t f
UNIWERSYTET ŚLĄSKI W KATOWICACH
Instytut Fizyki
Zakład Biofizyki i Fizyki M olekularnej
PRACA DOKTORSK A
Badania dynamiki molekularnej oraz fizycznej i chemicznej stabilności amorficznych form doustnych leków przeciwcukrzycowych
będących pochodną sulfonylomocznika
Żaneta W ojnarowska
Promotor pracy:
Prof. dr hab. M arian Paluch
KA TO W ICE 2012
Serdecznie podziękowania za życzliwość, pośw ięcony czas oraz ogromne wsparcie merytoryczne,
składam Panu Profesorowi dr hab. M arianowi Paluchowi.
Pragnę również podziękować Pracownikom i Doktorantom Instytutu Fizyki UŚ
za owocną współpracę.
Ż.W.
FNP
F u n d a c ja n a rzecz N aufet Polsktej
N in ie jsz a praca zo sta ła w y k on an a w ramach projektu pt. F r o m S tu d y o f M o le c u la r D y n a m ic s in A m o r p h o u s M e d ic in e s a t A m b ie n t a n d E le v a te d P r e s s u r e to N o v e l A p p lic a tio n s in P h a r m a c y , re a liz o w a n e g o w ram ach program u T eam Fundacji na rzecz N au k i P olskiej w sp ó łfin a n so w a n eg o z e środ k ów U n ii E uropejskiej - E urop ejsk iego Funduszu R ozw oju R e g io n a ln e g o w ram ach Program u O peracyjnego In now acyjn a G ospodarka.
INNOWACYJNA GOSPODARKA
N A R O D O W A STRATEGIA SPÓJNOŚCI m
UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO
Sp i s t r e ś c i
Ws t ę p...6
1 Po d s t a w y f i z y k i c i e c z y t w o r z ą c y c h f a z ę s z k l i s t ą... 11
1. 1 Szkło — informacje w s tę p n e ...11
1.2 M etody otrzym yw ania m ateriałów a m o r ficzn y ch ...12
1.2.1 Sposoby am orfizacji substancji le c z n ic z y c h ... 12
1.3 F enom enologia przejścia ciecz — s z k ło ...15
1.3.1 Term odynam iczny aspekt przejścia szk listeg o ... 15
1.3.2 Przejście do fazy szklistej a dynam ika m olek u larn a... 18
2 Me t o d y a n a l i z y f i z y k o c h e m i c z n e j a m o r f i c z n y c h f a r m a c e u t y k ó w...2 4 2.1 A naliza strukturalna i skład ch em iczn y farm aceu tyk ów ... 25
2.1.1 Dyfrakcja rentgenow ska (X R D )... 25
2.1.2 Spektroskopia m agn etycznego rezonansu jąd row ego (N M R ) ...27
2 . 1.3 Spektroskopia w podczerw ieni (F T -1R )... 29
2.2 Badania kalorym etryczne...30
2.3 Badania dynam iki molekularnej am orficznych lek ów w funkcji temperatury i c iś n ie n ia ...32
2.3.1 Podstaw y teoretyczne spektroskopii dielektrycznej (B D S )... 32
2.3.2 BD S - technika pom iarow a...39
2.4 Pomiary czystości i rozpuszczalności farm aceutyków metodą H P L C ... 41
3 Ch a r a k t e r y s t y k a b a d a n y c h m a t e r i a ł ó w... 4 4 3.1 M echanizm działania lek ów opartych na P S M ... 45
3.2 Charakterystyka fizyk och em iczn a badanych le k ó w ... 47
4 B a d a n i a l e k u p r z e c i w c u k r z y c o w e g o I g e n e r a c j i - c h l o r p r o p a m i d u ( c h l ) ... 4 8 4.1 Badania chem icznej stabilności am orficznej form y C H L ...49
4.2 Dynam ika m olekularna CHL w warunkach ciśn ien ia a tm o sfery c zn eg o ... 51
5 Ba d a n i a l e k ó w p r z e c i w c u k r z y c o w y c h II g e n e r a c j i - g l i b e n k l a m i d u (g c m) I CLIKLAZYDU ( G C L )... 5 9
5 . 1 C hem iczna stabilność am orficznych form GCM - w itryfikow anej i k riom ielon ej... 59
5.1.1 Badania stabilności z w ykorzystaniem techniki F T -IR ... 64
5.2 D ynam ika m olekularna oraz fizyczn a stabilność am orficznej form y GCM w ciśnieniu atm osfery czn ym ... 71
5.2.1 M olekularna ruchliw ość fazy przechłodzonej w itryfikow anej próbki GCM ... 71
5.2 .2 Identyfikacja m olekularnego poch odzen ia drugorzędow ych procesów relaksacyjnych G C M ...78
5.2.3 D ynam ika m olekularna oraz fizyczn a stabilność kriom ielonej próbki GCM .. 84
5.3 K inetyka reakcji tautom eryzacji G C M ... 89
5.3.1 Badania z w ykorzystaniem spektroskopii d ielek tryczn ej...90
5.3.2 A naliza z zastosow aniem techniki P V T ...96
5.4 W pływ w y so k ieg o ciśn ien ia na dynam ikę molekularną G C M ...98
5.5 Badania amorficznej postaci gliklazydu (G C L )...103
6 Ba d a n i a g l i m e p i r y d u (g m p) - l e k u p r z e c i w c u k r z y c o w e g o III g e n e r a c j i...1 0 9 6.1 C hem iczna stabilność am orficznej postaci G M P ... 109
6.2 Dynam ika molekularna fazy szklistej i ciec zy przechłodzonej G M P ...1 12 6.3 Kinetyka reakcji transferu protonu w skondensow anej próbce G M P ...1 17 6.4 Czynniki determinujące stabilność fizyczn ą amorficznej formy G M P ... 120
7 An a l i z a p o r ó w n a w c z a r o z p u s z c z a l n o ś c i a m o r f i c z n y c h f o r m P S M ... 1 2 2 8 Po d s u m o w a n i e...1 2 8 Li t e r a t u r a... 131
W
stępCukrzyca je st przew lekłą chorobą charakteryzującą się niedoborem lub niepraw idłow ym działaniem insuliny wytw arzanej przez komórki (3 w y sp Langerhansa trzustki. Ten peptydow y hormon odgryw a zasadniczą rolę w m etabolizm ie w ęg lo w o d a n ó w , um ożliw iając transport glukozy do wnętrza kom órek. K iedy je g o ilość je st niew ystarczająca, cukier pozostaje niew ykorzystany w krw ioobiegu. W takiej sytuacji komórki organizm u
„głodują” co w konsekw encji u n iem ożliw ia ich praw idłow e funkcjonow anie. Oznaką choroby jest poziom cukru w e krwi p rzew yższający 125 bądź 2 0 0 m g/dl, od p ow ied n io na cz czo i dw ie
godziny po p o siłk u 1.
W edług szacunków Św iatow ej O rganizacji Zdrowia (W H O ) ob ecn ie na św iecie żyje aż 250 min osób chorych na cukrzycę. D odatkow o, prognozy na 20 30 rok są przerażające — liczba chorych m oże w zrosnąć naw et do 380 m ilion ów . Cukrzyca stanow i istotny problem rów nież w P olsce. O cenia się, że w naszym kraju schorzenie to dotyka ob ecn ie blisko 2 min osób. W ielce niepokojący je st rów nież fakt, że Polska je st jednym z d ziesięciu krajów całego świata charakteryzujących się najw iększą liczbą osób , u których diagnozuje się tzw . stan przedcukrzycow y, będący początkiem rozwoju w ła ściw e g o schorzenia2. Pojaw ia się w ięc pytanie, j a k sk u te c zn ie \\’a lc zy ć z tą ch o ro b ą ? W p rzeciw ień stw ie do cukrzycy typu I, w której k onieczne są iniekcje insulinow e, w przypadku cukrzycy 2 typu (ang. N o n -in s u lin d e p e n d en t d ia b e te s m e llitu s), stanow iącej 90% w szystkich zachorow ań, stosuje się terapię doustnym i farm aceutykam i. Z uw agi na niski koszt leczenia najpopularniejsze są leki będące pochodnym i su lfon ylom oczn ik a (P S M ), których głów nym zadaniem je st stym ulow anie
kom órek trzustki do zw iększonej sekrecji insuliny.
Jednym z pierw szych lek ów przeciw cukrzycow ch z serii PSM był glipolam id, zsyn tezow an y przez Polaka prof. Z dzisław a B rzozow sk iego - chem ika, pracownika ów czesn ej A kadem ii M edycznej w Gdańsku. W yniki w ieloletn ich badań przedklinicznych i klinicznych pokazały, iż glipolam id to oryginalny lek, nie naśladujący żadnego
•i
z istniejących i skuteczny w leczen iu cukrzycy . D latego też w 1985 R \s. 1 P ro f Zdzisław ro*cu K °m 'sj a L ek ów w W arszaw ie w ydała d ecyzje o je g o rejestracji,
a Starogardzkie Zakłady Farm aceutyczne „P olfa” rozp oczęły produkcję.
Z kolei rdzeń su lfo n y lo m o czn ik o w y (R ys. 2), będący „sercem ” glipolam idu. stał się podstawą do opracow ania kolejnych lek ów PSM w prow adzonych na rynek w późniejszych latach.
N iestety, pom im o tego, iż pochodne su lfon ylom oczn ik a bardzo łatw o przenikają przez bariery b iologiczn e ich biod ostępn ość jest lim itow ana przez słabą rozpuszczalność. N asuw a się w ięc pytanie: C zy m o żn a z w ię k sz y ć d o stę p n o ś ć fa r m a c e u ty c z n ą lekó w p rzec iw c u k rzy c o w y c h , a w k o n se k w e n c ji p o p r a w ić sk u te c zn o ść ich d zia ła n ia ?
N a jn ow sze d oniesienia naukow e pokazują, iż m etodą niosącą za sobą znaczną poprawę rozpuszczalności leku je st am orfizacja substancji leczniczej, polegająca na w ytw orzeniu materiału n ieposiadającego d a lek o za sięg o w eg o uporządkowania charakterystycznego dla kryształu43. Z w ięk szon a rozpuszczalność substancji am orficznych w ynika z faktu, iż m ateriały te charakteryzuje w ięk sza wartość energii sw obodnej Gibbsa w porównaniu z ich odpow iednikam i krystalicznym i.6 N iestety , rów nież z tego sam ego p ow odu, forma am orficzna je st term odynam icznie niestabilna - w trakcie przechow yw ania bardzo często ulega rekrystalizacji, jed n o cześn ie tracąc korzyści płynące ze stanu am orficzn ego.7 Z tego pow odu w chw ili obecnej przeważająca w ięk szo ść substancji leczniczych dostępnych na rynku farm aceutycznym posiada postać krystaliczną. M im o tego, produkcja stałych form lek ów - tabletek i kapsułek, w których substancja leczn icza występuje w form ie am orficznej stanowi jed n o z w ażniejszych zadań, jak ie staw ia przed sobą n o w o cz esn y przem ysł farm aceutyczny. D latego też, celem niniejszej pracy jest w ykonanie badań fizyk och em iczn ych , am orficznych lek ów przeciw cukrzycow ych należących do grupy PSM , m ających na celu określenie ich fizycznej oraz chem icznej stabilności, opisanie ruchliw ości molekularnej cząsteczek oraz porów nanie rozpuszczalności z ich odpow iednikam i krystalicznym i. Z uwagi na fakt. iż grupa su lfon ylom oczn ik ow a. obecna w e w szystk ich badanych farm aceutykach, m oże w ystęp ow ać w postaci izom erów konstytucyjnych, w szy stk ie PSM będą rów nież analizow ane pod kątem tendencji do tautom eryzacji. P ow iązan ie ze sobą w szystkich otrzym anych w y n ik ó w um ożliw i w yłon ienie, z badanej grupy lek ów , substancji charakteryzującej się najw iększą dostępnością
R1
Rys. 2 Rdzeń sulfonylomocznikowy warunkujący działanie hipoglikemizujące. R1 i R2 oznaczają różne typy podstawników chemicznych.
farm aceutyczną, w porównaniu z kom ercyjnym i odpow iednikam i krystalicznym i, a jed n o cześn ie spełniającą rygorystyczne w y m o g i przem ysłu farm aceutycznego.
Jako materiał badaw czy w ybrano substancje leczn icze należące zarów no do I, II jak i III generacji lek ów p rzeciw cu k rzycow ych opartych na grupie su lfonylom oczn ikow ęj tj. chlorpropam id, glibenklam id, gliklazyd oraz glim epiryd. Z kolei w celu otrzym ania am orficznych postaci w ym ien ion ych farm aceutyków zastosow ano (/) witryfikację - najprostszą z poznanych technik otrzym yw ania fazy szklistej - polegającą na szybkim przechłodzeniu uprzednio stop ionego kryształu, oraz (ii) m ielenie m echaniczne w temperaturze ciek łeg o azotu, uw ażane dotąd za „najbezpieczniejszą” m etodę am orfizacji.
P oniew aż znane są przykłady, gdzie topieniu substancji leczniczej tow arzyszy jej rozkład term iczny8, każda z otrzym anych am orficznych próbek była analizow ana pod kątem chem icznej stabilności. M etody fizy k och em iczn e zastosow ane w tym celu to: spektroskopia w podczerw ieni (FT -IR ), spektroskopia m agn etyczn ego rezonansu jąd row ego (N M R ) oraz technika ultraprawnej chrom atografii cieczo w ej (U P L C ). Z kolei w celu zbadania fizycznej stabilności am orficznych PSM zastosow ano w pierwszej k olejn ości szerokopasm ow ą spektroskopię dielektryczną (B D S ), która u m o żliw ia rejestrowanie ruchów cząsteczek w bardzo szerokich zakresach częstotliw ości oraz w różnych warunkach term odynam icznych.
Technika ta je st n iezw yk le użytecznym narzędziem um ożliw iającym określenie tendencji układu do rekrystalizacji p oniew aż uw aża się, iż m olekularna ruchliw ość je st n iezw yk le istotnym czynnikiem determ inującym stabilność lekarstw w stanie am orficznym . D latego też, w niniejszej pracy w ykonana została k om p leksow a charakterystyka dynam iki molekularnej faz przechłodzonej i szklistej analizow anych substancji leczn iczych w różnych warunkach ciśnienia i temperatury. D op ełn ien iem badań je st analiza rozpu szczalności am orficznych leków PSM w ykonana w Zakładach Farm aceutycznych „Polpharma S A ”.
N in iejsza praca p odzielona została na osiem rozdziałów . Pierw szy z nich przedstawia problem atykę zw iązaną z przejściem c iec z-sz k ło tj. m etody otrzym yw ania substancji am orficznych oraz term odynam iczny i dynam iczny aspekt przejścia szk listego. Drugi rozdział zaw iera krótki zarys m etod fizyk och em iczn ych zastosow anych w celu określenia czysto ści oraz fizycznej stabilności am orficznych PSM , a także scharakteryzowania ich dynam iki m olekularnej. W tym m iejscu n ajw iększy nacisk p o łożon y został na op is podstaw teoretycznych szerokopasm ow ej spektroskopii dielektrycznej oraz zjaw isk relaksacyjnych obserw ow anych w cieczach przechłodzonych i szkłach. W kolejnym , trzecim rozdziale scharakteryzowano badane substancje farm aceutyczne. Z kolei dalsza cz ęść pracy
przedstawia w łasn e w yniki pom iarów oraz ich analizę. Rezultaty badań podsum ow ano w rozdziale ósm ym .
Badania zaprezentow ane w niniejszej pracy doktorskiej w ykonano w ramach projektu TEA M Fundacji na R zecz Nauki Polskiej „F rom Stuciy o f M o le c u la r D y n a m ics in A m o rp h o u s M e d ic in e s a t A m b ie n t a n d E le v a te d P ressu re to N o v e l A p p lic a tio n s in P h a rm a c y ”. Rezultaty przeprow adzonych eksperym entów zaprezentow ano na konferencjach m iędzynarodow ych i krajowych, a także sem inariach m iędzyuczelnianych:
❖ 6th International C onference on Broadband D ielectric Spectroscopy and Its A pplications, Madrid, H iszpania (7 -1 0 .0 9 .2 0 1 0 ) “S tu d y o f k in e tic s o f ta u to m e riza tio n p r o c e s s in som e p h a r m a c e u tic a lly im p o rta n t m o le c u lc s — n ew a p p lic a tio n o f B D S ”
♦> X X I N au k ow y Zjazd P olsk iego T ow arzystw a Farm aceutycznego, Gdańsk (1 2 -1 5 .0 9 .2 0 1 0 ) „ T a u to m e ry za c ja lekó w p rze c iw c u k r z y c o w y c h n a p rzy k ła d zie g lib e n k la m id u - d etekcja, m o n ito rin g , z n a c ze n ie a p lik a c y jn e ” (prelegent)
❖ Sem inarium m ięd zyu czeln ian e — T ech n ische Universitat Dortmund (2 3 .1 1 .2 0 1 0 )
" M o le c u la r d ynam ics, p h y s ic a l sta b ility a n d ta u to m e riza tio n p h e n o m e n o n o f g la ss y g lib e n c la m id e d r u g s tu d ie d b y b r o a d b a n d d ie le c tric sp e c tr o s c o p y ” (prelegent)
❖ X Sem inarium K atow icko - K rakow skie „Fizyka Fazy Skondensow anej (2 1 .0 5 .2 0 1 1 )
" T a u to m e ry za c ji a m o rfic zn y c h s u b s ta n c ji le c zn ic zy c h ja k o k lu c zo w y p ro b le m w b a d a n ia ch p r e fo r m u la c y jn y c h ” (prelegent)
❖ 2 nd W orld C onference on P h ysico-C h em ical M ethods in Drug D iscovery and D evelopm en t, 18—2 2 .0 9 .2 0 1 1 , Zadar, Croatia " P h y sic a l in sig h t in to ta u to m eriza tio n r e a c tio n in so m e p h a r m a c e u tic a lly im p o rta n t m o le c u le s ” (prelegent)
W ięk szość w yn ik ó w przedstaw ionych w poniższej pracy opublikow ano rów nież w czasopism ach z listy filadelfijskiej:
❖ Z. W ojnarow ska, K. G rzybow ska, K. A drjanow icz, K. K am iński, M. Paluch, L. H awelek.
R. W rzalik, M. D ulski, W. Saw ick i, J. M azgalski, A . Tukalska T. B ieg - S tu d y o f the A m o r p h o u s G lib e n c la m id e D ru g : A n a ly s is o f th e M o le c u la r D y n a m ic s o f Q u e n c h e d a n d C r y o m ille d M a te ria ł - M ol. Pharm aceutics, 7 (5 ), 1692—1707 (20 1 0 )
❖ Z. W ojnarow ska. P. W łodarczyk, K. K am iński, K. G rzybow ska, L. H aw elek, M. Paluch - O n the K in e tic s o f T a u to m erism in D ru g s - N ew A p p lic a tio n o f B ro a d b a n d D ielectric S p e c tr o s c o p y — J. Chem . Phys. 133, 8 (2 0 1 0 )
❖ Z. W ojnarowska, K. A drjanow icz, K. K am iński, L. H aw elek, M. Paluch, E ffect o f p r e s s u r e o n ta u to m e rs eą u ilib riu m in s u p e r c o o le d g lib e n c la m id e d r u g - A n a ly s is o f fr a g ility b e h a v io r — J. Phys. Chem . B 25, 1 1 4 (4 6 ),1 4 8 1 5 -2 0 (2 0 1 0 )
❖ Z. W ojnarowska. M. Paluch, J. Pionteck - The ta u to m e riza tio n p h e n o m e n o n o f g lib e n c la m id e d r u g m o n ito r e d b y m e a n s o f vo lu m e tric m e a su r e m e n ts — J. Chem . Phys.
135, 2 1 4 5 0 6 ,(2 0 1 1 )
❖ P. W łodarczyk, M. Paluch, Z. W ojnarowska. L. H aw elek, K. K am iński and J. Pilch - T h eo retica l a n d e x p e rim e n ta l stu d ie s o n th e in le rn a l m o b ility o f t w o su lfo n y lu re a a g en ls:
g lib e n c la m id e a n d g lim e p ir id e - J. Phys. C ondense. Matter, 23, 4 2 , 425901 (2 0 1 1 )
Oraz spoza listy filadelfijskiej:
❖ Z. W ojnarowska, P. W łodarczyk, M. Paluch, B r o a d b a n d D ielec tric S p e c tr o sc o p y — A N e w T ool f o r the In v e stig a tio n o f T a u to m eriza tio n a n d M u ta ro ta tio n P h e n o m e n a in O rg a n ie C o m p o u n d s, D ielectrics N ew sletter 25, (201 1)
1 P
o d st a w y fizyki cieczytw orzących fazę szklistą1.1 Szkło - inform acje w stę p n e
Przeglądając dane literaturowe m ożna zn aleźć w iele definicji szkła. Jedna z najbardziej popularnych określa je jak o a m o rficzn e cia ło s ta łe , któ re nie p o s ia d a
u p o rzą d k o w a n e j s tr u k tu r y kryszta łu , ale w yka zu je j e g o w ła sn o śc i m e c h a n ic z n e 9 Przyglądając się strukturze szkła w skali atom ow ej m ożna zauw ażyć, iż cząsteczk i je tw orzące u łożone są w sposób chaotyczny, przypom inając bardziej strukturę cieczy Rys. 1.1 Schem atyczna ilustracja (R ys. 1.1). Warto jednak w sp om n ieć, że położenia
struktury materiału krystalicznego , , , . . . . „
~ atom ow w szk le m e są całk ow icie przypadkowe.
/ amorjicznego.
Jak pokazuje rys. 1.1, m im o braku d alek ozasiegow ego uporządkow ania charakterystycznego dla kryształu w am orficznym ciele stałym istnieje duża korelacja w lokalnym ułożeniu atom ów - każdy z nich ma określoną ilość najbliższych sąsiadów w niem al identycznej o d leg ło ści. Szkła mają w ięc, tak jak kryształy w ysok i stopień uporządkow ania b lisk iego zasięgu , które jest konsekw encją istnienia w iązań chem icznych od p ow iedzialn ych za ich sp ójn o ść. 10
W d zisiejszych czasach szk ło znajduje zastosow an ie w e w szystkich dziedzinach życia.
M ięd zy innymi przy produkcji: opakow ań, szyb okiennych, em alii, glazury, włókna szk lanego, w aty szklanej, czy izolacji cieplnych (szk ło piankow e). M ateriały am orficzne są także coraz częściej stosow an e w op tyce, tech nologiach inform atycznych, m edycynie oraz przem yśle farm aceutycznym . Produkcja stałych form lek ów tj. tabletek i kapsułek, w których substancja lecznicza w ystępuje w form ie am orficznej stanowi jed n o z w ażniejszych zadań, jak ie staw ia przed sobą n ow oczesn a farmacja. D o zalet przem awiających za am orficznymi postaciam i lek ów należy zaliczyć ich p od w yższon ą rozpuszczalność i szybkość rozpuszczania, co m oże z kolei prow adzić do zw ięk szen ia dostępności farmaceutycznej substancji czynnej, a w konsekw encji do popraw y jej biod ostępn ości. A ccolate^ (zafirlukast), Ceftiń* (aksetyl cefuroksym u), A ccuprillW (chlorow odorek chinaprilu), czy insulina to tylko niektóre przykłady lek ów dostępnych ju ż na rynku zaw ierających w składzie amorficzne substancje cz y n n e. 11
Kryształ Szkło
1.2 M etody otrzym yw an ia m a teria łó w am orficznych
Przez długi czas sądzono, iż w postaci am orficznej m ożna otrzym ać tylko ograniczoną liczbę m ateriałów. O becnie jednak w iadom o, że zd o ln ość do tw orzenia szkła je s t niem al uniwersalną w łasn ością materii. K luczem je st je d y n ie dobór odpow iedniej m etody am orflzacji, takiej która um ożliw i skuteczną transformację kryształu do fazy szklistej.
Najstarszą a zarazem najbardziej rozpow szech n ioną techniką otrzym yw ania m ateriałów am orficznych je st izobaryczne ch łod zen ie cieczy . Z godnie z teorią D.H . Tum bulla przedstawioną w I969r „ n ie m a l w szystkie m a te r ia ły m o żn a o trzy m a ć w p o s ta c i cia ła a m orficzn eg o , je ś li zo sta n ą d o sta te c zn ie szy b k o o c h ło d z o n e ” n Co ozn acza „ s z y b k o ”!
Tak, aby nie dopuścić do uform ow ania się zarodków krystalizacji. Istotne je st, że tem po chłodzenia je st sp ecyficzn ą cechą każdej substancji. Przykładow o przeprow adzenie metalu, który charakteryzuje się dużą tendencją do tw orzenia regularnej struktury krystalicznej, w postać szkła m etaliczn ego w ym aga och łod zen ia układu o o k o ło 1000 K w ciągu 1 m ilisekundy. Tak w y so k ie tem po schładzania (o k oło 106K /s) nie je st konieczn e do otrzymania szkła k rzem ow ego, gdzie w ystarczająca je s t szyb k ości ochładzania równa I0"5 K/s. O prócz opisanej techniki am orfizacji w celu otrzym ania materiału szk listego stosow anych je st rów nież w iele innych m etod takich jak izoterm iczne ścisk anie cieczy , ablacja laserowa cz y też resublim acja pary na cienkiej pow ierzchni (z ang. v a p o u r d ep o sitio n ). M ożem y tu rów nież w ym ien ić żelo w an ie oraz w ytrącanie materiału am orficznego bezpośrednio z roztworu, podczas których faza am orficzna otrzym yw ana je st w wyniku reakcji ch em iczn ej, a nie je st w m u szon a term icznie jak to m iało m iejsce w e w cześn iejszych przykładach.
Z uwagi na to, iż niniejsza praca d otyczy am orficznych m ateriałów istotnych z farm aceutycznego punktu w id zen ia, w tym m iejscu bardziej szc z e g ó ło w o o m ó w io n e zostaną jed y n ie m etody am orfizacji substancji leczn iczych .
1.2.1 S posoby am orfizacji su b stan cji leczn iczych
D o najpopularniejszych m etod otrzym ania substancji leczniczej w form ie am orficznej stosow anych w przem yśle farm aceutycznym zaliczam y:
• hartowanie stopionej substancji tzw . witryfikacja,
• odparowanie rozpuszczalnika (w tym su szen ie ro zp yłow e lub liofilizacja),
• m echaniczne m ielenie kryształów .
• od w od n ien ie h ydratów .Ij
P ierw szy z p ow yższych sp osob ów p olega na szybkim przechłodzeniu uprzednio stop ion ego kryształu (ang. ą u e n c h co o łin g ). Jest to technika najprostsza spośród w ym ien ion ych , jednak nie za w sze m oże zostać zastosow ana. Pow odem tego je st fakt, iż częstym zjaw iskiem tow arzyszącym topieniu krystalicznej substancji leczniczej je st jej rozkład ch em iczn y. P on iew aż z punktu w id zen ia farm aceuty n iezw yk le istotna jest czy sto ść substancji leczn iczej, ob ecn ość naw et niew ielkiej ilości produktów degradacji term icznej jed n ozn aczn ie d yskw alifikuje w itryfikację, jak o m etodę otrzym ania amorficznej postaci leku. D latego też, stosow an ie tej m etody je st ograniczone jed y n ie do próbek
stabilnych ch em iczn ie, w temperaturze topnienia.
N ieb ezp ieczeń stw a rozkładu am orfizow anęj substancji unikamy w przypadku liofilizacji (ang. fr e e z e d ry in g ) oraz suszenia ro zp yłow eg o (ang. s p r a y d ryin g ). C echą w sp ólną tych technik je st k on ieczn ość rozpuszczenia substancji leczniczej. Z kolei różnica tkwi głó w n ie w sp o sob ie odparowania rozpuszczalnika.
W przypadku liofilizacji, będącej procesem suszenia sublim acyjnego, rozpuszczalnik usuwa się pod zm niejszonym ciśn ien iem w obniżonej tem peraturze. 14 N atom iast podczas Rys. 1.2 Przemysłowa su szen ia rozp yłow ego płynną substancję dysperguje suszarka rozpylowa. się w kom orze suszarni, przez którą przepływ a jed n ocześn ie gorący czynn ik su szący (np. pow ietrze bądź azot). W efekcie następuje gw ałtow n e odparow anie rozpuszczalnika z kropel (m gły ), które w ten sposób zam ieniają się w drobiny proszku opadające na dno kom ory (R ys. 1.2). O pisana metoda je st jedną z najczęściej w yk orzystyw an ych technik otrzym yw ania am orficznych substancji leczn iczych na skalę p rzem ysłow ą. 15 G łów n ie dlatego, iż charakteryzuje się stosunkow o niskim (np. w porównaniu do liofilizacji) nakładem energetycznym , a także pozw ala na u ży cie dużej liczb y rozpu szczalnik ów lub ich m ieszanin, nie w ykluczając tych łatwopalnych o niskich temperaturach wrzenia. Pom im o tego, że su szen ie rozpyłow e należy do najbardziej uniw ersalnych m etod w ytw arzania układów am orficznych niekiedy technika ta musi zostać zastąpiona przez inną, nie w ym agającą rozpuszczenia substancji. Ma to m iejsce szczególn ie w tedy, gdy lek rozpuszcza się jed y n ie w odczynniku, który nie został dopuszczony do procedur preform ulacyjnych. N ajprostszą alternatywą w takich sytuacjach je st m echaniczne m ielenie substancji krystalicznej. 16 Technika ta jest p ow szech n ie stosow ana
przez firmy farm aceutyczne w celu redukcji w ielk o ści ziaren substancji leczn iczych , poniew aż z reguły materiał w postaci m ikronow ych cząsteczek charakteryzuje się n ieco lepszą rozpuszczalnością niż substancja nie poddana rozdrobnieniu. O dpow iedni dobór warunków m ielenia tj. m.in. czasu i temperatury procesu m oże doprow adzić do częściow ej bądź całkow itej am orfizacji m ikronizow anego materiału. O becnie na rynku dostępnych jest kilka rodzajów urządzeń służących do m ikronizacji jednak najczęściej w ykorzystyw anym i
są tzw . m łyny k u low e (plenarne lub w ibracyjne).
Proces rozdrabniania następuje w nich na skutek uderzeń kul w m ielon y materiał oraz poprzez tarcie substancji p om ięd zy kulami a ścianam i naczynia (R ys. 1 .3 )17. Warto iż efek ty w n ość tego procesu Kule
n p . a g a to w e , ze s ta li n ie r d z e w n e j lu b t le n k u c y r k o n u
M ielona substancja
Rys. 1.3 Schemat typowej kom ory młynka planarnego.
zaznaczyc
uzależniona je st przede w szystkim od w ielk o ści i ilości kul, często tliw o ści ich uderzeń, a także od stopnia w yp ełn ien ia naczynka rozdrabnianym m ateriałem . — im w ię k sz y je st stosunek m asy kul do m asy m ielo n eg o proszku tym efek ty w n iejsze rozdrabnianie. O pisyw an y proces m ielenia odbyw a się z reguły w temperaturze p okojow ej. Jednak w w yniku inten syw n ego ruchu kul energia term iczna układu rośnie co prowadzi do lokalnych w zrostów temperatury i ogrzew ania m ielon ego materiału. W k onsekw encji istnieje n ieb ezp ieczeń stw o degradacji termicznej rozdrabnianej substancji. Ponadto, dane literaturowe pokazują, że m ielenie odbyw ające się pow yżej temperatury zeszk len ia m ikronizow anego materiału m oże indukow ać je g o przem iany p olim orficzne. D latego też, w celu otrzym ania czystych substancji am orficznych coraz częściej m łyn y k u low e zastępuje się k riogenicznym i, w których m ielen ie odbyw a się w temperaturze ciek łeg o azotu. 18 M echanizm rozdrabniania materiału w teg o typu
m łynku je st n ieco inny n iż opisany p ow yżej, a m ian ow icie p olega na ruchach trzpienia, w yk on anego z m agnetycznej stali nierdzew nej, p om ięd zy d w om a biegunam i elektrom agnesu um ieszczon ym i na p rzeciw ległych końcach podłużnego naczynka zw an eg o tubusem (R ys. 1.4).
W odróżnieniu od m ielenia k u low ego rozdrabniana próbka je st cały czas utrzym ywana w niskiej temperaturze co zab ezpiecza ją przed przegrzew aniem na skutek energii generowanej podczas ruchów trzpienia. D od atk ow o w takich warunkach m ielon y materiał
T rzpień
M ie lo n a substancja
- J - m
Bieguny e le k tro m a g n e s u
Rys. 1.4 Schemat naczynka do mielenia kriogenicznego (firmy Spex).
staje się bardziej kruchy i twardy co sprawia, że rozdrabnianie kriogeniczne jest szyb sze i zd ecyd ow an ie bardziej efek tyw n e, niż to przeprowadzane w temperaturze p okojow ej. 19 P rzykładow o m ielenie indapamidu. p ow szech n ie stosow an ego leku m oczopędnego, w temperaturze pokojow ej zapew nia am orfizację materiału po 5 godzinach trwania procesu, podczas gdy k riom ielen ie prowadzi do zeszk len ia próbki zaled w ie po 45 minutach.
Przez w iele lat m ielenie kriogeniczne uw ażane było za całk o w icie „bezpieczną”
m etodę am orfizacji. Stanow iło zatem alternatywę dla w itryfikacji cz y też liofilizacji, które w ym agają użycia próbek stabilnych term icznie i ch em iczn ie. Jednak całkiem niedaw no badania furosem idu, jed n eg o z p odstaw ow ych lek ów m oczopędnych dostępnych na rynku, pokazały że rów nież m ielenie w temperaturze ciek łeg o azotu m oże aktyw ow ać, a nawet przyspieszać, zm iany w strukturze chem icznej m ielon ego m ateriału.-0 D latego też.
n iezależn ie od rodzaju zastosow anej m etody, am orficzne farmaceutyki pow inny być dokładnie testow ane przed rozpoczęciem procesu produkcyjnego.
W niniejszej pracy w celu otrzym ania am orficznych form leków p rzeciw cu k rzycow ych w ykorzystano m etody izobarycznego schładzania, izoterm icznej kompresji oraz m ielenia w warunkach kriogenicznych przy w ykorzystaniu m łynka o typie 6 6 7 0 firm y SPEX .
1.3 F en om en ologia p rzejścia ciecz - szk ło
T erm odynam iczny i kin etyczn y w ym iar przejścia m iędzy cieczą a szkłem tworzą łączn ie jeden z najw ażniejszych, a zarazem najciekaw szych, problem ów fizyki fazy skondensow anej. S zcz eg ó ln ie dlatego, iż badania ciec zy przechłodzonych oraz przejścia szk listeg o mają bardzo istotne zn aczen ie dla w ielu dziedzin nauki i techniki. N iestety, mimo w ielu lat badań jak dotąd nie istnieje jed en , w pełni zadow alający, opis przejścia do fazy szkła. Podrozdział ten zaw iera krótką charakterystykę najw ażniejszych term odynam icznych i dynam icznych asp ek tów tego zjaw iska przedstaw ianych w literaturze.
1.3.1 T erm od yn am iczn y a sp e k t przejścia szk listeg o
Jak pokazano w poprzednim podrozdziale najprostszą m etodą otrzym ania materiału am orficzn ego je st och łod zen ie ciec zy zn acznie poniżej jej temperatury topnienia w taki sposób, aby uniknąć krystalizacji. A by dokładniej przeanalizow ać efekty term odynam iczne tow arzyszące schładzaniu substancji od fazy ciekłej, aż do etapu ciała stałego posłużono się
rys. 1.5 przedstawiającym temperaturowe zależn ości objętości (V ) i entalpii (H ) (panel a) oraz ich pochodnych tj. w sp ółczyn n ik a rozszerzalności termicznej a p — V ~ '( d V / d T ) r i ciepła w ła ściw e g o C P = ( d H / d T ) p (panel b).
t e m p e r a t u r a t e m p e r a t u r a
Rys. 1.5 Panel (a) przedstaw ia schematycznie zależność objętości układu i je g o entalpii od temperatury. T,„jest temperaturą topnienia (krystalizacji). Wielkości Tg/ i Tg2 oznaczają temperatury przejść szklistych dla dwóch różnych szybkości chłodzenia T / ’ i T2’. Sym bol TK oznacza temperaturę Kauzamnna. Ilustracja zaczerpnięta z pracy [21]. Panel (b) przedstaw ia temperaturową zależność współczynnika rozszerzalności termicznej ap oraz ciepła właściwego Cp.
Podczas schładzania w ięk szo ść ciec zy zm niejsza w sposób ciągły sw oją ob jętość by w pewnej charakterystycznej temperaturze (T m) przejść do stanu krystalicznego. D zieje się tak, przy dostatecznie pow olnym tem pie ch łodzen ia T f = d T / d t , um ożliw iającym pow stanie i rozrost zarodków fazy krystalicznej. P on iew aż krystalizacja k lasyfik ow an a je st jako przejście fazow e p ierw szego rodzaju zazw yczaj przejawia się nagłym , n ieciągłym spadkiem objętości. Jednak znane są rów nież materiały takie jak np. w oda, których objętości zw ięk sza się podczas krystalizacji. P on iew aż proces nukleacji zajm uje pew ien czas, przy dostatecznie wysokiej wartości T ' , m o żliw e je st p rzech łod zenie c iec zy poniżej T m. D alsze obniżanie temperatury prowadzi do przejścia c iesz -szk ło m an ifestow anego przez charakterystyczną zm ianę nachylenia zależn ości V (T ). Poniżej temperatury zeszk len ia (T g), g d zie struktura materiału je st ju ż praktycznie „zam rożona”, obserw ujem y jed y n ie n iew ielk ą zm ianą objętości próbki tow arzyszącą chłodzeniu (m ałe nachylenie krzywej V (T )). O dzw iercied la to fakt, iż wartość w sp ółczyn n ik a rozszerzalności term icznej dla ciała stałego (ap), w tym przypadku szkła, je st m niejsza n iż ta w yzn aczon a dla c ie c z y przechłodzonej (R ys. I.5b) .9
N a pierw szy rzut oka przemiana c iec z-sz k ło przypom ina term odynam iczne przejście fazow e drugiego rodzaju. Spełniony je st bow iem p ierw szy warunek Ehrenfesta d otyczący ciągłości pierw szych pochodnych funkcji term odynam icznej G ibbsa, od p ow ied n io w zględ em
ciśn ien ia i temperatury, tj. objętości V = {d G d p ) r i entropii S ~ —{ d G d T \ r, w pobliżu przejścia szk listego . Jednak zm iany w sp ółczyn n ik a ap oraz ciepła w ła ściw e g o Cp w obszarze zeszk len ia nie są sk ok ow e (tzn. n ieciągłe), jak być pow inno w przejściu fazow ym drugiego rodzaju, lecz następują w sposób ciągły w pew nym w ąskim zakresie temperatur. W związku z tym często opisuje się fen om en olog ię przejścia m ięd zy cieczą , a szkłem jako rozmyte przejście fa zow e drugiego rodzaju. Jednak n ajnow sze dane literaturowe pokazują, iż próby klasyfik ow an ia przejścia szk listego jako term odynam icznej przem iany fazowej nie są do końca poprawne z uwagi na to, że temperatura w jakiej odbyw a się zeszk len ie zależy od eksperym entalnego tem pa ch łodzen ia - przy pow olnym c iec z przechodzi w szkło w temperaturze niższej (T g(i)), niż ma to m iejsce p odczas szy b k iego obniżania temperatury (T g(2)). Takie zachow anie, zależne od czasu, je st konsekw encją kinetycznej natury procesu w itryfikacji.22 Z m ik rosk opow ego punktu w id zen ia zjaw isko form ow ania się fazy szklistej m ożna opisać następująco. Podczas ch łodzen ia próbki, gdy czas relaksacji strukturalnej w yd łuża się osiągając wartości rzędu kilkuset sekund w pobliżu przejścia szklistego, m olek u ły ciec zy przechłodzonej przegrupowują się, aby osiągnąć n ow y stan rów now agi.
B ęd zie to m o ż liw e tylko w tedy, gdy czas potrzebny na ich reorganizację okaże się być krótszy, niż skala czasow a zw iązana ze zm ianą temperatury. Innymi sło w y , przy niew ielkim tem pie ch łodzen ia T ' cząsteczki będą m iały szansę kontynuow ać przegrupowanie i w konsekw encji osiągną stan rów now agi w n iższych temperaturach (n iższe Tg).
W przeciw nym wypadku tj. gdy tem po zm ian temperatury będzie w ysok ie, przegrupowanie m olekuł nie będzie kom pletne, a co za tym idzie w ielk ości m akroskopow e, takie jak np.
objętość, będą różniły się od w artości rów n o w a go w y ch .2’ W tym m iejscu warto zw rócić u w agę na fakt, iż w spom niany stan rów now agi cząsteczek w fazie przechłodzonej w rzeczy w istości nie je st nim w precyzyjnym ujęciu term odynam icznym . Jak pokazuje rys.
1.6 trwała rów now aga układu, zapew niana przez m inim alną wartość potencjału term odynam icznego (G ), m ożliw a je st jed y n ie w krysztale.6
S z k ło (sta
? f \
i i i i i
niestabilny) C ie c z p rzęch lo d zo n a (stan m etastabilny)
: i ' • V \ /
i J I ^nuw
K r y s z t a ł ■ \
(tr w a ła ró w n o w a g a ) w ( i^cz
Rys. 1.6 Temperaturowa zależność potencjału
termodynamicznego (G) w warunkach
izobarycznych. Ścieżka (1) przedstaw ia zmiany energii towarzyszące standardowej metodzie otrzymywania fa z y szklistej tj. witryfikacji, podczas gd y (2) oznacza przejście do stanu szklą np.
z użyciem m etody mielenia. Rysunek zaczerpnięto z pra cy [6].
te m p e r a t u r a
C iecz przechłodzona je st natom iast w rów now adze m etastabilnej. Jeśli podczas ch łodzen ia próbki zaczną się w niej tw orzyć zarodki krystalizacji oznacza to, że energia nukleacji Enuki, będąca barierą potencjału term odynam icznego oddzielającą m etastabilny stan ciec zy przechłodzonej od rów n ow agow ego kryształu, je st w tym przypadku n iew ielka. Jednak dopóki w ciec zy przechłodzonej nie uform ują się zarodki krystalizacji m ożna ją traktować jako układ rów now agow y. Z kolei szk ło je st generalnie układem term odynam icznie niestabilnym , charakteryzującym się najw iększą w artością energii sw obodnej Gibbsa.
O znacza to, że je g o m olek u ły ulegają bardzo w oln ym , ciągłym przegrupow aniom , dążąc do osiągnięcia en ergetyczn ego m inim um lokalnego. C hociaż układ am orficzny nie je st stanem term odynam icznie rów now agow ym w ie le m ateriałów m oże utrzym yw ać się w nim bardzo długo. T ego typu substancje stanow ią n ajw d zięczn iejszy obiekt badań p rocesów tow arzyszących tworzeniu się fazy szkła. Problem em pozostaje je d y n ie ustalenie punktu, dla którego m ożna by uznać strukturę c ie c z y za zam rożoną. M etod y eksperym entalne najczęściej w ykorzystyw ane do w yznaczen ia temperatury zeszk len ia oparte są na pomiarach dylatom etrycznych i kalorym etrycznych. W dylatom etrii m ierzym y tem peraturow ą za leżn o ść objętości (jak na rys. 6a), a za temperaturę przejścia szk listego przyjm ujem y punkt przecięcia prostych pochodzących z ekstrapolacji zależności V (T ) w fazie ciekłej i szklistej.
W analogiczny sposób w artość Tg m ożna otrzym ać z pom iarów kalorym etrycznych, p oniew aż temperaturowa zależn ość entalpii w ykazuje podobny charakter co linia V (T) .24 Alternatyw na m etoda w yznaczen ia Tg oparta je st na analizie tem peraturowych zależn ości pochodnych V (T ) i H(T). Temperatura zeszk lenia je st w tedy d efin iow ana jak o ta przy której obserw uje się nagły w zrost Cp i a p podczas grzania substancji, z reguły z tem pem 10 K/min. Jednak przejście szkliste przejawia się nie tylko w zm ianach pierwszej i drugiej pochodnej funkcji stanu ale rów nież w zachow aniu dynam iki molekularnej badanego układu. Biorąc pod uw agę kinetyczną naturę procesu witryfikacji naturalne w ydaje się być d efin iow an ie temperatury przejścia szklistego w kategorii c z a só w relaksacji strukturalnej.
1.3.2 Przejście do fazy szk listej a dynam ika m olek u larn a
S pow oln ien ie dynam iki molekularnej w pobliżu przejścia szk listego je st jedną z charakterystycznych cech ciec zy przechłodzonych. Ustającym ruchom cząsteczk ow ym tow arzyszy gw ałtow n y w zrost dynam icznych w łasn ości c ie c z y takich jak w sp ółczyn n ik dyfuzji, lepkość r| oraz czas relaksacji strukturalnej xa. W zakresie temperatur T m-T g
parametry te m ogą ulegać zm ianie naw et o 15 rzędów w ielk o ści. Przykładow o czas relaksacji strukturalnej, potrzebny do przegrupow ania cząsteczek typowej ciec zy w yd łuża się od wartości rzędu pikosekund (w pobliżu T m) aż do setek sekund w pobliżu temperatury przejścia szk listego. Pogląd, iż c iec z w temperaturze zeszk len ia charakteryzuje stały czas relaksacji rów ny lOOs (co odpow iada lepkości dynam icznej równej 1 012 Pa s), stał się podstaw ą um ownej dynam icznej definicji temperatury przejścia szk listeg o 25.
W iele danych eksperym entalnych pokazuje, że zarów no czas relaksacji strukturalnej jak i lepkość zm ieniają się podczas ch łodzen ia w pew ien charakterystyczny sposób.
A m ian ow icie nachylenie krzywej logxu( l/T ) (lub log ri(l/T )) staje się coraz w ięk sze wraz z obniżaniem temperatury (R ys. 1.7a). W śród w ielu m odeli zaproponow anych do opisu tego niearrheniusow skiego zachow ania najczęściej stosow an e jest równanie Y ogela-Fulchera- Tammanna (Y FT).26,27,28
T - T
V -' ' o ;
1.1 g d zie A je st stałą charakterystyczną dla danej cieczy . Z kolei Tq oznacza temperaturę
„ id ealn ego” przejścia szk listego, odpow iadającą n ieskoń czen ie długim czasom relaksacji strukturalnej. Temperatura T0 w przybliżeniu równa je st temperaturze Kauzmanna, poniżej której ekstrapolow ana w artość entropii c iec zy przechłodzonej byłaby n iższa niż entropia kryształu.
b)
( / ) - 4 -
O)O
-6 -
nonivam id mp=67 indapam id m =76
c ie c z e s iln e /
/ / / / /
/ /
/ -
x A
-1 0-
' . r
| c ie c z e k ru c h e j
V T
1000/T [K 1]
Rys. 1.7 Panel (a) przedstaw ia tem peraturową nieareniusowską zależność czasów relaksacji strukturalnej, podczas gdy na p anel (b) stanowi tzw. wykres Angella skonstruowany dla dwóch różnych substancji farm aceutycznych: indapamidu i nonivamidu.
Badania dynamiki molekularnej c ie c z y tw orzących fazę szk listą pokazują, że odstęp stw o czasów relaksacji a od zachow ania arrheniusow skiego je st sp ecy ficzn ą cechą każdego materiału. C iecze w ykazujące prawie liniow ą tem peraturową zależn ość i„ (lub r|), zgod n ie z term inologią zaproponow aną przez A n gella, nazyw ane są s iln y m i (ang. s tr o n g ), podczas gdy te, dla których w yk res t„(T) zb liżon y je st do m odelu Arrheniusa określane są m ianem kruche (ang. fr a g ile) .29 W celu przyporządkowania c ie c z y do jednej z p o w yższy ch grup m ożna w ykorzystać tzw. w ykres A n gella tj. zależn o ść log i a(T g/T ) (R ys. 1.7b). Z k olei, aby ilościow o określić od ch ylenie xu i r| od lin iow ego przebiegu często stosuje s ię tzw . parametr kruchości dynam icznej m P d efin iow any jak o nachylenie stycznej do w ykresu funkcji logru(T g /T ) w punkcie Tg:30
Zazwyczaj przyjmuje się, ż e materiały dla których parametr kruchości nie przekracza 30 należą do ciec zy siln y c h , podczas gdy k ru c h y m i nazyw am y te o wartościach mp pow yżej 1 0 0. W iększość substancji farm aceutycznych badanych do tej pory m ieści się p om ięd zy tymi dw om a skrajnymi przypadkam i, przyjmując z reguły wartości rzędu 50-90 dla Tg d efin iow anego jako t„ = lOOs. np. indapamid (m p=76), nonivam id (m P= 6 7 )31, indom etacyna (m P= 8 3 )32, ibuprofen (m p=87)33, telm isartan (m P= 8 7 )34 czy glibenklam id (m P= 7 8 )35.
Intensyw ny w zrost cza só w relaksacji strukturalnej oraz lepkości ob serw ow any je st rów nież w przypadku ciec zy poddanych izoterm icznej kom presji. P on iew aż z dynam icznego punktu w id zen ia zarów no ob n iżen ie temperatury jak i w zrost ciśn ien ia prowadzą do spow olnienia dynam iki molekularnej obydw a te parametry term odynam iczne m ogą być uważane za rów now ażne. N iem niej jednak warto nadm ienić, ż e temperatura w p ły w a głów n ie na w zbudzenie rotacyjnych i translacyjnych stanów energetycznych materii, podczas gdy ciśn ien ie pow oduje znaczne zm n iejszen ie o d leg ło ści m iędzym olekularnych. D latego też, w badaniach izoterm icznych relaksacja strukturalna rozw ażana je st g łó w n ie jak o proces aktyw ow any o b jęto śc io w o 36’37:
gdzie AV oznacza objętość aktyw acji, xo je st w artością xa w ciśnieniu atm osferycznym natomiast R to stała gazow a. AV będąca miarą objętości niezbędnej do zm iany p ołożen ia cząstki, je st bardzo przydatnym parametrem charakteryzującym procesy relaksacyjne ciec zy
1 . 3
tw orzących fazę szklistą. M ożna ją w yzn a czy ć bezpośrednio z nachylenia linii lo g ia(P) p rzem n ożon ego przez stałą R, temperaturę kompresji oraz w artość In 10 (tj. 2.303):
Procedura ta m oże zostać zastosow ana jed y n ie w tedy, gdy czasy relaksacji strukturalnej badanej c iec zy przechłodzonej zm ieniają się lin iow o z ciśn ien iem . Jeśli tak nie je st oznacza to, że ob jętość aktywacji rośnie wraz ze w zrostem temperatury. Z achow anie to jest an alogiczn e do zm ian energii aktywacji w pobliżu T g w pomiarach izobarycznych. Poniew aż zd ecydow ana w ięk szo ść ciec zy w ykazuje n ielin iow ą za leżn ość logxu(P) (R ys. 1,8a) do opisu izoterm icznych danych relaksacyjnych stosuje się tzw . ciśn ien io w e równanie V FT :3X
( D ' P 1 i *
Ta ~ T0 eXP 1.5
V*0 1 J
gd zie Dp i P0 są jed y n ie funkcjami temperatury (cza sy relaksacji Ta—>oo w ciśnieniu Po).
Zakładając, że ściskana substancja przechodzi do fazy szklistej w tedy, gdy czas relaksacji strukturalnej osiąga lOOs, z izoterm icznej zm iany t a m ożna w yzn aczyć wartość ciśnienia zeszk len ia Pg. Z kolei na podstaw ie serii tego typu badań m o żliw e je st w ykreślenie ciśn ien iow ej zależn ości Tg. Jak pokazuje rys. 1.8b wartość T g rośnie n ielin iow o podczas ściskania próbki. Z godn ie z m odelem sw obodnej objętości zachow anie to tłum aczone jest w zrostem upakowania m olekuł indukow anym przez ciśn ien ie. Poniew aż kompresja próbki nierozłącznie w ią że się ze zw ięk szen iem jej g ęstości, a co za tym idzie spadkiem objętości, za leżn o ść Tg(Pg) m ożem y w y zn aczyć rów nież na podstaw ie danych dylatom etrycznych zarejestrowanych w różnych warunkach ciśn ien io w y ch (R ys. 1.8c).
1.4
ciśnienie [MPa]
Rys. 1.8 P a n e l (a) p r z e d s ta w ia p r z y k ła d o w ą ciśn ien io w ą , n ie a rrh e n iu so w sk ą za le żn o ść cza só w relaksacji. P a n e ł (b) ilu stru je za le żn o ść te m p e ra tu ry ze szk le n ia o d c iśn ie n ia w y zn a c z o n ą d la ch lo ro w o d o rku w e ra p a m ilu (V H ).39 Z k o le i p a n e l (c) to w y k re s z a le żn o ś c i o b ję to ś c i o d te m p e ra tu ry o trzy m a n y w ró żn y c h w a ru n k a c h iz o b a ry c zn y c h p r z y p o m o c y m e to d y d y la to m e try c zn e j. L in ia w sk a zu ją c a zm ia n ę n a c h y le n ia V(T) ilu stru je zm ia n ę Tg z ciśn ien iem , któ ra m oże b yć p r z e d s ta w io n a w p o s ta c i w y k r e s u a n a lo g ic zn e g o d o teg o p r z e d s ta w io n e g o na p a n e lu (b).
K iedy skala czasow a relaksacji strukturalnej drastycznie rośnie, n iezależn ie od tego czy ma to m iejsce na skutek obniżania temperatury cz y w zrostu ciśn ien ia, układ przechodzi do fazy szkła, a je g o dynam ika m olekularna zostaje zdom inow ana przez relaksacje drugorzędow e. Pom im o, iż badania tych p rocesów trwają od k ilk u dziesięciu lat, to w cią ż pozostają jednym z najbardziej kontrowersyjnych zagadnień d otyczących szk ieł.
O becnie uw aża się, że źródłem relaksacji drugorzędow ych m ogą być zarów no procesy intra- jak i interm olekularne od zw iercied lające od p ow ied n io ru ch liw ość fragm entów cząsteczek oraz ograniczone reorientacje całych m olekuł, przy czym zjaw iska m ające m ięd zycząsteczk ow e p och odzen ie n azyw a się z reguły relaksacjam i typu Johari-G oldstein (JG) (od nazw isk badaczy, którzy jak o pierw si zaobserw ow ali proces d rugorzędow y w cieczach m ałocząsteczk ow ych )4041. A b y określić naturę p rocesów drugorzędow ych m ożna posłużyć się m odelem sp rzężen iow ym (ang. e x te n d e d c o u p lin g m o d e l (C M )) zaproponowanym przez K.L. N g a i, zg o d n ie z którym relaksację drugorzędow ą m ożem y
zak lasyfikow ać jak o JG je śli jej czas relaksacji Tjg od pow iada tzw . czasow i prymitywnej relaksacji xp w yznaczon ym z rów nania:4243
2» —- j-Pfjnr | ^
gd zie tc je st pew nym charakterystycznym , niezależnym od temperatury m ikroskopow ym czasem relaksacji, poniżej którego m olek u ły relaksują niezależnie od siebie. Wartość tc w yznaczon a m etodą k w azielastyczn ego rozpraszania neutronów dla cieczy m ałocząsteczk ow ych w yn osi o k oło 2 pikosekund44 45. Parametr Pkww jest z kolei w ykładnikiem w funkcji Kohlrausha, W illiam sa i W attsa (K W W )46,47:
(f>(t) = exp
r \ Pkww t
_ V a yT _
1.7
opisującej szeroki rozkład cza só w relaksacji strukturalnej. W zależn ości od wartości parametru Pk w w, który przyjmuje wartości z przedziału 0< P K W W <1, rozkład czasów relaksacji odpow iadający funkcji KW W m oże ob ejm ow ać w ie le rzędów w ielk ości.
W przypadku, gdy proces relaksacyjny P nie spełnia kryterium podanego w równaniu 1.7, zw y k le jest krótszy niż czas prym itywnej relaksacji tp, je g o pochodzenia upatruje się raczej w reorientacji pew nych grup atom ów w cząsteczce, niż w ruchach całych m olekuł.
W ostatnich latach pokazano rów nież, że klasyfikację p rocesów drugorzędow ych do jednej z grup ,J r u e -J G ” lub „nort-JG ” ułatwiają badania relaksacyjne w warunkach w y so k ieg o ciśn ien iow e. Dane zgrom adzone dla szeregu c iec zy tworzących fazę szklistą pokazują, iż w p rzeciw ień stw ie do procesu o charakterze intramolekularnym, typowa relaksacja „ non-JG " je st praktycznie n ieczuła na zm iany ciśn ien ia.4844
2 M e t o d y a n a l i z y fiz y k o c h e m ic z n e j
AMORFICZNYCH FARMACEUTYKÓWW sp ółczesn e, rygorystyczne standardy jak ości narzucone firm om farm aceutycznym sprawiają, że każdy lek na etapie badań preform ulacyjnych poddaw any zostaje w nikliw ej analizie fizyk och em iczn ej. G dy substancja czynn a tabletki w ystępu je w form ie am orficznej, badania te są n ieco bardziej skom p lik ow an e, n iż ma to m iejsce w przypadku preparatu krystalicznego. N ie w ystarczą bow iem standardowe pom iary czysto ści czy rozpuszczalności badanej substancji. K onieczne staje się zastosow an ie dodatkow ych technik instrumentalnych um ożliw iających podanie stopnia am orficzności analizow anej próbki, w yk on anie jej charakterystyki kalorym etrycznej c z y też określenie tendencji układu do rekrystalizacji.
D latego też, jako w yp osażen ie laboratoriów postaci lek ów coraz częściej oprócz chrom atografów cz y tabletkarek pojawiają się dyfraktometry, kalorym etry różnicow e, cz y też różnego rodzaju spektrometry.
W niniejszej pracy w iod ącą techniką eksperym entalną zastosow aną w celu przeprowadzenia charakterystyki fizyk och em iczn ej grupy am orficznych lek ów przeciw cukrzycow ych je st szerokopasm ow a spektroskopia dielektryczna (B D S ). D latego też, podstawy teoretyczne tej m etody badaw czej opisane zostaną bardziej szc zeg ó ło w o , w porównaniu z p ozostałym i technikam i, których zasady pom iarow e będą przedstaw ione jed yn ie w zarysie. M etody te, a m ian ow icie proszkow a rentgenografia strukturalna (X R P D ), skaningow a kalorymetria różnicow a (D S C ), spektroskopia w podczerw ieni (FT -IR ), m agnetyczny rezonans jądrow y (N M R ) oraz chrom atografia ciec zo w a (H PLC) zostały w ykorzystane jako techniki p om ocn icze, uzupełniające ograniczenia spektroskopii dielektrycznej. Z astosow anie tak różnorodnych m etod eksperym entalnych u m o żliw iło rozw iązanie problem ów badaw czych podjętych w niniejszej pracy.
2.1 A naliza stru k tu raln a i sk ła d ch em iczn y farm aceu tyk ów 2.1.1 Dyfrakcja ren tg en o w sk a (XRD)
P ow szech n ie w iad om o, iż podstawą badań strukturalnych ciał stałych są m etody dyfrakcyjne takie jak rentgenografia, neutronografia, cz y elektronografia. Jednak najpopularniejszą z nich je st technika oparta na zjaw isku dyfrakcji promieni X.
W laboratoriach przem ysłu farm aceutycznego, gd zie przeważającą w ięk szo ść badanych m ateriałów stanow ią próbki polikrystaliczne, najczęściej stosow ana je st proszkowa dyfrakcja rentgenow ska (ang. X -r a y p o w d e r diffractiort, X R P D ). X R PD je st obecnie jedną z najpopularniejszych technik stosow an ych do opisu w łasn ości strukturalnych materii skondensow anej m .in. rozkładu atom ów w sieci krystalicznej lub am orficznej, długości w iązań, cz y am plitudy drgań atom ów . W m etod zie tej w iązka m onochrom atycznego prom ieniow ania rentgen ow skiego pada na badany materiał u m ieszczon y w szklanej rurce kapilarnej.50 W śród w ielu ziaren proszku, o statystycznej orientacji przestrzennej, znajdą się i takie, w których dla pewnej rodziny p łaszczyzn krystalograficznych spełniony będzie warunek Bragga, w iążący geom etrię kryształu z d łu gością fali padającego prom ieniowania (>.) i kątem (0), pod którym ob serw ow ane je st interferencyjne m aksim um , 2d sinO = n)„ .
Rys. 2.1 Graficzna interpretacja teorii dyfrakcji prom ieni rentgenowskich.
Prom ienie ugięte na jednej rodzinie płaszczyzn tworzą stożek pow stający w wyniku rów nom iernego rozłożenia odbijających krystalitów w stosunku do osi padającej wiązki.
N astępna rodzina p łaszczyzn w yzn acza stożek o innym kącie rozwarcia (inna od leg ło ść d).
W ynikiem pomiaru je st w ięc grupa sto żk ó w w idzianych jak o prążki w obrazie dw u w ym iarow ym , bądź refleksy dyfrakcyjne o różnej intensyw ności na dyfraktogramie (R ys. 2.2). Sytuacja taka ma m iejsce w tedy, gdy badaną próbką jest materiał krystaliczny.
W przypadku próbki am orficznej, charakteryzującej się brakiem tzw. periodyczności translacyjnej zapew niającej stałą o d le g ło ść m ięd zy atomami następuje zanik refleksów Bragga pochodzących od p oszczególn ych p łaszczyzn. Zam iast tego dyfraktogram rentgenow ski substancji am orficznej stanow i tzw . szerokie „halo” am orficzne.
W konsekw encji na dyfraktogram ie dw uw ym iarow ym brak je st rów nież charakterystycznych dla kryształu prążków dyfrakcyjnych (R ys. 2 .2 )."
K ą t 2 0
Rys. 2.2 Dyfraktogram rentgenowski, czyli wykres zależności intensywności rozpraszania od kąta odbicia 2 9 (lub odległości m iędzypłaszczyznowej d).
Proszkow a dyfrakcja rentgenow ska je st jedn ą z prostszych m etod pozw alającą w szybkim czasie określić ilo ścio w o stopień am orficzności badanego materiału. D latego też, jest to m etoda n iezw yk le użyteczna w trakcie badań preform ulacyjnych am orficznych postaci leków. Jej głów ną zaletą je st łatw ość przygotow ania próbki do pom iarów jak rów nież to, że jest to m etoda niedestruktywna, u m ożliw iająca w ykorzystanie badanej substancji w dalszych eksperym entach. Jej dodatkow ą zaletą je st stosu nk ow o niski poziom u detekcji frakcji krystalicznej w badanym m ateriale am orficznym w yn o szą cy kilka procent.
Dyfraktogram y X R D przedstaw ione w niniejszej pracy zarejestrow ane zostały za pom ocą dyfraktometru rentgenow skiego D /m ax R A PID II-R japońskiej firm y Rigaku.
Z uwagi na to iż natężenie prom ieniow ania rozpraszanego przez substancje am orficzne je st znacznie słabsze w porównaniu z substancjami krystalicznym i, aby zw ię k sz y ć strumień fotonów rentgenow skich, w układzie pom iarow ym zastosow ano lam pę z wirującą srebrną anodą zasilaną z generatora o m ocy 18 kW. Dyfraktometr w y p osa żon y je st rów nież w monochrom ator grafitowy, d w u k ołow y goniom etr w układzie o m ega - 2 theta, układ kolim atorów oraz detektor w postaci płyty obrazow ej.
