pomiędzy

cechami reologicznymi i lepkością ośrodka nienewtonowskiego oraz całościowo układu, a

podstawowymi parametrami kształtu cząstek zawieszonych, tym samym dokładniej opisano

badane formulacje. Przeprowadzono analizę statystyczną i matematyczną uzyskanych

wyników badań reologicznych, lepkości oraz pomiarów rozkładu wielkości i kształtu cząstek,

maści typu zawiesin z kwasem salicylowym oraz siarką w wazelinie białej, z zastosowaniem

programu Grapher 10 oraz Excel 2016, w którym przygotowano własny arkusz kalkulacyjny

w celu sprawdzenia poprawności wykonanych obliczeń. W pracy zaproponowano własną

funkcję A, stanowiącą modyfikację modelu lepkości Quemady, określającego lepkość

farmaceutycznych, nienewtonowskich układów rozproszonych z cząstkami stałymi o różnym

stężeniu oraz nieregularnej geometrii. Zaproponowaną modyfikację modelu lepkości Quemady

sprawdzono dla zakresu stężeń substancji aktywnych – kwasu salicylowego i siarki w maści od

7 5 % mas. – 30 % mas., w zakresach różnych wielkości (30 – 180 µm) oraz kolistości cząstek fazy stałej od 0 – 1.

Summary

The thesis is composed of two parts: theoretical and experimental. Theoretical part contains literature review concerning: general characteristic of pharmaceutical suspensions, specifically suspension type ointments; detail description, classification and requirements for pharmaceutical dispersed systems for external usage with regard to structure and rheology;

review of reports regarding rheological and structural properties of pharmaceutical suspensions for external usage with suspended hard solids in non-Newtonian medium. Experimental part was dedicated to selected rheological properties, viscosity determination of suspension type ointments and morphology of suspended solid particles, both before and after ointment preparation. In the scope of the thesis, 150 samples of ointments with salicylic acid and sulfur (in the range of investigated concentrations of active ingredients 5 – 30 wt. %) including ointment base – white petroleum jelly, were rheologically examined. Ointments were prepared in pharmaceutical mixer – UNGUATOR® 2100, Gako Konietzko, Germany. Rheological tests were carried out by using rotational rheomether Rheostress RS75 with thermostat K15/DC/5, HAAKE, Germany with sensor cone – plate, mainly in 25 °C and 32 °C. In the aim of structural tests, 200 samples of active ingredients (salicylic acid, sulfur), were examined by optical microscope Morphologi G3, Malvern, Great Britain and by Scanning Electron Microscope.

Based on selected rheological properties analysis of investigated dispersed systems, it was

possible to determine dependencies between rheological properties and viscosity of non-

Newtonian continuous phase and overall system and basic shape factors of suspended particles,

and therefore accurately describe investigated formulations. It was comprising statistical and

mathematical analysis of obtained rheological results and measurements of particles size and

shape of suspension type ointments with salicylic acid and sulfur in white petroleum jelly,

prepared in Grapher 10 program and Excel 2016, which was used for preparation of proper

spreadsheet program to check the correctness of calculations. The proper function A, which is

a modification of Quemada’s viscosity model of pharmaceutical, non-Newtonian systems with

different concentration of irregularly shaped suspended solids has been proposed. The proposed

modification of Quemada’s viscosity model was checked for the range of concentrations of

8

active ingredients – salicylic acid and sulfur in ointments from 5 wt. % to 30 wt. %, in the range

of particle size (30 – 180 µm) and circularity of solid particles from 0 to 1.

9

Wykaz ważniejszych oznaczeń

𝑎 – parametr funkcji proponowanego rozszerzenia modelu lepkości Quemady, [-]

𝐴 - funkcja proponowanego rozszerzenia równania lepkości Quemady, [-]

𝑏 – parametr funkcji proponowanego rozszerzenia modelu lepkości Quemady, [-]

𝐵 – parametr reologiczny, [s

]

𝐶, 𝐶

– stężenie masowe składnika aktywnego, [% mas.]

𝑑 – średnica, [µm]

𝑑

– średnica sita, [µm]

𝑑

– średnica przewidywanego obszaru, [µm]

𝑑

– średnica obwodu, [µm]

𝑑

– średnica powierzchniowa (Heywood’a), [µm]

𝐷

, 𝐷

, 𝐷

– średnice charakterystyczne, [µm]

𝐷

– średnia średnica Sauter’a objętościowo – powierzchniowa, [µm]

𝐷

– średnia średnica de Broucker’a, [µm]

𝐸

– energia aktywacji, [J]

F – siła, [N]

𝐺 – moduł sprężystości postaciowej, [Pa]

ℎ – szerokość szczeliny między płytkami, [m]

𝑘 – liczba szacowanych parametrów modelu, [-]

𝐾 – współczynnik konsystencji, [Pa*s

]

𝑙 – długość, [m]

10 𝑚 – liczba zmiennych objaśnianych, [–]

𝑀 – współczynnik ścinania, [–]

𝑀

– moment skręcający, [Nm]

𝑛 – wskaźnik płynięcia, [–]

𝑛

– liczba pomiarów, [–]

𝑁 – liczba cząstek, [–]

𝑟 – promień, [m]

𝑅 – promień zewnętrzny płytki, [m]

𝑅

– zewnętrzny promień stożka, [m]

𝑅 – stała gazowa, [J/mol*K]

𝑅

– współczynnik determinacji, [–]

𝑆

– powierzchnia cząstki, [m

] 𝑡 – czas, [s]

𝑇 – temperatura, [°C]

𝑈 – prędkość, [m/s]

𝑣

– objętość pojedynczej cząstki, [m

] 𝑉 – objętość próbki, [m

]

𝑉

– objętość cząstki, [m

]

𝑦̂

– wartość teoretyczna zmiennej objaśnianej, [–]

𝑦̅ – średnia arytmetyczna empirycznych wartości zmiennej objaśnianej, [–]

𝑦

– rzeczywista wartość zmiennej objaśnianej, [-]

𝑌 – odległość, [m]

11 𝛼 – kąt nachylenia stożka, [rad]

𝛾̇ – szybkość ścinania, [s

] 𝛾̇

– parametr reologiczny, [s

] 𝜂 – lepkość zawiesiny, [Pa*s]

𝜂

– lepkość rzeczywista (zmierzona), [Pa*s]

𝜂

– parametr reologiczny, [Pa*s]

𝜂

- lepkość podłoża, [Pa*s]

𝜂

– parametr reologiczny, [Pa*s]

𝜂

– lepkość względna, [Pa*s]

𝜂

– lepkość roztworu, [Pa*s]

𝜂

- parametr reologiczny, [Pa*s]

[𝜂] – lepkość rzeczywista [Pa*s]

𝜆 – parametr reologiczny, [s]

𝜏 – naprężenie styczne, [Pa]

𝜏̇ – pochodna naprężenia stycznego względem czasu, [Pa*s

] 𝜏

– granica płynięcia, [Pa]

𝜙 – udział objętościowy cząstek stałych w zawiesinie, [–]

𝜙

– maksymalny udział objętościowy ciała stałego w zawiesinie, [–]

Ω – prędkość kątowa, [rad/s]

12

Wstęp

Modelowanie zawiesin farmaceutycznych z nienewtonowską fazą ciągłą oraz nieregularnym kształtem zawieszonych cząstek stałych, wciąż stanowi wyzwanie pod względem właściwego i całościowego opisu zjawisk zachodzących w owych układach.

Zarówno źródła zagraniczne, jak i krajowe z zakresu farmacji, ograniczają się do ogólnych rozważań na temat poszczególnych grup leków. Z kolei doniesienia reologiczne koncentrują się na typowych przykładach układów dyspersyjnych. W literaturze naukowej widoczny jest brak bezpośredniej relacji pomiędzy farmacją a technologią i inżynierią chemiczną. Praktycznie nie spotyka się modelowania konkretnych postaci leku – maści typu zawiesin, poprzez modyfikacje modeli matematycznych, dokładnie reologicznych i lepkości. W oparciu o przegląd literatury specjalistycznej, traktującej o modelowaniu nienewtonowskich maści typu zawiesin stwierdzono, iż proponowane w niniejszej dysertacji badania i obliczenia mogą znaleźć zastosowanie w projektowaniu konkretnych układów zawieszonych oraz w opracowaniu metod i procedur badawczych w celu kontroli jakości i standaryzacji produktów farmaceutycznych.

Niniejsza rozprawa ukierunkowana jest pod kątem fizykochemicznego opisu zjawisk, zachodzących w zawiesinach farmaceutycznych z nienewtonowską fazą ciągłą, a dokładniej maści typu zawiesin z nieregularną geometrią zawieszonego ciała stałego, uwzględniając zależności pomiędzy właściwościami reologicznymi, lepkością zarówno fazy ciągłej jak i całościowo zawiesiny, a właściwościami fazy rozproszonej.

Do niedawna głównym kryterium oceny półstałych postaci leku do użytku zewnętrznego były testy organoleptyczne. Badania reologiczne, prowadzone przez farmaceutów, ograniczały się jedynie do sprawdzania miękkości, rozsmarowywalności czy przyczepności do skóry preparatu. Najprostszym testem, charakteryzującym konsystencję badanej maści, był, i jest do dzisiaj, test wyciskania z tuby, polegający na określeniu ilości maści, wydostającej się z tuby pod wpływem danego obciążenia. Rozsmarowywalność preparatu wyznacza się na podstawie miary powierzchni, zajmowanej przez maść pod ciężarem odważnika [1, 2].

Mimo, iż jakość produktów farmaceutycznych jest bardzo ważna, dotychczas nie

opracowano żadnej normy, mówiącej, w jaki sposób należy badać półstałe postaci leku, jakimi

są m.in. maści. Farmakopea Polska X (FP X) zaleca jedynie przeprowadzenie,

nieobowiązkowych, badań właściwości reologicznych, takich jak: pomiar konsystencji

13 penetrometrem, pomiar lepkości pozornej oraz uwalnianie substancji aktywnej (aktywnych), bez szczegółowego opisu metody tego badania [1, 3].

Jak dotąd, badania reologiczne przeprowadzano przy użyciu reometrów, wyposażonych w układy cylindryczne, lecz w przypadku badań podłoży maściowych czy samych maści są one zupełnie niepraktyczne [1, 3]. Układy te, wymagają dużej objętości badanej próbki oraz generują liczne błędy pomiarowe, jak i rozbieżności wyników pomiarów, w zestawieniu z innymi czujnikami. W ostatnich latach dużą popularnością cieszą się reometry rotacyjne z czujnikami stożek – płytka i płytka - płytka, które ze względu na szereg zalet, takich jak:

zróżnicowane układy pomiarowe, łatwość i pełna automatyzacja obsługi, mała objętość badanej próbki, możliwość obserwowania zmian, zachodzących w strukturze preparatu podczas pomiaru za pomocą kamer oraz wiele innych, są traktowane jako przyrządy absolutne do badania półstałych form leku [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]. Polska farmacja zaczyna traktować reometrię rotacyjną jako wyznacznik nowej, lepszej jakości półstałych preparatów leczniczych, która ma służyć naszemu dobru i zdrowiu [2, 14, 15, 16].

Postęp w kwestii badań właściwości fizycznych płynów nienewtonowskich (współpraca z wydziałami farmacji oraz firmami farmaceutycznymi, m.in. Pharma Cosmetic Kraków) świadczy o akceptacji przez Towarzystwo Farmaceutyczne niezbędności nauk technicznych, głównie inżynierii i technologii chemicznej, w interpretacji i opisie poszczególnych zjawisk oraz właściwości produktów maściowych [2, 14]. W polskiej literaturze specjalistycznej, szczególnie z zakresu farmacji, wciąż istnieją luki w opisach metod badawczych oraz interpretacji zjawisk, zachodzących w strukturze suspensji leczniczych z nienewtonowską fazą rozpraszającą, do których należą maści typu zawiesin. Przyczyną jest zapewne złożoność zagadnienia oraz kwestia podejścia do tematu. Podstawowym celem inżynierii i technologii chemicznej jest zaprojektowanie metody wytwarzania produktów chemicznych o określonych cechach. Jednym z etapów projektowania jest próba opisu procesów i właściwości mediów modelami matematycznymi, dokładniej reologicznymi 𝜏 = 𝑓(𝛾)̇ i lepkości 𝜂 = 𝑓(𝛾)̇.

Niestety, żaden ze znanych modeli reologicznych nie odnosi się ściśle do

skoncentrowanych układów rozproszonych, składających się z nienewtonowskiej fazy ciągłej

oraz cząstek stałych o nieregularnym kształcie [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24]. Analiza

mikroskopowa, badająca parametry kształtu (shape factors) zawieszonych cząstek ciała

stałego, jest idealnym uzupełnieniem badań właściwości reologicznych, lepkości zawiesin

14 leczniczych. Jednocześnie, stanowi nieodzowny aspekt w celu rejestracji preparatu, zawierającego w swoim składzie elementy stałe, gdzie konieczne jest wykonanie analizy parametrów morfologicznych cząstek stałych oraz badań rozkładu ich wielkości zarówno przed, jak i po sporządzeniu danego preparatu leczniczego. Znajomość rozkładu wielkości cząstek (PSD, Particle Size Distribution) oraz analiza obrazu (IA, Image Analysis) są zapewnieniem najwyższej jakości (QA, Quality Assurance; QC, Quality Control) w wielu gałęziach przemysłu [14, 25, 26, 27, 28].

Stosując metody analizy matematycznej można określić zależności pomiędzy cechami reologicznymi, lepkością ośrodka nienewtonowskiego testowanych maści, podstawowymi parametrami kształtu cząstki zawieszonej, a wielkościami wybranych równań reologicznych i lepkości. Zarówno faza rozpraszająca jak i rozproszona wykazują wpływ na właściwości reologiczne i lepkość układu. Wartości parametrów reologicznych maści, które posiadają tę samą substancję aktywną, a różne podłoża, znacznie różnią się między sobą. Faza ciągła ma duży wpływ na właściwości lecznicze maści, ponieważ zapewnia odpowiednią rozsmarowywalność oraz powinna ułatwiać wchłanianie się leku. Z kolei faza rozproszona, kształt i wielkość cząstek, wpływa na lepkość preparatu. Dla substancji aktywnej o kształcie igły, dynamiczny współczynnik lepkości przyjmuje wyższe wartości, niż dla kuli. Dzieje się tak, ponieważ podczas przepływu, cząstki o nieregularnym kształcie i rozproszeniu, wykazują duży opór własny przeciwko płynięciu, jednak wraz ze wzrostem szybkości ścinania, następuje uporządkowanie przepływu przez ułożenie się cząstek w taki sposób, żeby ich opory przepływu były minimalne . Skutkiem tego jest zmniejszająca się lepkość układu [27, 29].

Niniejsza praca może okazać się pomocna w badaniach kontroli jakości (właściwości

użytkowych, warunków sporządzania i przechowywania) maści typu zawiesin oraz innych

układów rozproszonych prowadzonych przez przemysł farmaceutyczny, i nie tylko oraz

modelowaniu procesów technologicznych, gdzie właściwości reologiczne i lepkość układów

nienewtonowskich zależą od wielkości i kształtu cząstek stałych, które na skutek procesu

zmieniają swoją geometrię, warunkując tym samym jakość produktu finalnego. Dostępne w

programach projektowych modele matematyczne dla układów rozproszonych, ograniczają się

do opisu cząstek kulistych, co nie przyczynia się do właściwej optymalizacji i walidacji procesu

produkcyjnego. Praca może również stanowić podstawę przyszłych, bardziej szczegółowych

rozważań, dotyczących konkretnych procesów produkcyjnych z udziałem układów

15 rozproszonych oraz analogicznego podejścia do wyprowadzenia równań dla innych rodzajów układów rozproszonych.

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1.1. Układy rozproszone – ogólna charakterystyka

Układem rozproszonym określa się układ minimum dwufazowy, w którym jedna faza stanowi fazę zewnętrzną (fazę rozpraszającą, ciągłą, zwartą), w której rozproszona jest faza wewnętrzna (faza rozproszona, faza zdyspergowana). Obie fazy mogą występować w różnych stanach skupienia. Większość dyspersji zaliczana jest do układów polidyspersyjnych, czyli układów o zróżnicowanej, pod względem wielkości cząstek fazy wewnętrznej. Układ o jednakowej wielkości cząstek, nazywany jest monodyspersyjnym, bądź izodyspersyjnym [30, 31].

Dokonując podziału układów rozproszonych, należy uwzględnić średni rozmiar cząstek oraz stan skupienia faz. Istotnym parametrem, określającym stopień rozdrobnienia danej substancji, jest stopień dyspersji. Definiuje się go, jako stosunek powierzchni fazy rozproszonej, do objętości tej fazy. Biorąc pod uwagę stopień dyspersji, układy rozproszone dzieli się na [32]:

 układy o rozdrobnieniu molekularnym, określane inaczej mianem roztworów właściwych, gdzie rozmiary cząstek są mniejsze od 10

m, a stopień dyspersji większy od 10

m

;

 układy o rozdrobnieniu koloidalnym, określane mianem zoli, posiadają cząstki o rozmiarach z zakresu od 10

do 10

m i stopieniu dyspersji 10

– 10

m

. Mikroemulsje, nanocząstki oraz mikrosfery zaliczane są również do koloidów;

 układy grubodyspersyjne o rozproszeniu cząstek w zakresie od 10

– 10

m i stopniu dyspersji 10

– 10

m

;

 układy grubodyspersyjne o rozproszeniu makrocząsteczkowym – rozmiary cząstek

większe od 10

m, stopień dyspersji mniejszy od 10

m

. Grupę tych układów

reprezentują zawiesiny i emulsje.

16 W praktyce, granice pomiędzy wyżej wymienionym grupami nie są zwykle wyraźne, szczególnie, jeżeli dotyczy to stanów fazowych badanych układów oraz kryteriów trwałości.

Rozpatrując stan skupienia faz jako kryterium podziału dyspersji, mogą być one zarówno ciałem stałym, cieczą i gazem, zatem np. ciało stałe może być zawieszone w cieczy, gazie bądź w ciele stałym. Wyjątek stanowi układ złożony z dwóch faz gazowych, który określany jest mianem roztworu rzeczywistego. Nazewnictwo układów związane jest ze stanem skupienia poszczególnych składników rozpatrywanego układu [33].

Podział, dotyczący koloidów określanych zolami, wynika z powinowactwa cząstek fazy rozproszonej do rozpuszczalnika. Na tej podstawie wyróżnia się zole liofilowe, inaczej hydrofilowe oraz zole liofobowe, czyli hydrofobowe. Zole hydrofilowe charakteryzują się dużym powinowactwem do rozpuszczalnika, a tym samym wysoką trwałością dzięki otoczce solwatacyjnej, którą tworzą molekuły rozpuszczalnika zaadsorbowane na powierzchni. Do istotnych właściwości tych układów zalicza się głównie odporność na działanie elektrolitów oraz znaczną rozpuszczalność. Często, koloidy o rozdrobnieniu molekularnym klasyfikowane są do grupy zoli liofilowych, ze względu na podobne właściwości oraz wielkości rozproszonych cząstek. Szczególnym przykładem koloidu jest żel [31]. Struktura żelu powstaje na skutek częstego kontaktu pomiędzy cząstkami rozproszonymi, wynikającego ze znacznej liczby owych cząstek, co prowadzi do wytworzenia postaci sieci przestrzennej w całej objętości.

Swobodne przemieszczanie molekuł fazy rozpraszającej jest wówczas dość ograniczone, wręcz prawie niemożliwe. Proces przejścia zolu w żel nazywa się koagulacją i zwykle jest procesem nieodwracalnym. Peptyzacja określa proces przeciwny do procesu koagulacji. W przypadku układów liofobowych powinowactwo względem rozpuszczalnika jest mniejsze. Powodem tego jest brak otoczki solwatacyjnej na cząstkach oraz obecność warstw ładunków elektrostatycznych stabilizujących układ. Do głównych cech zoli liofobowych należą:

wrażliwość na działanie elektrolitów oraz niska trwałość. Zole metali należą do grupy zoli liofobowych [30, 32].

Wśród metod otrzymywania układów rozproszonych, wyróżnia się metody dyspersyjne

oraz metody kondensacyjne [30, 33]. Filozofia metod dyspersyjnych opiera się na zmniejszaniu

rozmiarów cząstek w obecności fazy ciągłej. Wykorzystuje się w tym celu np. młyny koloidalne

o wysokiej częstości obrotów bądź elektrolizery, gdzie przy udziale prądu o dużym natężeniu,

elektroda ulega rozdrobnieniu na cząstki w rozmiarze koloidalnym. Metoda rozpylania

17 katodowego, polegająca na wytworzeniu łuku elektrycznego pomiędzy metalowymi elektrodami, zanurzonymi w roztworze fazy rozpraszającej, również należy do metod dyspersyjnych. Metody kondensacyjne polegają na chemicznym wytrącaniu cząstek fazy rozproszonej. Z tym, że wytrącone cząstki nie mogą tworzyć agregatów o rozmiarach większych od wielkości cząstek koloidalnych. W przypadku obydwu metod otrzymywania układów rozproszonych, produkty są zwykle zanieczyszczone elektrolitami, które należy usunąć. W tym celu, wykorzystuje się specjalne dializatory.

Płynne układy rozproszone charakteryzują się specyficznymi właściwościami molekularno – kinetycznymi oraz optycznymi, co jest dość rzadko spotykane w przypadku roztworów. Pierwszą właściwością są ruchy Browna, polegające na chaotycznym, termicznym ruchu cząstek substancji rozproszonej w ośrodku dyspersyjnym. Roztwory koloidalne wykazują wrażliwość na zmianę temperatury i lepkości fazy ciągłej. Ruchy Browna są efektem oddziaływań pomiędzy cząstkami a elementami fazy ciągłej, których wypadkowy moment pędu jest różny od zera. Ruchy Browna są tym większe, im mniejsza jest wielkość cząstek.

Generalnie, występują we wszystkich rodzajach dyspersji, jednak szczególnie istotne są w przypadku nanozawiesin [31].

Dyfuzja cząstek w ośrodkach dyspersyjnych jest kolejną właściwością molekularno – kinetyczną. Przyczyną dyfuzji są cieplne ruchy cząstek, podobnie jak w przypadku ruchów Browna. Do dyfuzji w układach rozproszonych dochodzi, podobnie jak w układach molekularnych, pod wpływem różnicy stężeń, co można wyrazić za pomocą prawa Fick’a.

Współczynnik dyfuzji wyznacza się doświadczalnie, bądź z zależności Stokesa – Einstein’a [34, 35, 36, 37, 38].

Sedymentacja, czyli proces opadania cząstek fazy rozproszonej w układzie dyspersyjnym pod wpływem działania sił grawitacyjnych, bądź bezwładności, jest typowym zjawiskiem, występującym w zawiesinach. W celu przyspieszenia procesu sedymentacji, stosuje się ultrawirówki. Zjawisko przyspieszonej sedymentacji wykorzystywane jest do badań kinetyki sedymentacji i równowagi sedymentacyjnej oraz do wyznaczania mas molowych koloidów.

Spośród wymienionych właściwości molekularno – kinetycznych istotną jest lepkość

koloidów. Dyspersje, składające się z cząstek fazy rozproszonej o dużych rozmiarach,

charakteryzują się większą lepkością w odniesieniu do lepkości fazy rozpraszającej. Lepkość

18 koloidów bezsprzecznie zależy od wielkości i kształtu cząstek fazy zdyspergowanej. W celu wyznaczenia lepkości przeprowadzane są głównie badania właściwości reologicznych.

Układy rozproszone wykazują właściwości optyczne, czego dowodzi efekt Tyndalla.

Wiązka światła, padająca na dyspersję, ulega osłabieniu poprzez absorpcję oraz rozproszenie światła na cząstkach fazy rozproszonej, która tworzy niejednorodności w układzie. Światło rozproszone widoczne jest w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku biegu wiązki [32].

W układach rozproszonych istotne znaczenie odgrywają cząstki, znajdujące się na powierzchni międzyfazowej [29, 33]. W odróżnieniu od elementów znajdujących się w głębi fazy, na powierzchni międzyfazowej działa na cząstki asymetryczne pole sił międzycząsteczkowych, którego energia tworzy nadmiarową energię potencjalną. Zjawisko to jest rezultatem różnicy sił oddziaływania pomiędzy identycznymi cząstkami a cząstkami sąsiednich faz. Na tej podstawie, wyróżnia się dwa typy oddziaływań w układach rozproszonych [29]:

 oddziaływania miękkie – oddziaływania występujące pomiędzy cząstkami koloidów, pęcherzykami gazu oraz kroplami. Energia potencjalna oddziaływań wzrasta, gdy zmniejsza się odległość pomiędzy elementami,

 oddziaływania twarde – interakcje pomiędzy cząstkami nie zaliczanymi do koloidalnych. W momencie kontaktu cząstek, energia potencjalna oddziaływań gwałtownie wzrasta, począwszy od zera.

W celu utworzenia nowej interfazy, należy wykonać pracę, która zerwie wiązania kohezyjne na granicy faz. W niektórych układach dyspersyjnych wzajemne oddziaływania cząstek są kwestią pomijalną, ze względu na założenie, iż mogą one jedynie lokalnie zakłócać przepływ. W przypadku koloidów stężonych, powyższe efekty należy uwzględnić.

Biorąc pod uwagę wyżej wymienione oddziaływania, wyróżnia się trzy typy materiałów [29]:

 pasty – w których pomiędzy elementami układów dominują oddziaływania miękkie,

 materiały ziarniste – w których pomiędzy elementami przeważają oddziaływania twarde,

 pasty ziarniste (szlamy) – w których mogą występować zarówno oddziaływania miękkie

jak i twarde.

19 1.2. Zawiesiny farmaceutyczne

Terminem zawiesina w farmacji, niezależnie od wskazania leczniczego, określa się postać leku, w której substancja aktywna (API – Active Pharmaceutical Ingredient) charakteryzuje się mniejszą lub większą rozpuszczalnością, w zależności od udziału fazy stałej.

Zwykle w praktyce inżynierskiej operuje się udziałami objętościowymi, z kolei wśród farmaceutów, często przechodzi się na udziały masowe, szczególnie, w przypadku zawiesin leczniczych.

Opracowanie receptury zawiesiny stabilnej o długim okresie przechowywania wciąż stanowi wyzwanie pod wieloma względami. Elementem kluczowym, w celu sformułowania odpowiedniej receptury stabilnej zawiesiny farmaceutycznej, jest właściwe zrozumienie podstaw, dotyczących układów rozproszonych.

W wielu przypadkach bardzo ważny jest dobór substancji pomocniczych, które zwiększają lepkość oraz zapobiegają agregacji i sedymentacji cząstek fazy rozproszonej.

Parametrem krytycznym jest rozkład wielkości cząstek (PSD – Particle Size Distribution) w finalnym produkcie leczniczym, który istotnie wpływa na biodostępność oraz farmakokinetykę leku, tym samym decydując o jakości preparatu.

Właściwe wykorzystanie metod analitycznych oraz aparatury (analizatory cząstek stałych, lepkościomierze) stanowi nieodzowny aspekt opisu zawiesin farmaceutycznych jako postaci leku [2, 3, 11, 12, 15, 26, 27, 39, 40, 41, 42].

1.2.1. Ogólna klasyfikacja zawiesin

Zawiesiny, określane również mianem suspensji, są to układy dwufazowe, w których cząstki ciała stałego zawieszone są w cieczy bądź gazie. Faza wewnętrzna składa się zwykle z odpowiednio rozdrobnionej substancji aktywnej, którą otacza faza zewnętrzna, zawierająca w swoim składzie substancje pomocnicze. Zawiesiny, stosowane w przemyśle, składają się z wielu komponentów, w tym nawet kilku składników aktywnych [43]. W lecznictwie, ciało stałe jest składnikiem aktywnym w przypadku 90 % leków [26].

Klasyfikacji zawiesin dokonuje się na podstawie wielu parametrów, takich jak: m.in.

kształt i wielkość cząstek fazy rozproszonej, stężenie (często udział masowy, ale udział

objętościowy również) fazy wewnętrznej oraz oddziaływania, zachodzące w mikrostrukturze

20 zawiesin. Podział zawiesin ze względu na kształt zawieszonych cząstek, jest coraz częściej spotykany w literaturze [27, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52]. Uwzględnienie kształtu cząstek stałych w charakterystykach reologicznych, pozwala na modyfikację modeli reologicznych i lepkości w celu uzyskania ich lepszego dopasowania do wyników pomiarów [44]. Wyróżnia się, zawiesiny ze sferycznym oraz nieregularnym kształtem cząstek fazy rozproszonej. Na podstawie wielkości cząstek fazy wewnętrznej, zawiesiny dzieli się na gruboziarniste i koloidy.

Zawiesiny, których cząstki fazy zawieszonej są większe od 1 µm, klasyfikowane są jako gruboziarniste, natomiast pozostałe tworzą układy koloidalne [27]. Biorąc pod uwagę stężenie fazy rozproszonej w ośrodku ciągłym, rozróżnia się zawiesiny rozcieńczone i stężone. Układy, z udziałem objętościowym cząstek stałych równym 0,5 % bądź mniejszym, określane są mianem rozcieńczonych. Zawiesiną stężoną, określa się układ, w którym udział objętościowy fazy stałej jest większy od 0,5 % [29, 41]. Suspensje o wysokim stężeniu zawieszonej fazy stałej są spotykane w wielu branżach przemysłu, świadczy to o szerokim zastosowaniu takich układów [26]. Prezentowane w pracy zawiesiny, zalicza się do grupy stężonych. Podziałowi zawiesin ze względu na stężenie fazy rozproszonej, towarzyszy podział zawiesin, uwzględniający oddziaływania zachodzące pomiędzy cząstkami układu. Ruch cząstek w zawiesinach rozcieńczonych, uzależniony jest od medium, w jakim zostały rozproszone, sił oporu fazy rozpraszającej, a oddziaływania międzycząsteczkowe praktycznie nie występują. W przypadku zawiesin stężonych (gęstych), wyróżnia się dwa rodzaje oddziaływań międzycząsteczkowych: oddziaływania, w których dominują zderzenia cząstek, oraz oddziaływania, gdzie przeważa kontakt pomiędzy cząstkami. Ruch cząstek fazy wewnętrznej zawiesin, w których istotną rolę odgrywają zderzenia cząstek, występuje zazwyczaj w układach, gdzie udział objętościowy ciała stałego jest większy od 0,001, ale mniejszy od 0,1.

Cząstki zderzają się i odbijają w różnych kierunkach, a czas kontaktu pomiędzy nimi, jest bardzo krótki. Oddziaływania cząstek w zawiesinach o udziale objętościowym powyżej 0,1, charakteryzują się częstym kontaktem elementów stałych [41, 53].

1.2.2. Zawiesina jako postać leku

Zawiesiny farmaceutyczne trudno rozpuszczalnych substancji leczniczych stanowią

płynną postać leku, która może być stosowana zarówno ad usum externum (do użytku

zewnętrznego) jak i ad usum internum (do użytku wewnętrznego). Kwalifikują się do układów

dwufazowych, złożonych z równomiernie rozproszonego ciała stałego (w tym substancji

aktywnej) o odpowiedniej wielkości cząstek, oraz fazy ciekłej rozpraszającej [54]. Według

21 obowiązującej Farmakopei Polskiej X, udział fazy stałej w zawiesinie może wynosić od 0,5 % mas. do 40 % mas. ogólnej masy leku [11, 39, 40, 55]. W zawiesinach do użytku wewnętrznego, wielkość cząstek nie powinna być większa niż 30 µm, natomiast do użytku zewnętrznego 90 µm [11, 39, 40, 55]. W celu zwiększenia lepkości fazy ciągłej oraz zapobiegania agregacji bądź sedymentacji zawieszonego ciała stałego, stosuje się substancje pomocnicze. Substancje te, nie powinny wykazywać własnego działania farmakologicznego, ani wchodzić w interakcje ze składowymi leku, bądź powodować obniżenie trwałości leku. Mogą być również stosowane w celu poprawy smaku bądź zapachu preparatu leczniczego [1]. Fazę zewnętrzną w zawiesinach farmaceutycznych stanowią zwykle: woda i roztwory wodne, glicerol, etanol oraz ich mieszaniny z wodą lub olejem [39, 40, 55].

W branży farmaceutycznej pod pojęciem zawiesin rozumiane są również układy lecznicze, w których faza zewnętrzna (rozpraszająca) ma charakter półstały i zaliczana jest do kategorii płynów nienewtonowskich, głównie rozrzedzanych ścinaniem. Przykładem takich preparatów farmaceutycznych są maści typu zawiesin, na których głównie skupiono się w niniejszej rozprawie [40].

1.2.3. Maści typu zawiesin jako przykład zawiesin leczniczych z nienewtonowską fazą ciągłą

Maści są w farmacji jednymi z najczęściej spotykanych rozwiązań, pod względem formy leku, które działają poprzez dostarczenie środka leczniczego bezpośrednio w miejsce docelowe. Zwykle, są stosowane na skórę, rzadziej na błony śluzowe. W swoim składzie zawierają zazwyczaj jedną bądź kilka substancji aktywnych, które mogą być rozpuszczone, zawieszone czy zemulgowane w podłożu maściowym.

Uwzględniając postać fizykochemiczną, maści dzieli się na [40, 55]: maści typu roztwory, zawiesiny, emulsje.

Maści, podobnie jak wszystkie ciała płynne i półpłynne, odkształcają się pod wpływem przyłożonej siły. Opór, jaki stawia badana substancja, to tarcie wewnętrzne (lepkość dynamiczna).

Maści zaczynają płynąć po przekroczeniu pewnej krytycznej wartości przyłożonej siły.

Taka graniczna wartość naprężenia jest nazywana granicą płynięcia. Lepkość maści nie jest

stała w danej temperaturze, maleje wraz ze wzrostem naprężenia stycznego.

22 Maści typu zawiesin są popularnymi formami leku, stosowanymi w farmacji, przede wszystkim ze względu na wykazywaną dużą stabilność układu. Jakość tych preparatów zależy głównie od właściwości fizykochemicznych substancji aktywnej oraz w dużej mierze od fazy ciągłej, w której zawieszona jest owa substancja, określanej mianem podłoża maściowego.

Substancja czynna powinna stanowić od 0,5 % mas. do 40 % mas. oraz nie rozpuszczać się w żadnym ze składników podłoża. W zależności od składu podłoża leczniczego, maść może wykazywać cechy układu dwufazowego bądź wielofazowego [39, 40, 55]. Warunkami, niezbędnymi do zapewniania trwałości maści typu zawiesin, są: jednolitość rozproszenia oraz odpowiednie rozdrobnienie cząstek substancji aktywnej [27]. Wśród maści typu zawiesin wyróżnia się układy, określane mianem past, gdzie stężenie substancji leczniczej przyjmuje wysokie wartości (40 % mas. i wyższe). Pasty wykazują sztywną strukturę układu, a co za tym idzie, niską rosmarowywalność w temperaturze pokojowej. W charakterze substancji aktywnych stosowane są głównie substancje o działaniu ściągającym, przeciwzapalnym, przeciwbakteryjnym, adsorbującym, głównie na podłożach lipofilowych, hydrofilowych, nieco rzadziej emulsyjnych. Pasty, w temperaturze skóry ludzkiej (32 °C), posiadają właściwości plastyczne, dzięki którym preparat może być stosunkowo łatwo rozprowadzony na powierzchni skóry.

Z reologicznego punktu widzenia, pasty są najczęściej układami z granicą płynięcia. Ich preparatyka jest w zasadzie identyczna jak maści typu zawiesin, z tym, że w przypadku zastosowania aparatury laboratoryjnej do sporządzania układów leczniczych rozproszonych, jak miksera recepturowego (unguatora), powinna być nastawiona odpowiednia procedura, uwzględniająca duży udział fazy stałej [2, 39, 55, 56]. Niepożądane jest dodawanie substancji płynnych w trakcie sporządzania past, gdyż mogłoby to spowodować rozrzedzenie konsystencji, co nie jest wskazane, gdyż pasta ma dostarczać wysokie stężenie substancji leczniczej na skórę, dlatego często stosowana jest w przypadku egzem, bądź trudnych do zniwelowania zmian, przerostów skórnych.

W maściach typu zawiesin, podobnie jak w zawiesinach leczniczych, stosuje się

substancje pomocnicze w celu ulepszenia, wzmocnienia działania substancji aktywnej oraz

ogólnie właściwości użytkowych preparatu maściowego. Podłoża maściowe, w których

zawieszone są substancje aktywne i pomocnicze, stanowią większy udział maści, przez co

warunkują właściwości fizykochemiczne preparatu całościowo. Do niedawna, nie

przywiązywano dużej wagi do właściwości reologicznych podłoża maściowego, priorytetem

23 było tylko rozprowadzenie środka leczniczego na skórze. Z kolei, działanie samego podłoża i jego wpływ na szybkość uwalniania substancji aktywnej, stanowiły kwestie drugorzędne.

Stosowane w praktyce podłoża maściowe ograniczały się jedynie do baz tłuszczowych (głównie smalcu wieprzowego). Z czasem pojawiły się podłoża beztłuszczowe, a w ostatnich latach hydro- i oleożelowe [11, 16, 26, 39, 40, 55, 57, 58]. Charakterystykę podłoży maściowych wraz z kompletnymi badaniami maści, w tym właściwości reologicznych, szczegółowo omówiono we wcześniejszych pracach [2, 11].

1.3. Wpływ właściwości fazy ciągłej i rozproszonej na preparatykę zawiesin farmaceutycznych

Do niedawna, maści, w skali recepturowej, sporządzano stosując moździerze porcelanowe, parownice, miski emaliowane oraz pistle. W skali przemysłowej, używane są głównie mieszadła mechaniczne z płaszczami wodnymi. Ogólna procedura postępowania opiera się na przygotowaniu bazy, poprzez wymieszanie składników, a następnie wprowadzeniu substancji czynnej do podłoża, homogenizacji układu i przełożeniu do opakowania, mając na uwadze zalecenia, dotyczące wielkości i udziału masowego cząstek fazy stałej w gotowym preparacie leczniczym.

Obecnie, do sporządzania leczniczych układów rozproszonych w skali recepturowej (aptecznej) stosuje się miksery recepturowe, nazywane również unguatorami, od łacińskiego słowa unguentum, oznaczającego maść. Urządzenia te umożliwiają szybkie przygotowanie różnych postaci leku (emulsje, zawiesiny < 2 % mas., zawiesiny > 2 % mas., czopki, globulki), jak również zapewniają wysoką jakość i czystość produktów poprzez sporządzanie leków bezpośrednio w pojemnikach, w których są wydawane i przechowywane [2, 15, 56].

Pomimo znacznego ułatwienia, w kwestii preparatyki leczniczych układów

rozproszonych w skali recepturowej, w tym zawiesin, nie można jednoznacznie stwierdzić,

który sposób przygotowania postaci leku, jaką jest maść typu zawiesina, jest lepszy: tradycyjny

moździerz i pistel, czy zautomatyzowany unguator? Zdania na ten temat są podzielone, ale

jedno jest pewne, że wpływ sposobu przygotowania zawiesiny na reologię układu, powinien

być uwzględniony i odpowiednio rozważony, jeżeli celem jest stworzenie układu stabilnego

[11, 15, 56, 59].

24 Poza doborem właściwego sposobu przygotowania maści typu zawiesin istnieje szereg warunków, które powinny zostać spełnione w celu zapewnienia najlepszej jakości finalnego produktu leczniczego, tzn. sporządzenie produktu stabilnego, łatwego w użyciu oraz wywołującego pożądany efekt terapeutyczny na chore tkanki. Pod pojęciem stabilność kryją się głównie odpowiednio określone i dobrane właściwości fizykochemiczne substancji czynnej jak i całego preparatu [1, 2, 11, 27, 39, 40, 55].

1.3.1. Lecznicza substancja aktywna – Active Pharmaceutical Ingredient (API) Mianem aktywnej lub inaczej czynnej substancji leczniczej, nazywanej w literaturze fachowej skrótem API od Active Pharmaceutical Ingredient, określa się w farmacji substancję chemiczną, wchodzącą w skład preparatu leczniczego, która wywołuje pożądany efekt terapeutyczny poprzez swoje działanie [27, 55].

W przypadku maści typu zawiesin, substancją czynną są zwykle cząstki zawieszonego

ciała stałego. Od kilku lat, w wielu gałęziach przemysłu, nie tylko farmaceutycznego, gdzie

produkowane są układy zawieszone, zostały wprowadzone ścisłe restrykcje, wymagające

dokładnej charakterystyki cząstek stałych, ich wielkości oraz geometrii [11, 14, 25, 28, 42, 52,

59, 60, 61]. Farmakopee, zarówno polska jak i zagraniczne, podają wymogi, dotyczące

przygotowania, udziału, wielkości i kształtu zawieszonego ciała stałego, jak i rodzaju badań

laboratoryjnych podłoży maściowych oraz produktu finalnego, czyli zawiesiny, które muszą

być spełnione. Badania te obejmują analizę mikroskopową substancji aktywnej bądź innych

(jeśli występują) cząstek stałych oraz badania reologiczne z zastosowaniem metod

wielopunktowych [3, 21, 29, 59, 61, 62, 63, 64, 65], w celu zapewnienia najwyższej jakości i

jej kontroli (Quality Control (QC) i Quality Assurance (QA)). Badania reologiczne

przyczyniają się głównie do określenia stabilności układu, porównania właściwości

użytkowych wyprodukowanych preparatów, zarówno w skali recepturowej jak i przemysłowej,

ustalenia właściwej proporcji pomiędzy fazą rozproszoną a rozpraszającą, doborze

odpowiedniego sposobu przygotowania leku oraz ustalenia szybkości uwalniania substancji

leczniczej i wiele innych.

25 1.3.1.1. Charakterystyka aktywnej substancji leczniczej wchodzącej w skład

zawiesin (API)

Substancja aktywna powinna być fizycznie oraz chemicznie stabilna, tzn. nie powinna rozpuszczać się w fazie ciągłej oraz wchodzić w interakcje z pozostałymi składnikami receptury. Skład zawiesiny powinien być jak najbardziej prosty, a działanie substancji czynnej oraz całej zawiesiny sprecyzowane pod konkretnym kątem terapeutycznym. Substancja aktywna powinna wykazywać to samo działanie oraz właściwości fizykochemiczne, zarówno w formie stałej (przed przygotowaniem preparatu) oraz w gotowym leku. Niestety wiele substancji aktywnych ulega łatwemu rozpuszczeniu w fazie ciągłej, stąd receptura zawiesin farmaceutycznych w porównaniu do innych postaci leku, jest znacznie ograniczona. Dość powszechnym problemem, spowodowanym głównie przez zmiany temperatury przechowywania, są: przesycenie roztworu oraz wzrost kryształów. Zjawisko to może być zahamowane poprzez inhibicję krystalizacji przy użyciu np. odpowiednich polimerów, uwzględniając składniki preparatu [11, 27, 39, 40, 55].

Istnieje cała gama właściwości fizykochemicznych substancji czynnej, które powinny być wyznaczone, rozpatrzone i odpowiednio dobrane, w celu sformułowania receptury stabilnej zawiesiny. Do najbardziej istotnych należą: rozpuszczalność w różnych płynach, stabilność chemiczna substancji aktywnej w formie stałej, stabilność chemiczna substancji czynnej w zawiesinie, właściwości formy stałej substancji aktywnej, jak np. polimorfizm czy punkt topnienia, wielkość cząstek, higroskopijność a przede wszystkim charakterystyki reologiczne oraz lepkość.

Dobra znajomość właściwości fizykochemicznych leczniczej substancji aktywnej, pomaga zarówno w prowadzeniu badań jak i procesie kontroli i produkcji substancji czynnej, jako składnika preparatu leczniczego [27, 39, 40].

1.3.1.2. Kontrola wielkości i kształtu cząstek substancji czynnej (API)

Kontrola wielkości cząstek substancji aktywnej jest bardzo ważna w kwestii stabilności zawiesiny. Dobre zawieszenie i rozproszenie cząstek stałych zapewnia zmniejszenie zjawiska sedymentacji. Jednak, niewłaściwa kontrola wielkości cząstek może mieć dość poważne konsekwencje. Istotny jest dobór właściwej techniki pomiaru rozkładu wielkości cząstek.

Należy pamiętać o założeniach fizycznych poszczególnych metod pomiarowych, szczególnie

26 przy porównywaniu wyników pomiarów z różnych aparatów. Wyniki pomiarów rozkładu cząstek, szczególnie z wykorzystaniem dyfrakcji laserowej, powinny być, w przypadku badań cząstek o nieregularnych kształtach, odniesione do analizy mikroskopowej z możliwością skorygowania wyników pomiarów, uwzględniając geometrię cząstki. W celu uzyskania porównywalnych wyników badań rozkładu wielkości cząstek pomiędzy różnymi technikami i aparatami, stosowane są współczynniki konwersji (conversion factors). Współczynniki konwersji są ustalane na podstawie badań prowadzonych stosując różną aparaturę pomiarową, poprzez dokładne zrozumienie założeń fizycznych poszczególnych technik. Zwykle przyjmują dość złożoną postać matematyczną, która jest sprowadzana ostatecznie do postaci uproszczonej [31, 45, 46, 47, 60, 62, 65, 66, 67, 68, 69, 70].

W „idealnym” świecie wszystkie cząstki są idealnymi kulami, posiadają identyczne właściwości, takie jak: gęstość, skład chemiczny, kolor, optykę. Niestety, w realnym świecie, większość cząstek jest zupełnie od siebie różna zarówno pod względem fizycznym jak i chemicznym, są niesferyczne, mają różne kształty, chropowatość powierzchni i różne rozkłady wielkości [31, 42].

Charakterystyka wielkości cząstki opiera się na jednym bądź kilku wymiarach liniowych, odpowiednio zdefiniowanych w celu uzyskania pełnego opisu cząstki. Wielkość homogenicznych kul definiowana jest za pomocą jednego wymiaru, średnicy. Za pomocą jednego wymiaru można określić również rozmiar sześcianów i regularnych tetraedrów, pozostałe kształty cząstek wymagają zastosowania większej ilości parametrów. Typowa, pojedyncza cząstka jest trójwymiarowym elementem, który można wpisać w prostopadłościan o trzech niezależnych wymiarach:

 grubość h – minimalna odległość pomiędzy dwoma równoległymi płaszczyznami, które są styczne do przeciwległej powierzchni cząstki, z czego jedna jest płaszczyzną o maksymalnej stabilności;

 szerokość b – minimalna odległość pomiędzy dwiema równoległymi płaszczyznami, które są prostopadłe do płaszczyzn wyznaczających grubość i są styczne do przeciwnej strony cząstki;

 długość l – odległość pomiędzy dwiema równoległymi płaszczyznami, które są prostopadłe do płaszczyzn wyznaczających grubość oraz szerokość i są styczne do przeciwległych boków cząstki.

Wymienione wymiary mają wzrastający rząd wielkości h < b < l.

27 Stosowanie dwuwymiarowego lub trójwymiarowego opisu nieregularnych cząstek jest niepraktyczne. Dla uproszczenia i ułatwienia analiz, rozmiary nieregularnych cząstek przedstawia się za pomocą średnich średnic ekwiwalentnych. Pozwala to na wykorzystanie pojedynczego wymiaru, jako kompletnego, chociaż wyidealizowanego parametru wielkości cząstki [31, 71]:

𝑑 = √𝑙𝑏 , (1.1)

𝑑 = 𝑙 + 𝑏 + ℎ

3 , (1.2)

𝑑 = √𝑙𝑏ℎ

, (1.3)

𝑑 = √ 𝑙𝑏 + 𝑙ℎ + 𝑏ℎ

3 ,

(1.4)

𝑑 = 3𝑙𝑏ℎ

𝑙𝑏 + 𝑙ℎ + 𝑏ℎ . (1.5)

W celu opisu cząstek nieregularnych, wykorzystuje się o wiele więcej średnic ekwiwalentnych, które wymagają szczegółowych danych o poszczególnych cząstkach.

Istnieje wiele metod badania wielkości cząstek. Jedną z najlepszych metod badania morfologii cząstek jest statystyczna analiza mikroskopowa. Metoda ta dostarcza również informacji na temat rozkładu wielkości cząstek. Dane generowane z zastosowaniem techniki automatycznej analizy obrazu stanowią uzupełnienie tradycyjnej mikroskopii i techniki dyfrakcji laserowej.

Technika ta informuje o wielkości i kształcie każdej, indywidualnej cząstki, poddanej badaniu.

Analiza wykonywana jest z bardzo dobrą rozdzielczością i czułością, co umożliwia wykrycie pojedynczych sztuk, nawet w bardzo dużej populacji. Metoda ta pozwala na uzyskanie rozkładów liczbowych, zarówno małych cząstek, jak i zanieczyszczeń próbki fazy rozproszonej.

Rozmiary cząstek nieregularnych przedstawiane są również za pomocą

powierzchniowej średnicy ekwiwalentnej (Circular Equivalent Diameter (CE Diameter), 𝑑

[µm], inaczej średnica projekcyjna), która jest średnicą koła o takiej samej powierzchni jak rzut

prostopadły konturów cząstki na podłoże na którym spoczywa ono w położeniu najbardziej

stabilnym, wyznaczanej według następującego wzoru [31, 48, 71, 72, 73, 74]:

28 𝑑

= √ 4𝐴

𝜋 ,

gdzie: 𝐴 – powierzchnia rzutu cząstki.

Rozkłady wielkości charakteryzowane są za pomocą maksymalnych rozmiarów cząstek, określonych dla danej objętości procentowej próbki. Najczęściej występującymi parametrami są średnice 𝐷

, 𝐷

i 𝐷

, gdzie:

a. średnica 𝐷

– maksymalna średnica cząstek, poniżej której występuje 10% objętości próbki;

b. średnica 𝐷

– jest to parametr, określający wielkości cząstek dokładnie w połowie rozkładu. Średnica 𝐷

zwana jest również medianą rozkładu;

c. średnica 𝐷

– maksymalna średnica cząstek, poniżej której występuje 90% objętości próbki.

Oprócz wyżej wymienionych parametrów, często spotykanymi są również:

d. średnica 𝐷

– zwana średnią średnicą Sauter’a objętościowo-powierzchniową, zależy od powierzchni cząstek i w dużym stopniu zależy od obecności drobnych cząstek w rozkładzie ich wielkości [31, 48, 71, 72, 73, 74]:

𝐷

= ∑ 𝑛

𝐷

∑ 𝑛

𝐷

, (1.7)

e. średnica 𝐷

– nazywana również średnią średnicą de Brouckere’a, w przeciwieństwie do średnicy D

odzwierciedla wielkość cząstek, skupiając się przede wszystkim na dużych cząstkach w rozkładzie ich wielkości [31, 48, 71, 72, 73, 74]:

𝐷

= ∑ 𝑛

𝐷

∑ 𝑛

𝐷

. (1.8)

1.3.2. Wielkość cząstek zawieszonych

Wielkość cząstek preparatów leczniczych jest ściśle określona przez Farmakopeę

Polską. W przypadku maści typu zawiesin substancje stałe powinny być zmikronizowane, a

wielkość cząstek nie powinna przekraczać 90 µm [1,11, 39, 40, 55].

29 Wielkość cząstek stałych w preparacie leczniczym warunkuje drogę podania leku oraz pomaga określić niektóre cechy fizykochemiczne. Suspensje, zawierające cząstki o średnicy większej niż 5 µm, nie mogą być stosowane w preparatach do użytku pozajelitowego, bądź do oczu, ze względu na ryzyko powodowania podrażnień. Cząstki o średnicy powyżej 25 µm, mają tendencję do łączenia się w większe zespoły, tworząc aglomeraty. Bardzo drobne cząstki opadając tworzą twardą, zbitą strukturę tzw. „placek” („cake”). Poza zjawiskiem sedymentacji, wielkość cząstek jest istotna szczególnie dla układów stężonych, gdzie dominują oddziaływania cząstka-cząstka, które prowadzą do wzrostu lepkości układu. Cząstki o mniejszej średnicy wywołują większy wzrost lepkości układu, ze względu na większą powierzchnię właściwą w porównaniu do cząstek większych.

Wielkość cząstek odgrywa znaczącą rolę w kwestii biodostępności substancji aktywnej.

Zadaniem zawiesin jest dostarczanie, aplikacja substancji czynnych o niskiej rozpuszczalności.

Absorbcja leku jest ustalana na podstawie szybkości rozpuszczania, zatem mniejsze cząstki wykazują lepszą szybkość rozpuszczania i wydłużają absorbcję leku dzięki większej powierzchni właściwej. W przypadku dozowania preparatu, zawierającego w swoim składzie cząstki stałe, lepszą jednorodność w dozowanym leku uzyskuje się w przypadku zastosowania cząstek o mniejszych rozmiarach [27, 39, 40, 75].

Wiele zawiesin farmaceutycznych zawiera cząstki o różnej wielkości. Wąski rozkład wielkości cząstek (poniżej 10 µm) świadczy o stałej szybkości opadania cząstek, co pozwala na lepszą przewidywalność właściwości zawiesin w przypadku produkcji seryjnej.

Najważniejszą właściwością, warunkującą jakość zawiesiny farmaceutycznej, jest lepkość.

Zgodnie z ogólną definicją, dotyczącą płynów oraz ciał stałych plastycznych, lepkość charakteryzuje tarcie wewnętrzne, wynikające z przesuwania się względem siebie warstw płynu, podczas przepływu [12, 27, 49, 50, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86].

1.3.3. Względna proporcja fazy ciągłej i rozproszonej

Proporcje fazy rozproszonej i rozpraszającej zawiesiny warunkują wielkość dawki

preparatu leczniczego. W przypadku układów ze średnią i wysoką dawką substancji leczniczej

(50 % mas.), udział fazy stałej jest zwykle wystarczający, by stworzyć układ stabilny. Jeśli

chodzi o preparaty z niską dawką substancji aktywnej, gdzie stężenie środka leczniczego jest

zbyt małe, dozwolony jest dodatek drobnodyspersyjny w roli wypełniacza [27, 39, 40].

30 1.3.3.1. Lepkość fazy ciągłej

Wzrost lepkości układu redukuje sedymentację zawieszonych cząstek stałych. W przypadku zawiesin farmaceutycznych istnieją jednak pewne ograniczenia, w kwestii zwiększania lepkości. Preparat leczniczy musi mieć konsystencję, umożliwiającą napełnienie kubka pomiarowego czy łyżki. Jeśli chodzi o maści typu zawiesin, istotne jest, by preparat do użytku zewnętrznego na skórę, wykazywał w temperaturze ciała ludzkiego plastyczność, odpowiednią płynność oraz rozsmarowywalność, umożliwiające łatwe i równomierne rozprowadzenie preparatu leczniczego, dostarczając tym samym pożądaną dawkę substancji aktywnej. Wyznaczenie lepkości ośrodka ciągłego powinno uwzględniać szeroki zakres temperatur i szybkości ścinania oraz zastosowanie metod wielopunktowych ze względu na nienewtonowski charakter podłoży maściowych [2, 3, 39, 40].

1.3.3.2. Lepkość zawiesiny

Lepkość zawiesiny znacznie się różni, w zależności od rodzaju, udziału, wielkości i kształtu zawieszonego ciała stałego.

W przypadku wielu zawiesin leczniczych, lepkość preparatu regulowana jest poprzez dodatek substancji, powodujących jej wzrost. Lepkość zawiesin stężonych jest wyższa od lepkości układów, regulowanych dodatkami drobnodyspersyjnymi. W celu obniżenia lepkości zawiesiny proponowany jest dodatek koloidu o niskiej lepkości, bądź obniżenie stężenia fazy rozproszonej [27, 39, 40, 55, 75].

1.4. Lepkość zawiesin

Lepkość jest właściwością fizykochemiczną, wpływającą zarówno na procesy

transportu i mieszania płynów, jak również, wnikania ciepła i masy. Ponadto jest głównym

parametrem, opisującym właściwości dynamiczne płynów. Lepkość jest określana jako tarcie

wewnętrzne płynu, tzn. polega na występowaniu naprężenia, które zależy od szybkości

odkształcenia. Wykonywana przy tym praca, odbywa się kosztem energii kinetycznej będącego

w ruchu płynu, przekształcającej się częściowo w energię kinetyczną nieuporządkowanego

ruchu cząstek. W przypadku odkształceń postaciowych następuje wzajemne przesuwanie się

równoległych warstw płynu, towarzyszy temu występowanie naprężenia ścinającego

(stycznego).

31 Uwzględniając teorię cząsteczkową, lepkość jest wymianą pędów pomiędzy równoległymi, przylegającymi do siebie warstwami płynu, zachodzącą poprzez przedostawanie się cząsteczek z jednej warstwy do drugiej. Cząsteczki przechodzące z warstwy poruszającej się wolniej do warstwy poruszającej się szybciej, są powodem zmniejszenia pędu warstwy szybszej i na odwrót. Wyższa temperatura powoduje wzmożenie wymiany cząsteczek, a tym samym wzrost lepkości gazu. W cieczy, wzajemnemu ruchowi warstw, przeciwdziałają siły spójności. Ruch cząsteczek jest możliwy dzięki przemieszczaniu się elementów z jednej warstwy do drugiej pod wpływem wzrostu temperatury, co skutkuje w obniżeniu lepkości [32, 33, 34, 35, 36, 38, 92, 93].

Siła = F Prędkość = U

Prędkość = 0 Odległość = Y

Rys. 1. 1. Schemat ścinania płynu pomiędzy dwiema płytami.

Rysunek 1.1. przedstawia ścinanie płynu pomiędzy dwiema równoległymi płytami.

Przestrzeń (objętość) pomiędzy płytami wypełniona jest płynem. Każda płyta ma powierzchnię, równą 𝐴; siła ścinająca wynosi 𝐹; odległość pomiędzy płytami jest równa 𝑌; prędkość górnej płyty wynosi 𝑈, podczas gdy dolna płyta pozostaje nieruchoma, czyli jej prędkość jest 0.

Zakładając, że płyn porusza się z taką samą prędkością jak płyty, poślizg płynu nie występuje.

Naprężenie styczne wywierane na płyn, które jest siłą ścinającą na jednostkę powierzchni przyłożonej wzdłuż dwóch równoległych płyt jest zdefiniowane jako:

𝜏 = 𝐹

𝐴 . (1.9)

Gradient prędkości płynu:

32 𝛾̇ = 𝑑𝑈

𝑑𝑌 = ∆𝑈

∆𝑌 = 𝑑𝛾

𝑑𝑡 , (1.10)

gdzie: 𝛾 – odkształcenie płynu, 𝑡 – czas.

Lepkość dynamiczna może być zdefiniowana jako stosunek naprężenia stycznego względem szybkości ścinania (szybkości odkształcenia), jakiej poddawany jest płyn:

𝜂 = 𝜏

𝛾̇ . (1.11)

Przyłożone naprężenie powoduje ścinanie płynu pomiędzy płytami. Współczynnik proporcjonalności, 𝜂, pomiędzy przyłożonym naprężeniem, a szybkością płynu jest określany lepkością płynu (dynamiczny współczynnik lepkości).

Płyn o wysokiej lepkości wymaga proporcjonalnie więcej naprężenia w celu uzyskania konkretnej szybkości ścinania niż płyn o niskiej lepkości.

Podczas gdy płyny newtonowskie wykazują stałą lepkość w szerokich zakresach szybkości ścinania, szybkość ścinania może pozostać zignorowana. Zachowanie płynów nienewtonowskich różni się wraz ze zmianą szybkości ścinania. W praktyce inżynierskiej, odpowiednie zakresy szybkości ścinania kojarzone są z różnymi zjawiskami procesowymi.

W tabeli 1.1. przedstawiono przykładowo typowe zakresy szybkości ścinania dla

wybranych procesów technologicznych.