Metodologie - e la liofilizzazione descrixione PDF

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non lo so so solo provando a leggere un docuemnto qwjd...

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1 LA LIOFILIZZAZIONE Liofilizzare un materiale significa renderlo “liofilo”: rendere liofilo un materiale significa renderlo rapidamente solubile in acqua. Il termine liofilizzazione dunque non è legato al processo di essiccamento, ma è legato alle caratteristiche fisiche del prodotto finale. Questo è una sostanza solida con una elevatissima superficie specifica che rende molto rapida la dissoluzione. Il processo si dovrebbe chiamare CRIO-ESSICCAMENTO, ossia, essiccamento a freddo. Infatti il processo consiste nel congelare la soluzione, facendo passare l’acqua a ghiaccio, e successivamente allontanare l’acqua con il passaggio di stato della sublimazione. Questo processo si adatta bene a materiali molto termolabili che non sopporterebbero nemmeno il trattamento dello spray-drying. Oppure si può fare un crio-essiccamento per fare la liofilizzazione, cioè per ottenere un materiale che si scioglie molto rapidamente in acqua. Il processo si svolge in tre fasi successive: 1) CONGELAMENTO: in questa fase viene sottratto calore alla soluzione per fare passare l’acqua a ghiaccio. Bisogna però considerare che anche il soluto, ossia il principio attivo, deve solidificare. Non tutta l’acqua cristallizza e la percentuale di acqua che non passa a ghiaccio varia a seconda dei casi. C’è sempre una percentuale di acqua adsorbita, a livello molecolare, sulla superficie del principio attivo solido. 2) ESSICCAMENTO PRIMARIO: in questa fase si ha la sublimazione del ghiaccio. 3) ESSICCAMENTO SECONDARIO o DESORBIMENTO: consiste nell’allontanamento dell’acqua adsorbita. Una soluzione di principio attivo prima di essere sottoposta al processo di liofilizzazione ha bisogno di pretrattamenti. Uno è la certamente la sterilizzazione, perché i liofilizzati farmaceutici sono destinati alla somministrazione parenterale. Deve essere sterilizzata la soluzione di partenza e non il liofilizzato finale. Infatti, la liofilizzazione si applica in genere a materiali termolabili e, in generale, chimicamente poco stabili. Questo significa che il liofilizzato finale non può essere sterilizzato con calore né con raggi gamma o ossido di etilene. Allora si deve sterilizzare la soluzione di partenza e condurre la liofilizzazione in condizioni rigorosamente asettiche. La soluzione di partenza viene sterilizzata con il metodo della filtrazione sterilizzante. Se la soluzione di partenza è torbida allora deve essere sottoposta previamente a una filtrazione chiarificante. Un altro fattore importante da considerare è la concentrazione della soluzione di partenza, che non può essere inferiore ad un certo valore limite perché altrimenti il liofilizzato che si ottiene alla fine non ha sufficiente stabilità meccanica. Il liofilizzato è un solido poroso rigido dotato di una elevata superficie specifica. I pori presenti nel liofilizzato finale non sono altro che gli spazi lasciati liberi dai cristalli di ghiaccio che è sublimato. Alla fine del processo il liofilizzato secco occupa lo stesso volume della soluzione di partenza. Perciò se si parte da una soluzione troppo diluita, ad es., al 2%, il 98% del volume alla fine resta vuoto. Evidentemente un liofilizzato così non può essere stabile meccanicamente. Da ciò si conclude che la concentrazione non deve essere minore del 15-20%. I principi attivi con elevata attività farmacologica, devono essere somministrati a basse dosi. Il liofilizzato monodose deve contenere una quantità piccola o molto piccola di principio attivo. In questi casi è necessario aggiungere al farmaco un eccipiente (che allo stato anidro è solido) che sia biologicamente inerte, come albumina o lattosio. Questo diluente conferisce la massa, e dunque, la stabilità meccanica necessaria al liofilizzato. CONGELAMENTO DELLA SOLUZIONE ACQUOSA DI UNA SOSTANZA

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Aspetti termodinamici Per capire i fenomeni che avvengono quando si congela la soluzione di una sostanza consideriamo il diagramma di stato di un sistema binario costituito da acqua e soluto. Questi due componenti, a certe temperature sono miscibili ad altre non lo sono. Consideriamo il diagramma di stato di tale sistema alla pressione atmosferica:

Fig.1 G indica il ghiaccio F indica il farmaco Tc è il punto di congelamento della soluzione B indica la temperatura e la composizione della miscela soluzione–ghiaccio; C indica la temperatura e la composizione della soluzione in equilibrio con il ghiaccio. In ogni zona del diagramma il sistema si presenta in modo diverso: nella zona in alto esiste la miscela liquida dei due componenti completamente miscibili. Poi c’è una zona in cui esiste ghiaccio in equilibrio con una soluzione di farmaco ( G+soluz.). Quindi, c’è un settore in cui il componente solido è il farmaco in equilibrio con la soluzione del farmaco stesso (F+soluz.). Infine, nella zona più bassa esistono due fasi solide, ghiaccio e farmaco ( G+F). La curva che ci interessa di più è quella di sinistra: un punto su questa curva indica condizioni di temperatura e di composizione della soluzione in equilibrio con il ghiaccio. Un punto all’interno del settore sotteso dalla stessa curva indica le condizioni di temperatura e composizione di una miscela costituita da ghiaccio e soluzione. Se voglio sapere qual è la composizione della soluzione in equilibrio con il ghiaccio in una miscela avente temperatura e composizione corrispondenti, ad es., al punto B (Fig. 1) devo cercare il punto sulla curva che corrisponde alla temperatura che si considera (punto C, Fig. 1). Se una soluzione acquosa viene portata ad una temperatura tale che si separa del ghiaccio, è ovvio che la soluzione si concentra. Se il sistema è costituito da acqua pura, la temperatura alla quale l’acqua pura è in equilibrio con il ghiaccio è 0°C (alla pressione di 1atm).

3 Considerando la curva di destra, in questo caso la fase solida è costituita dal farmaco: se consideriamo il farmaco puro cioè, se ci poniamo sull’asse delle ascisse in corrispondenza del 100% di farmaco, l’ordinata del corrispondente punto sulla curva sarà il punto di fusione del farmaco alla pressione di 1atm, cioè la temperatura alla quale il farmaco solido è in equilibrio con il farmaco liquido (fuso). Nei punti sulla linea retta orizzontale il sistema è in condizioni diverse a seconda che essi si trovino a sinistra o a destra del punto triplo. Infatti, a sinistra del punto triplo, per tutte le composizioni comprese tra il 100% di acqua e il punto E il sistema è costituito da: 1) una fase liquida, che è una soluzione con una composizione corrispondente al punto E; 2) ghiaccio; 3) una miscela ghiaccio-farmaco solido. Questa miscela si forma quando la temperatura corrisponde al punto E. Questa miscela di due fasi solide, G+F, che si forma al punto E, ha la composizione definita da tale punto; essa si definisce miscela eutettica e la temperatura TE è il punto eutettico. Se si prende un punto sulla linea orizzontale a destra del punto eutettico questo corrisponde a un sistema costituito dalle fasi descritte ai punti 1) e 3) e da F solido. Al punto E il sistema è costituito dalle fasi di cui ai punti 1) e 3). C’è una differenza dal punto di vista fisico tra il ghiaccio che si forma quando il sistema si trova nelle condizioni corrispondenti ai punti nel settore G+soluz. e il ghiaccio che si forma quando esso si trova alla TE. La miscela eutettica allo stato solido è costituita da due fasi solide G+F mescolate intimamente e costituite da cristalli molto piccoli. I cristalli di ghiaccio e di farmaco costituenti la miscela eutettica sono perciò molto più piccoli di quelli che si trovano nel sistema G+soluz. o F+soluz. Supponiamo di sottrarre calore a una soluzione acquosa che contiene una certa concentrazione di farmaco, a partire da una temperatura uguale a quella dell’ambiente, alla pressione di 1atm (punto A, Fig. 1). La soluzione si raffredda, senza che ci sia altro cambiamento, e la temperatura scende fino al punto di congelamento. A questo punto la soluzione è in equilibrio con il ghiaccio. Se si continua a sottrarre calore si forma ghiaccio. La miscela non cambia composizione, mentre cambia la composizione della soluzione in equilibrio con il ghiaccio. Se si passa dal punto iniziale A al punto B la miscela mantiene la sua composizione, ma la composizione della soluzione in equilibrio con il ghiaccio cambia (da A passa a C): la soluzione si è concentrata. Continuando a sottrarre calore la temperatura scende e contemporaneamente si forma una quantità sempre più grande di ghiaccio e la soluzione in equilibrio con i cristalli di ghiaccio è sempre più concentrata. Questa soluzione prende il nome di soluzione interstiziale perché il ghiaccio si forma in tutto il volume del sistema (almeno in teoria, perché si suppone che la diminuzione di temperatura sia uniforme nel sistema) e la soluzione in equilibrio con il ghiaccio si trova negli interstizi tra i cristalli di ghiaccio. Quando la temperatura raggiunge il punto eutettico, allora si forma la miscela eutettica solida costituita da cristalli molto piccoli di ghiaccio intimamente mescolati con cristalli di farmaco, anch’essi molto fini. La soluzione interstiziale a questo punto ha la composizione della miscela eutettica. Se si continua a sottrarre calore continua a formarsi la miscela eutettica solida. Al punto eutettico solidifica la soluzione interstiziale mantenendo inalterata la sua composizione; siamo a un punto in cui, sottraendo calore, le variabili non cambiano. Quando il sistema è completamente solido, esso è interamente costituito da cristalli di ghiaccio e, negli interstizi tra tali cristalli, ci saranno i cristalli molto più fini della miscela eutettica. Continuando a sottrarre calore, la temperatura riprende a scendere. Liofilizzando il sistema congelato si avrà la sublimazione dei cristalli di ghiaccio, che

4 lasceranno degli spazi vuoti, e il farmaco liofilizzato che si ottiene alla fine avrà la forma di una spugna rigida con numerosi e piccoli pori. La composizione della soluzione interstiziale, quando si forma la miscela eutettica, cambia a seconda del tipo di farmaco: miscele eutettiche ottenute con soluzioni di farmaci diversi sono più o meno ricche di farmaco. Aspetti cinetici Consideriamo l’aspetto cinetico dei fenomeni che si verificano nel congelamento tramite il diagramma T rispetto al tempo. Nel diagramma di Fig. 2 si suppone in un primo momento che la soluzione che si congela sia ideale e che il sistema sia in equilibrio quasi– stazionario durante il congelamento.

Fig. 2 Al tempo zero il sistema è una soluzione acquosa del farmaco e la temperatura è uguale alla temperatura ambiente. Supponiamo di sottrarre calore a velocità costante, allora la temperatura scende linearmente (tratto a) perché quello che viene sottratto alla soluzione è calore sensibile, finché si arriva alla temperatura alla quale comincia a formarsi il ghiaccio ( Tc, v. Figg.1 e 2). Questa temperatura è inferiore a 0°C. Quando comincia a formarsi ghiaccio si ha emissione di calore latente di fusione che provoca una discontinuità nel diagramma di Fig. 2. La temperatura diminuisce fino alla temperatura del punto eutettico (tratto b). Al punto eutettico la solidificazione della miscela eutettica avviene con emissione di calore latente e senza variazione di composizione, per cui, durante la solidificazione della miscela eutettica la temperatura rimane costante (tratto c); continuando a sottrarre calore, tale calore è calore sensibile, poiché non ci sono più passaggi di stato. Allora si ha un raffreddamento lineare se si sottrae calore a velocità costante (tratto d). Queste trasformazioni sono teoriche, perché si suppone che il sistema sia sempre in condizioni di equilibrio termodinamico. Nella realtà non si ottiene mai un diagramma così. Riassumendo: Grafico ideale (v. Fig. 2): - tratto a: raffreddamento della soluzione

5 tratto b: congelamento dell’acqua tratto c: congelamento della miscela eutettica tratto d: raffreddamento del solido Un diagramma reale temperatura-tempo che si ottiene quando si congela una soluzione mostra diverse deviazioni dall’idealità, le quali dipendono dal tipo di soluto. Consideriamo come soluto una sostanza a basso peso molecolare, cosicché il diagramma non devia molto dal comportamento teorico. Nella pratica il calore viene sottratto ad una velocità piuttosto elevata: la soluzione viene messa a contatto con una sorgente fredda, avente una temperatura costante. Questo significa che quando si arriva al punto in cui teoricamente si dovrebbe avere la formazione di ghiaccio, in realtà ciò non si verifica perché la soluzione si sovraraffredda: il sistema non è all’equilibrio termodinamico bensì in condizioni di equilibrio metastabile. In realtà si ha una deviazione dal grafico ideale, rappresentata dal tratto e (Fig. 2). E’ sufficiente un evento casuale perché si “rompa” l’equilibrio metastabile: si ha, allora, la formazione di cristalli di ghiaccio perché il sistema si riporta rapidamente alle condizioni di equilibrio termodinamico. La temperatura aumenta fino a incontrare la curva teorica (tratto f, Fig. 2): questa è la prima deviazione dalla teoria. Dopo che è congelata la maggior parte dell’acqua, la soluzione interstiziale è molto concentrata. A tale concentrazione, la velocità con cui le molecole in tale soluzione si organizzano nel reticolo cristallino non è sufficiente a mantenere il sistema all’equilibrio termodinamico, per cui si ha sovraraffreddamento della soluzione interstiziale fin sotto il punto eutettico (tratto g). Se il soluto ha basso peso molecolare e mantiene una certa mobilità molecolare, anche se è sovraraffreddato può, a un certo punto, formare germi cristallini. Allora cristallizza la miscela eutettica e il sistema ritorna nelle condizioni di equilibrio termodinamico (tratto h). Riassumendo: Deviazioni dall’idealità (v. Fig. 2): - tratto e: sovraraffreddamento della soluzione - tratto f: ritorno all’equilibrio con congelamento di acqua - tratto g: sovraraffreddamento della soluzione interstiziale - tratto h: ritorno all’equilibrio con congelamento della miscela eutettica Vediamo adesso come si presenta il diagramma temperatura-tempo registrato dagli strumenti di controllo nel processo di congelamento della soluzione di una sostanza di peso molecolare relativamente basso: -

Fig. 3

6 Nella maggior parte dei casi il congelamento viene fatto mettendo il contenitore con il materiale da congelare a contatto con una piastra raffreddata che viene mantenuta alla temperatura Tp. Quando il sistema è completamente congelato, allora non c’è più emissione di calore latente e tende ad equilibrarsi termicamente con la piastra di raffreddamento ( Tp ). Questo è il caso in cui il soluto ha un peso molecolare relativamente basso, e quindi, mobilità delle molecole tale da permettere una rapida organizzazione nel reticolo cristallino. Un requisito fondamentale del liofilizzato è quello di avere pori piccoli e numerosi, affinché il liofilizzato stesso abbia una elevata superficie specifica che assicura una rapida dissoluzione. Bisogna perciò fare in modo che i cristalli di ghiaccio che si formano siano piccoli e numerosi. Se si facesse il congelamento in condizioni di equilibrio termodinamico i cristalli di ghiaccio sarebbero grandi, perché la velocità del processo sarebbe bassa e allora i cristalli si accrescerebbero a partire da pochi centri di cristallizzazione. Per avere un liofilizzato soddisfacente il sovraraffreddamento è una necessità (tratto e, Fig. 2), perché, quando i cristalli di ghiaccio si formano a partire da una soluzione sovraraffreddata in equilibrio metastabile la formazione del ghiaccio, quando l’equilibrio viene rotto, è molto rapida (tratto f, Fig. 2) per cui i centri di cristallizzazione sono numerosi e i cristalli di ghiaccio sono piccoli. Perciò conviene che avvenga il sovraraffreddamento. Per far avvenire ciò occorre sottrarre calore in modo piuttosto rapido. Bisogna tenere presente però che se la velocità con cui si sottrae calore è eccessiva possono capitare inconvenienti. La velocità di sottrazione del calore dal sistema dipende direttamente dai gradienti di temperatura che si creano nel sistema. Il calore viene sottratto con il meccanismo della conduzione quindi se la velocità di sottrazione del calore è elevata allora sono elevati i gradienti di temperatura. In genere il congelamento della soluzione si fa ponendo il contenitore a contatto con una piastra raffreddata, dunque, la temperatura più bassa sarà sul fondo della soluzione, la temperatura più alta sarà invece sulla superficie. Se la differenza di temperatura tra il fondo e la superficie del materiale da congelare è molto grande, come accade quando si realizza una elevata velocità di sottrazione del calore, la temperatura alla quale comincia a formarsi ghiaccio viene raggiunta prima sul fondo che sulla superficie della soluzione. Di conseguenza si comincia a formare ghiaccio sul fondo mentre in superficie la soluzione è ancora allo stato liquido. Ciò provoca una migrazione del soluto verso la superficie della soluzione, per cui la soluzione in superficie si concentra. Questo ha come conseguenza diretta che la superficie della soluzione congela ad una temperatura più bassa di quella del fondo del contenitore. Il sistema diventa disomogeneo, cioè, ricco di ghiaccio e povero di materiale farmaceutico sul fondo, ricco di materiale e povero di ghiaccio sulla superficie. Quando avviene la sublimazione al posto del ghiaccio si formano dei vuoti. Sulla superficie ci sarà una bassa porosità, perché c’è poco ghiaccio (si crea un “tappo” di materiale farmaceutico). Man mano che procede la sublimazione sublima anche il ghiaccio sul fondo. Questo ghiaccio si trasforma in vapore che deve attraversare lo strato di materiale farmaceutico superficiale che è poco poroso. Evidentemente la pressione che deve avere il vapore per attraversare lo strato superficiale può diventare abbastanza grande da fratturare il liofilizzato. Il liofilizzato che si ottiene alla fine non ha una porosità equamente distribuita nel suo volume. Come risultato il liofilizzato si può rompere e la parte superiore sale nel flacone spinta dalla pressione del vapore. Un liofilizzato così non è accettabile e l’operazione così condotta è sbagliata. Ciò è conseguenza degli eccessivi gradienti di temperatura che si sono generati nella fase di congelamento. Bisogna perciò regolare la temperatura della sorgente fredda in modo appropriato per evitare che la disomogeneità dei pori sia eccessiva, altrimenti il liofilizzato addirittura si rompe.

7 La tecnica di congelamento più comune è il congelamento statico, che consiste nel porre i contenitori (fiale o fialoidi) contenenti la soluzione sulla piastra raffreddata. Per limitare la differenza di temperatura tra superficie e fondo della soluzione da raffreddare l’altezza della soluzione (ossia la distanza tra il fondo e la superficie della soluzione) non può essere troppo grande: al massimo può essere 1 cm. Questo pone un limite al volume, che però non è poi un grave limite, perché i liofilizzati sono in genere preparati monodose e le dosi sono abbastanza piccole da richiedere volumi piccoli di liofilizzato. ESSICCAMENTO PRIMARIO Passiamo adesso ad analizzare il secondo stadio del processo, cioè, l’essiccamento primario, che consiste nella sublimazione del ghiaccio. La Fig. 4 mostra uno schema semplificato di un liofilizzatore. Esso è costituito da una camera che contiene una serie di piastre disposte una sopra l’altra. Nella Fig.4 è rappresentato, a scopo esemplificativo, un flacone su una piastra all’interno della camera. Questa camera deve essere a tenuta di vuoto e comunica con un altro vano attraverso una valvola a farfalla , in modo che il vano possa essere escluso dalla camera, oppure, messo in comunicazione con essa. Generalmente il congelamento statico viene fatto nella camera, che si chiama autoclave (perché deve sopportare alti gradi di vuoto, che si realizzano quando si passa alle fasi di essiccamento).

Fig. 4

8 Il congelamento si fa a pressione ambiente. L’autoclave deve essere chiusa e isolata per motivi di asetticità. In tale fase si devono inserire delle sonde termometriche in flaconi– campione per registrare il grafico T vs tempo. Nel corso della sublimazione bisogna fornire calore, perché la sublimazione del ghiaccio assorbe il cal...