UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARA FACULTATEA DE CHIMIE INDUSTRIAL I INGINERIA MEDIULUI

CONTRIBUII LA STUDIUL COMPATIBILITII I STABILITII TERMICE A UNOR MEDICAMENTE DIN CLASA

ANTIINFLAMATOARELOR NESTEROIDIENE (AINS). SINTEZA UNOR COMPLECI AI ACESTORA

Conductor tiinific Prof. Dr. Chim. MIRCEA TEFNESCU Doctorand TIA ION BOGDAN

TIMIOARA 2011

i

CUPRINS

Introducere 1 1. Stabilitatea medicamentelor. Compatibilitatea acestora cu excipieni farmaceutici 3 1.1. Introducere 3 1.2. Stabilitatea chimic a substanelor medicamentoase 3 1.2.1. Cile degradrii chimice 4 1.2.1.1. Hidroliza 5 1.2.1.2. Decarboxilarea i eliminarea 5 1.2.1.3. Oxidarea 6 1.2.1.4. Fotodegradarea 6 1.2.2. Factori care afecteaz stabilitatea chimic 6 1.2.2.1. Ecuaii de vitez i modele cinetice 6 1.2.2.2. Temperatura 7 1.2.2.3. Starea cristalin i polimorfismul n S.M. solide 7 1.2.2.4. Efectul umiditii asupra S.M. solide i semisolide 7 1.3. Stabilitatea fizic a substanelor medicamentoase 8 1.3.1. Degradarea fizic 8 1.3.1.1. Cristalizarea substanelor medicamentoase amorfe 8 1.3.1.2. Tranziii n strile cristaline 8 1.3.1.3. Adsorbia umiditii 8 1.4. Interaciuni ale susbtanei medicamentoase cu excipienii. Compatibilitatea acestora. 9 1.4.1. Excipieni 9 1.4.2. Natura interaciunilor SM-excipient. 10 1.4.2.1. Interaciuni fizice 10 1.4.2.2. Interaciuni chimice 11 1.5. Interaciuni ale substanelor medicamentoase ntre ele 12 1.5.1. Reacii de transesterificare 12 1.5.2. Alte interaciuni 12 1.6. Metode de evaluare a stabilitii medicamentelor 12 1.6.1. Studiul interaciunii SM-excipient cu ajutorul metodei termice de analiz 13 1.6.1.1. Utilizarea calorimetriei cu scanare diferenial la studiul compatibilitii 13 1.6.1.2. Alte metode termice de studiu a compatibilitii 14 2. Metode de evaluare a stabilitii termice a medicamentelor 16 2.1. Introducere 16 2.2. Evaluarea stabilitii termice pe baza comportrii la nclzire 16 2.2.1. Principalele metode termice de analiz 17 2.2.1.1. Analiza termogravimetric(TG sau TGA) i termogravimetria derivat (DTG) 17 2.2.1.2.Analiza termic diferenial(DTA); calorimetria cu scanare diferenial(DSC) 19 2.2.2. Aplicaii ale metodelor termice prezentate 19 2.2.3. Factori care influeneaz rezultatele analizei termice 20 2.2.3.1. Viteza de nclzire. 20 2.2.3.2. Atmosfera cuptorului 20 2.2.3.3. Masa (cantitatea) de prob. 20 2.3. Evaluarea stabilitii termice pe baza studiului cinetic 20 2.3.1. Analiza cinetic. Scop. Metode 20 2.3.2. Cinetica reaciilor n faz solid 22 2.3.2.1. Metode de determinare a parametrilor cinetici din curba = f(T) 24 2.3.2.2. Metode liniare izoconversionale 25 2.3.2.3. Metoda parametrilor cinetici invariabili (metoda IKP) 27

ii

3. Compleci i implicaiile biomedicale ale acestora 29 3.1. Generaliti cu privire la implicaiile biomedicale ale complecilor 29 3.2. Combinaii complexe chelate 30 3.3. Capacitatea cationilor de a forma compleci 30 3.4. Capacitatea liganzilor de a forma compleci 30 3.5. Clasificarea cationilor i liganzilor dup Pearson 31 3.6. Liganzi, combinaii complexe i chelate n biologie i medicin 32 3.7. Rolul biologic al ionilor metalici 34 4. Medicamente i excipieni studiai. Caracterizarea termic, spectroscopic i difractometric a excipienilor

34

4.1. Medicamente antiinflamatoare nesteroidiene 34 4.2. Compleci metalici ai medicamentelor antiinflamatoare nesteroidiene 36 4.3.Caracterizarea termic, spectroscopic i difractometric a excipienilor 37 4.4. Concluzii 44 5. Stabilitatea termic a medicamentelor antiinflamatoare nesteroidiene studiate 45 5.1. Comportarea termic 45 5.1.1. Ibuprofen 45 5.1.2. Ketoprofen 47 5.1.3. Piroxicam 48 5.1.4. Indometacin 50 5.1.5. Diclofenac 51 5.1.6. Acid acetilsalicilic 53 5.1.7. Influena vitezei de nclzire i a masei probei 55 5.2. Studiul cinetic 57 5.2.1. Cinetica izoterm 57 5.2.1.1. Ibuprofen 57 5.2.1.2. Ketoprofen 61 5.2.1.3. Piroxicam 63 5.2.1.4. Indometacin 66 5.2.1.5. Diclofenac 68 5.2.2. Cinetica neizoterm 70 5.2.2.1. Ibuprofen 70 5.2.2.2. Ketoprofen 73 5.2.2.3. Piroxciam 76 5.2.2.4. Indometacin 79 5.2.2.5. Diclofenac 83 5.2.2.6. Acid acetilsalicilic 83 5.3. Calculul timpilor de stabilitate pe baza parametrilor cinetici 84 5.4. Concluzii 85 6. Compatibilitatea medicamentelor antiinflamatoare nesterodiene studiate cu diveri excipieni farmaceutici

87

6.1. Principiile i caracteristicile studiului 87 6.2. Compatibilitatea ibuprofenului 87 6.3. Compatibilitatea ketoprofenului 102 6.4. Compatibilitatea piroxicamului 109 6.5. Compatibilitatea indometacinului 120 6.6. Compatibilitatea diclofenacului sodic 129 6.7. Compatibilitatea acidului acetilsalicilic 143 6.8. Concluzii 151

iii

7. Compleci cu Zn(II) I Cu(II) ai Ibuprofenului i Piroxicamului 153 7.1. Introducere 153 7.2. Sinteza complecilor 153 7.2.1. Sinteza complecilor IB i PX cu Zn(II) 153 7.2.2. Sinteza complecilor IB i PX cu Cu(II) 154 7.3. Caracterizarea complecilor sintetizai 155 7.3.1. Analiza chimic elemental 155 7.3.2. Spectroscopia FT-IR 155 7.3.3. Difracia de raze X 158 7.3.4. Microscopia electronic de baleiaj 160 7.3.5. Analiza termic 162 7.4. Concluzii 164 Concluzii 165 Bibliografie 168 Anexa 1 Spectrele FT-IR ale substanelor medicamentoase i excipienilor studiai 176 Anexa 2 Spectrele difraciei de raze X ale substanelor medicamentoase i excipienilor studiai

182

Anexa 3 Spectrele FT-IR ale amestecurilor binare care nu prezint interaciune 188 Anexa 4 Spectrele difraciei de raze X ale amestecurilor binare care nu prezint interaciune 204

1

INTRODUCERE Conform reglementrilor prevzute de lege, medicamentele trebuie s satisfac anumite specificaii, printre care se numr un anumit nivel de stabilitate, siguran i eficien bine definite. Cteodat, nivelul de stabilitate dorit este dificil de atins din cauza degradrii chimice sau fizice, respectiv interaciunilor componenilor medicamentului, astfel nct se modific efectele lor farmacologice, ceea ce va afecta eficacitatea terapeutic. innd cont de faptul c medicamentele sunt folosite n scop terapeutic pe baza eficacitii i siguranei acestora, ele trebuie s fie stabile i s-i menin calitatea n diverse condiii care sunt ntlnite n timpul fabricrii, i ulterior acesteia, pn n momentul administrrii sau expirrii. n mod uzual, evaluarea stabiliti se face prin testul clasic de stabilitate, corespunztor cruia substana medicamentoas (SM) este determinat cu metode clasice de analiz, la anumite intervale de timp (zile, sptmni, luni sau chiar ani), din medicamentele inute n diverse condiii. Testul clasic necesit un timp ndelungat i o munc laborioas, astfel nct n ultimii ani, tot mai multe studii s-au axat pe instituirea unor metode rapide, nespecifice, de evaluare a stabilitii. Aceste metode sunt bazate pe analiza termic. Aplicaiile numeroase ale analizei termice n domeniul farmaceutic vor fi menionate n cadrul diferitor capitole din tez, iar n ceea ce privete stabilitatea, acestea se bazeaz pe aa zisul test de stres termic. n cadrul acestui test se urmrete comportarea medicamentului n urma nclzirii la o anumit temperatur. Pe lng multiplele informaii pe care le ofer aceast comportare, important este cea referitoare la stabilitate, bazat n special pe valoarea temperaturii de topire i domeniul de stabilitate termic. De asemenea, cu ajutorul studiului cinetic, printre altele, se pot determina timpii de via, de reducere la jumtate a activitii biologice sau de reducere cu/sau la un anumit procent. Dintre diverii factori care influeneaz stabilitatea medicamentelor, n cadrul crora temperatura joac un rol important, mai important este cel cu privire la interaciunea substanelor medicamentoase cu diveri excipieni, adic compatibilitatea acestora. Actualmente, metodele cel mai des folosite pentru evaluarea compatibilitii sau incompatibilitii medicamentelor sunt metodele termice de analiz, dintre care metoda calorimetriei cu scanare diferenial (DSC) este cel mai des folosit, deoarece ea furnizeaz informaiile cele mai complete. Metoda DSC se prezint ca o tehnic de lucru simpl, rapid i sensibil, astfel nct ea constituie un instrument de lucru foarte util n investigarea i prevederea incompatibilitii SM-excipieni, nc din etapa preformulrii. Tematica tezei de doctorat a rezultat din cercetrile efectuate cu ocazia lucrrii de licen, i continuate ulterior datorit faptului c medicamentele antiinflamatoare nesteroidiene (AINS) sunt printre cele mai des folosite ca inhibitori ai enzimei ciclooxigenaz, responsabil de transformarea acidului arachidonic n prostaglandine, care sunt mediatori ai procesului inflamator. Studiile de stabilitate au fost efectuate pe baza comportrii la nclzire, respectiv pe baza analizei cinetice. n ceea ce privete studiile de compatibilitate cu diveri excipieni, ne-am axat pe analiza termic, n special tehnica DSC, n completare cu spectroscopia FT-IR i difracia de raze X. Principiul de efectuare a acestor studii a constat n compararea rezultatelor obinute pentru amestecurile binare (SM-excipient) n raport de 1:1, cu cele ale componenilor individuali (SM, excipient). Raportul 1:1 a fost ales pentru a maximiza posibilele interacii. S-au folosit 11 excipieni, dintre cei mai des ntlnii n formulrile corespunzatoare celor 6 SM. n cadrul studiilor efectuate s-a urmrit i sinteza unor compleci cu metale tranziionale a unora dintre cele 6 SM. Acest aspect s-a bazat pe faptul c este mai uor de sintetizat compleci ai SM, care pot s prezinte activitate biologic, dect s fie sintetizat un nou medicament.

2

Au fost preparai 4 compleci ai Zn(II) i Cu(II) cu liganzi: ibuprofen i piroxicam. Alegerea celor dou elemente tranziionale s-a fcut pe baza faptului c acestea au rol bilogic important, prezint disponibilitate pentru a forma compleci cu SM, iar acetia prezint n mod curent activitate biologic. Caracterizarea complecilor s-a fcut cu metode specifice precum analiza chimic elemental, spectroscopia FT-IR, difracia de raze X, microscopia electronic de baleiaj i nu n ultimul rnd, dar printre cele mai importante, analiza termic.

3

1. STABILITATEA MEDICAMENTELOR. COMPATIBILITATEA ACESTORA CU EXCIPIENI FARMACEUTICI

1.1. Introducere

Medicamentele sunt constituite din substane medicamentoase, avnd efecte farmacologice, ncorporate n forme farmaceutice i sunt folosite n scop terapeutic. Substanele medicamentoase folosite n prezent sunt variate, de la compui chimici cu mas molecular mic pn la polimeri cum ar fi proteinele. n viitor, vor fi inclui, de asemenea, i produii derivai din cercetarea genomic. Medicamentele trebuie s satisfac cu strictee anumite specificaii, prevzute adesea n normativele legislative n vigoare. Pentru a fi aprobat, o formulare farmaceutic trebuie s garanteze niveluri de stabilitate, siguran i eficien bine definite. Uneori, nivelul de stabilitate dorit este dificil de atins, deoarece substana medicamentoas (S.M.) sau celelalte materiale auxiliare, n special excipienii (Excip), pot suferi anumite degradri sau pot interaciona. Unele substane medicamentoase sunt susceptibile la degradare chimic n diferite condiii, din cauza sensibilitii lor, datorat structurii lor moleculare, n timp ce altele sufer n principal modificri din cauza unei degradri fizice. Degradarea chimic i/sau fizic a substanelor medicamentoase poate modifica efectele lor farmacologice, avnd drept rezultat alterarea eficacitii terapeutice, precum i consecine toxicologice. Deoarece medicamentele sau produsele farmaceutice sunt folosite n scop terapeutic pe baza eficacitii i siguranei, ele ar trebui s fie stabile i s-i menin calitatea pe toat perioada de utilizare sau pn la data de expirare. Calitatea trebuie meninut n diverse condiii care sunt ntlnite n timpul fabricrii, depozitrii, transportului i stocrii n spitale i farmacii publice, precum i n cas. Prin urmare, se impune nelegerea factorilor care altereaz stabilitatea medicamentelor i identificarea cilor de garantare a stabilitii lor [1,2]. Medicamentele sunt amestecuri complexe ale susbstanei medicamentoase cu excipienii, i ca atare, cineticile lor de stabilitate chimic i fizic sunt complexe. Stabilitatea chimic i fizic a acestor forme complexe de dozare trebuie evaluat in etapa de preformulare, n etapele de formulare i fabricare, precum i pentru produsul finit, incluznd i efectul condiionrii asupra stabilitii. Formularea nsi joac un rol decisiv n monitorizarea aciunii medicamentului n organism: de exemplu aciune rapid, aciune lung sau locul aciunii. De asemenea, sunt necesare informaii asupra stabilitii noului medicament, din punct de vedere al sistemelor de transport, precum microsferele degradabile. Prin urmare, se impune clarificarea urmtoarelor aspecte: problema asigurrii calitii, estimarea timpului de via i cerinele asupra regulilor importante. Din cauza complexitii produselor farmaceutice i a multitudinii de probleme pe care acestea le implic, uneori este dificil caracterizarea stabilitii lor chimice i fizice, mai ales n cazul medicamentelor obinute pe baza noilor biotehnologii. Din acest motiv se impune folosirea mai multor metodologii de studiu [3-5]. Premisele prezentate evideniaz clar cele dou faze principale n cadrul dezvoltrii unui medicament i anume etapa de preformulare, respectiv de formulare, fiecare dintre acestea presupunnd anumite faze intermediare, care sunt prezentate n figura 1.1.

1.2. Stabilitatea chimic a substanelor medicamentoase Preformularea este o faz critic n procesul de fabricare a medicamentului, n cadrul creia se determin profilul fizico-chimic al substanei medicamentoase i excipienilor, precum i conceperea prototipului formulrilor. Performana unei forme farmaceutice dozate solide este dependent de proprietile fizico-chimice ale substanelor menionate. n acest stadiu, care precede faza formulrii clinice, este esential s fie identificai excipienii potrivii. Concomitent cu alegerea excipienilor se face o evaluare complet a interaciunii S.M.-excipient i a compatibilitii. Scopul este acela de a preveni eventuale schimbri inutile i foarte costisitoare, implicnd timp i cheltuieli suplimentare n etapele ulterioare dezvoltrii medicamentului. Administraia alimentului i medicamentului din SUA (Food and Drug Administration, abrev. FDA) recomand acest proces ca parte a calitii din proiectare (calitatea este creat n cadrul produsului i nu adugat). Obiectivul fundamental este de a

4

identifica proprietile critice, care sunt considerate importante n formularea unui sistem medicamentos sigur, eficace i stabil.

Sintez Purificare Cristalizare Rcire Mcinare Stocare

Substana medicamentoas

+ Excipieni

Amestecare Mcinare Lichid Liofilizare Granulare Dizolvare Microsfere Cernere Dispersie solid

Umplere n capsule Lipozomi

Forme de dozare solid

Forme semi-lichide (creme,

supozitoare) Oral, intra-venos Formulri speciale

Forma de dozare

Prelucrare. Stocare

Fig. 1.1. Etapele obinerii unui medicament

Cel mai uor de neles i cea mai studiat form a instabilitii S.M. este descompunerea parial sau total a acesteia printr-o reacie chimic, avnd drept rezultat o reducere a eficacitii medicamentului. Pierderea/reducerea de eficacitii este o bine cunoscut cauz a unei slabe caliti a produsului. Totui, prin pierderea eficacitii nsi prin diverse ci este numai una dintr-o mulime de cauze posibile privind pierderea cantitativ a S.M. Identificarea produilor formai prevede o nelegere mai bun a mecanismelor acestor reacii chimice, precum i alte informaii valoroase. Alte cauze pentru pierderea cantitativ a S.M. includ urmtoarele:

1. Substana medicamentoas se poate degrada genernd o substan toxic. Prin urmare, este important a se determina ct S.M. s-a pierdut n timp, dar i care sunt compuii rezultai. Acetia pot fi de toxicitate cunoscut sau necunoscut. Uneori, se formeaz compui reactivi intermediari, care sunt cunoscui sau suspectai a fi toxici. 2. Degradarea S.M. poate face produsul inacceptabil din punct de vedere estetic. Se presupune produsele sunt falsificate dac n timp unele dintre caracteristicile lor (ex. culoarea sau mirosul) au suferit modificri semnificative ce afecteaz compliana pacientului. De exemplu, un medicament care se degradeaz, chiar n msur redus, prin volatilizare la un compus coninnd sulf i producnd miros inacceptabil este greu acceptat sau deloc la administrare pe cale nazal sub form de spray. 3. Chiar dac o S.M. poate fi stabilizat n formularea dorit, formulatorul trebuie s arate c S.M. este de asemenea stabil n condiiile de pH gsite n tractul gastrointestinal, dac medicamentul este destinat uzului oral. Majoritatea substanelor medicamentoase sunt destul de stabile la valori neutre ale pH-ului existente n intestinul subire (nesocotind degradarea enzimatic), dar pot fi instabile la valori ale pH-ului gsite n stomac.

1.2.1. Cile degradrii chimice Substanele medicamentoase au diverse structuri i sunt, prin urmare, susceptibile la multe i variate ci de degradare. Posibilele ci de degradare a S.M. includ: hidroliza, deshidratarea,

5

izomerizarea i racemizarea, eliminarea (de gaze), oxidarea, fotodegradarea i interaciuni complexe cu excipieni i alte substane medicamentoase. Predicia instabilitii chimice a S.M. pe baza structurii sale moleculare ar fi foarte util, facilitnd selectarea testelor de stabilitate, ct i identificarea, n cele mai timpurii stadii de dezvoltare a medicamentului, cilor prin care S.M. problematice pot fi formulate astfel nct s sufere o degradare chimic minim. Imensa literatur chimic i farmaceutic este probabil insuficient utilizat ca i surs a unei asemenea informaii. Mai mult, se preconizeaz dezvoltarea de sisteme expert pentru prezicerea stabilitii. n continuare vor fi prezentate cteva dintre fenomenele care conduc la degradare chimic a S.M.

1.2.1.1. Hidroliza

n cazul majoritii produselor parenterale, S.M. intr n contact cu apa, chiar i n formele dozate solide, astfel nct umiditatea este deseori prezent, fie i n cantiti mici. n consecin, hidroliza este una dintre cele mai comune reacii de degradare care poate avea loc n produsele farmaceutice. Muli cercettori au abordat pe larg tema hidrolizei substanelor medicamentoase. ncepnd cu 1950, au fost prezentate studii privind hidroliza procainei[6], aspirinei [7], cloramfenicolului [8], atropinei [9], chiar n lipsa unui randament ridicat al tehnicilor analitice. Hidroliza este, adesea, principala cale de degradare a substanelor medicamentoase care au grupri funcionale de ester i amid n cadrul structurii lor.

Esteri Multe S.M. conin o legtur esteric, iar n alte cazuri aceasta ia natere prin reacie dintre diveri acizi i alcooli. Reacia de hidroliz decurge conform schemei 1.1.

OOR1 R2 + OH2 R1

OOH + R2 OH

H

HO

+

-

Schema 1.1. Hidroliza esterului unui acid carboxilic

Viteza de degradare a esterului depinde de substituentii R1 i R2: gruprile restrictive de electroni intensific hidroliza, n timp ce gruprile donoare de electroni inhib hidroliza.

Amide Legturi amidice se gsesc n mod curent n moleculele S.M., dar acestea participa n msur mai mic dect legturile esterice la reacia de hidroliz, deoarece carbonul carbonilic al legturii amidice este mai puin electrofil. (schema 1.2)

ONR1

R3

R2+ OH2 R1

OOH + NH

R3

R2

Schema 1.2. Hidroliza amidelor

De regul, astfel de amide ca: acetaminofenul[10], indometacinul [11] sulfacetamida[12] etc. formeaz prin hidroliz o amin i un acid. Antibioticele -lactamice precum penicilinele i cefalosporinele [13,14], care sunt amide ciclice sau lactame, sufer prin hidroliz deschiderea rapid a inelului. Reactivitatea acestor amide fa de hidroliz depinde de substituenii R1, R2 i R3.

1.2.1.2. Decarboxilarea i eliminarea Substanele medicamentoase care au o grupare acid carboxilic sunt cteodat susceptibile la decarboxilare. n alte cazuri reaciile de eliminare decurg cu formare de diveri compui ca: formaldehida; N2, Cl2, I2, CS2 etc. [15,16].

6

1.2.1.3. Oxidarea Oxidarea este o bine cunoscut cale de degradare chimic a substanelor medicamentoase. Oxigenul, care particip n majoritatea reaciilor de oxidare, se gsete din abunden n mediul n care medicamentele sunt expuse, fie n timpul procesrii, fie n timpul stocrii pe termen lung. Oxidarea acidului ascorbic (schema 1.3) a fost relatat printre primele descompuneri oxidative, fiind studiai numeroi factori care influeneaz favorabil sau nu stabilitatea acidului ascorbic, inclusiv rolul ionilor metalici [17,18]. Mecanismele de oxidare a S.M., respectiv compuii formai, depind de structura sa chimic i de prezena unor specii de oxigen reactiv sau ali oxidani.

O

OHOH

OH

OH

O

OH

OH

OH

O

Schema 1.3. Oxidarea acidului ascorbic

1.2.1.4. Fotodegradarea

O serie de S.M. sufer procesul de fotodegradare. Mecanismele acestor reacii sunt n general complexe i conduc la formarea de diveri produi. Adeseori n prezena oxifenului fotodegradarea este urmat de oxidare [19,20]. Posibilele interaciuni pe care le prezint S.M. cu excipieni sau interaciunile de alt natur constituie une dintre principalele ci de degradare chimic i vor fi prezentate ulterior, n mod distinct.

1.2.2. Factori care afecteaz stabilitatea chimic Factorii determinani ai stabilitii chimice a S.M. includ factori intrinseci precum structura molecular a S.M. i factori de mediu, ca temperatura, pH-ul, sistemele tampon, tria ionic, lumina, oxigenul, umiditatea, aditivii i excipienii. Fiecare dintre acetia prezint o importan mai mic sau mai mare. n cazul degradrii strii solide, proprietile strii solide ale S.M. precum punctul de topire, cristalinitatea i higroscopicitatea sunt foarte importante. n plus, fore mecanice ca presiunea i mrunirea aplicate S.M. pot afecta stabilitatea lor chimic, precum i pe cea fizic. Prin aplicarea conceptelor cinetice cunoscute este posibil att cuantificarea rolului pe care fiecare parametru l poate avea n modificarea cineticilor de degradare, dar i furnizarea de informaii valoroase privind mecanismele degradrii.

1.2.2.1. Ecuaii de vitez i modele cinetice Substanele medicamentoase pot suferi degradri chimice prin diverse ci i mecanisme, depinznd de structura lor chimic. Viteza degradrii chimice este determinat de diferii parametri ai ecuaiei de vitez. Inhibarea degradrii i implicit, stabilizarea substanelor medicamentoase se poate realiza prin controlul acestor factori. Metodele de descriere a degradrii chimice se bazeaz pe analiza cinetic, n cadrul creia se observ curba degradrii n condiii experimentale specifice pentru a se obine constantele de vitez, iar pe baza acestor informaii se pot stabili vitezele de degradare n condiii alternative,. Pentru asigurarea inocuitii unui medicament, datele privind degradarea necesit conceperea i validarea unui test de evaluare a stabilitii. Dup iniierea unui studiu de stabilitate, se ncearc s se foloseasc un set de condiii care permite obinerea rapid a unui parametru, cum ar fi constanta de vitez, obinut prin analiza cinetic a curbei de degradare versus timp, n condiii specifice i controlate. Se alege un model cinetic pentru a descrie curba de degradare i se calculeaz constanta de vitez prin verificarea curbei de degradare cu o ecuaie de vitez corespunztoare, conform modelului asumat.

7

Modele cinetice care descriu degradarea chimic a substanei medicamentoase n starea solid Spre deosebire de degradarea n soluie, degradarea n stare solid sau ntr-un sistem eterogen este mult mai complex din cauza diverilor compui existeni i a cror stare fizic variaz n timp. n consecin ecuaiile de vitez caracteristice sunt mai complexe [21-23]. O constant de vitez definitorie pentru degradarea n stare solid poate fi obinut ndat ce ecuaia de vitez teoretic a fost aleas i datele au fost testate pentru a vedea dac se potrivesc modelului propus. Totui, pentru degradarea n stare solid, n care factorii ce afecteaz mecanismul de degradare nu au fost elucidai, din cauza complexitii, se utilizeaz frecvent o constant(e) aparent(e) obinut prin fitarea (verificarea) curbei de degradare la o ecuaie empiric. Asemenea constante i relaii empirice pot fi utilizate uneori n scopul estimrii stabilitii.

1.2.2.2. Temperatura Temperatura este unul dintre factorii principali care afecteaz stabilitatea S.M. Relaia constant de vitez (k)/temperatur (T;k) este descris de cunoscuta ecuaie a lui Arrhnius,

k = Aexp(-E/RT) (1.1) unde E este energia de activare, iar A este factorul preexponenial. Deoarece reprezentarea grafic a lui k vs. 1/T conduce la o dreapt (grafic Arrhnius), E i A sunt considerai ca i independeni de temperatur, iar E este folosit ca msur a dependenei constantei de vitez de temperatur. O condiie esenial pentru aplicarea ecuaiei (1.1) este aceea c mecanismul degradrii nu se modific n domeniul de temperatur cercetat. Pentru o serie de S.M. reprezentative ca: ampicilin, oxazolam, procain, diazepam, atropin, acetaminofen, oxazepam, cefadroxil, furosemid, cloramfenicol, cocain valorile lui E variaz ntre cca. 10-30 kcal/mol (40-130 kJ/mol). Evident, temperatura este un parametru important, pentru c cele mai multe reacii decurg mai rapid la temperaturi ridicate, dect la temperaturi mai sczute. Termenii E i H (entalpia) constituie o msur a sensibilitii vitezei de degradare a S.M., fa de schimbrile de temperatur. Estimarea unei viteze sau constante de vitez potrivite pentru degradarea S.M. constituie o etap important n prezicerea stabilitii medicamentelor. Cunoscnd modul n care viteza sau k se modific cantitativ cu variaia temperaturii, se poate estima stabilitatea la alte temperaturi [24-26]. Ecuaia Arrhnius este valabil n domeniul de temperatur unde E i A sunt constani. Modificri ale mecanismului degradrii cu temperatura conduc la grafice Arrhnius neliniare.

1.2.2.3. Starea cristalin i polimorfismul n S.M. solide Stabilitatea chimic a S.M. solide este afectat de starea cristalin a acestora. Substanele medicamentoase n stare cristalin au mai puin energie liber (G) n starea de baz, deci o reactivitate sczut. Numeroase S.M. prezint polimorfism. Fiecare stare cristalin are un nivel de energie liber diferit n starea de baz i o reactivitate chimic diferit [27-30]. Stabilitatea S.M. n starea amorf este n general mai mic dect cea n stare cristalin, din cauza nivelului de energie liber mai nalt al strii amorfe. Relaia dintre viteza de degradare i cristalinitate, determinat din cldurile de dizolvare pentru antibiotice -lacatm, cum ar fi cefazolina sodic, indic faptul c o S.M. cu cristalinitate sczut tinde a avea o stabilitate chimic redus. Descreterea stabilitii chimice a S.M. solide, provocat prin stres mecanic cum ar fi mojararea, se datoreaz unei modificri a strii cristaline. De asemena, stabilitatea chimic este influenat de ctre aria suprafeei de contact, care crete cu scderea cristalinitii, i implicit reactivitatea crete odat cu mrirea suprafeei de contact.

1.2.2.4. Efectul umiditii asupra S.M. solide i semisolide Degradarea S.M. n sisteme eterogene precum strile solide i semisolide este afectat i de umiditate. Efectul umiditii asupra cineticilor de degradare a diferitelor S.M. a fost pus n eviden pentru diverse substane medicamentoase. Umiditatea ndeplinete dou roluri importante n catalizarea degradrii chimice:

1. apa particip n procesul de degradare a S.M. ca i reactant, conducnd la hidroliz, hidratare, izomerizare sau alte reacii chimice bimoleculare. n aceste cazuri, viteza de degradare este direct afectat de concentraia apei sau a ionilor de hidroniu, respectiv hidroxil.

8

2. apa este adsorbit pe suprafaa S.M. i formeaz un strat umed n care S.M. este dizolvat i degradat. Adsorbia apei poate modifica, de asemenea, starea fizic a S.M., afectnd reactivitatea acestora. Aceste efecte ale apei se explic prin mecanisme complicate, determinate de starea fizic a moleculelor de ap. De exemplu, pentru S.M. care formeaz hidrai, apa de cristalizare este fixat n cristale i, n general, nu poate participa la reacii chimice. Apa de cristalizare poate participa la degradarea S.M. numai atunci cnd este eliberat din starea cristalin prin aciuni precum triturarea. Efectul umiditii asupra degradrii S.M. a fost de asemenea studiat, pentru diverse medicamente n prezena excipienilor, aspect ce va fi descris ulterior [31-33]. Selectarea excipienilor i implicit interaciunea sau compatibilitatea acestora cu substana medicamentoas reprezint o etapa foarte important n procesul de obinere a medicamentului, motiv pentru care va fi discutat ulterior, n mod distinct.

1.3. Stabilitatea fizic a substanelor medicamentoase

Starea fizic a unei S.M. determin proprietile sale fizice (ex. solubilitatea), care pot afecta eficacitatea i inocuitatea S.M. De aceea, se impune determinarea modificrilor n starea fizic a S.M. n mod tradiional, aceste modificri sunt evaluate prin calorimetria cu scanare difereniala (DSC) i analiza difraciei de raze X (X-ray). n plus, modificri n strile fizice ale excipienilor sau agenilor auxiliari n forma de dozare pot afecta stabilitatea medicamentelor.

1.3.1. Degradarea fizic

Componentele medicamentelor (substane medicamentoase i excipieni) exist n diverse stri fizice microscopice (ex. amorf i cristalin; hidratat i solvatat), cu diferite grade de mrime. n timp, S.M. sau excipientul poate trece dintr-o stare instabil (metastabil), la o stare mai stabil termodinamic. Aceast transformare va depinde de diferena ntre enrgiile libere ale celor dou stri i bariera energetic corespunztoare.

1.3.1.1. Cristalizarea substanelor medicamentoase amorfe Frecvent se ncearc formularea S.M. n stare amorf, puin solubil n ap, deoarece solubilitatea formelor amorfe este n general mai mare dect cea a formelor cristaline. Totui, din cauza energiei libere mai scazute a strii cristaline, substanele amorfe prezint n timp tendina de a trece n starea cristalin, mai stabil termodinamic. Prin urmare, cristalizarea S.M. amorfe poate decurge n timpul stocrii pe termen lung i poate conduce la modificri drastice sau chiar la pierderea unor caracteristici ale S.M., ceea ce determin modificri n comportarea sa clinic i toxicologic. De asemenea, n timpul stocrii medicamentelor se poate produce i cristalizarea excipienilor amorfi.

1.3.1.2. Tranziii n strile cristaline Substanele polimorfe sunt forme cristaline diferite ale aceleiai S.M. Deoarece aceste forme au energie liber sau poteniale chimice diferite, depinznd de condiii de temperatur, pot avea loc tranziii ntre acestea [34,35]. Tranziiile polimorfe n timpul stocrii pot altera n mod critic proprietile S.M., deoarece solubilitatea i viteza de dizolvare a S.M. variaz n general cu modificrile n forma cristalin. Din perspectiva stocrii, temperatura i umiditatea afecteaz tranziiile polimorfe.

1.3.1.3. Adsorbia umiditii Adsorbia umiditii este observat n general la medicamentele n stare solid. Adsorbia umiditii n timpul stocrii poate afecta stabilitatea fizic a medicamentelor, conducnd la modificri, cum ar fi nceputul dizolvrii. Adsorbia umiditii este generat de ctre proprieti fizice ale S.M. i excipienilor. Factorii care afecteaz stabilitatea fizic a S.M. sunt n cea mai mare parte aceiai care afecteaz i stabilitatea chimic.

9

Alturi de S.M., excipienii sunt componeni de baz ai unui medicament i la fel ca acestea ei pot suferi acelai gen de degradri fizice sau chimice, ns prezena simultan a acestora poate conduce la degradare n urma unor posibile interaciuni care au loc.

1.4. Interaciuni ale susbtanei medicamentoase cu excipienii. Compatibilitatea acestora. Interaciunea substan medicamentoas excipient este una dintre cei mai importani factori de care se ine seama n dezvoltarea formelor farmaceutice dozate solide i n programele de descoperire a S.M. Acesta este un parametru obinut din etapa de preformulare, care include cunoaterea caracteristicilor fundamentale ale S.M. i excipienilor, cum ar fi natura spectral a componenilor, solubilitatea, distribuia mrimii particulei (mrime i form), coeficient de partiie i punct de topire. Importana unui studiu serios al interaciunii SM-excipient n etapa preformulrii este subliniat atunci cnd consecinele necorespunztoare ale studiului sunt privite critic. Astfel de consecine includ formarea de noi impuriti, bilanul de mas incomplet, distrugerea formei de dozare, multiplicarea inutil a formulrilor prototip, modificri ale proprietilor fizico-chimice (stabilitate, solubilitate, profilul dizolvrii, grad de cristalinitate, higroscopicitate) i inabilitatea de a obine nregistrarea unei S.M reuite [36-38]. Evaluarea compatibilitii SM-excipient este bazat pe proprietile excipienilor. Excipienii sunt substane auxiliare, inerte din punct de vedere farmacologic, care se utilizeaz n proporii mari formelor farmaceutice solide cu rolul de a dilua substana medicamentoas, de a permite transformarea acesteia ntr-o form farmaceutic, dozarea i administrarea sa, de a imbunti absorbia i stabilitatea S.M., precum i caracteristicile organoleptice ale preparatului. Definiia bazata pe funcionalitile declarate pare a fi contradictorie; prin urmare, excipienii nu sunt cu adevrat ineri i pot fi definii ca i permisivi.

1.4.1. Excipieni Dei, n mod obinuit, excipienii sunt prezeni n formulare n proporii variind ntre 10% i 99%, ei nu sunt corespunztor caracterizai, n comparaie cu S.M. Cu toate c peste 1000 de excipieni sunt folosii n mod curent n diferitele forme farmaceutice dozate solide, numai aproximativ 200 sunt de obicei utilizai n dezvoltarea formei de dozare [39-42]. Majoritatea excipienilor sunt clasificai pe baza funcionalitii lor, astfel:

Clasificarea excipienilor utilizai n formularea comprimatelor dup funcia principal pe care o ndeplinesc la comprimare.

Grupa de excipieni Exemple

Diluani

Substane insolubile: sulfatul de calciu dihidrat, fosfatul de calciu, amidon, amidon modificat, celuloz microcristalin (diverse sorturi), lactoz (anhidr i hidratat), hidroxipropil metilceluloz. Substane solubile: dextroz, glucoz, maltoz, manitol.

Liani (aglutinani)

Polimeri naturali: amidon, amidon pregelatinizat etc. Polimeri semisintetici: metil- i etilceluloz, hidroxipropilceluloz etc. Polimeri sintetici: polivinilpirolidon (povidon) diferite sorturi.

Dezagregani (dezintegrani)

Amidonuri, derivai de celuloz (metilceluloza, carboximetilceluloza), alginat de sodiu, amestecuri efervescente, enzime.

Lubrifiani - lubrifiani propriu-zii - glisani - antiadereni

Stearai de magneziu, respectiv calciu, talc, dioxid de siliciu coloidal, acid stearic, uleiuri hidrogenate ale unor plante i diverse tipuri de cear rezistent la cldur.

10

Funcionalitatea unui excipient este adesea modificat, neintenionat, datorit interaciunilor SM-excipient, i chiar SM-SM sau excipient-excipient. Prin urmare, se impune alegerea potrivita a unui anumit excipient dintr-o anumit categorie. Alegerea excipienilor n cadrul formulrii este determinat de numeroi factori, ca: origine i surs, funcionalitate, calitate si puritate, msura caracterizrii, consistena numeric a proprietilor de baz, compatibilitate cu materiale active i de ambalare, toxicitate i situaia reglementrii. Dac selecia raional a excipientului se realizeaz n faza preclinic, programul de dezvoltare al medicamentului poate fi accelerat reducndu-se considerabil timpul i costurile [43].

1.4.2. Natura interaciunilor SM-excipient. nelegerea interaciunilor SM-excipient este bazat pe cunoaterea reactivitii fizice sau chimice a excipientului n prezena SM, a altor componeni sau a factorilor de mediu. Reactivitatea poate fi pozitiv sau negativ n termenii efectului pe care l are asupra performanei formei farmaceutice. De exemplu, pulverizarea poate cauza modificri polimorfe sau o modificare n starea cristalin, care ar putea mri solubilitatea dar, afecteaz n mod negativ fluiditatea, stabilitatea, compactibilitatea sau compresabilitatea pulberii n timpul comprimrii. Deoarece, de cele mai multe ori, S.M. nu poate fi modificat cu uurin, formulatorul trebuie s identifice un excipient sau un grup de excipieni care vor fi compatibili cu S.M., reactivitatea acesteia stnd la baza alegerii raionale a excipientului(-lor) care permit realizarea unei formulri robuste i stabile.

n continuare vor fi prezentate cteva dintre diferitele tipuri de interaciuni fizice i chimice S.M. excipient.

1.4.2.1. Interaciuni fizice

Reactivitaea ntre SM i excipient poate fi iniiat prin pulverizare, transformri de faz, adsorbie. Prin pulverizare crete aria suprafeei i a cantitii de produs amorf [44], odat cu crearea de defecte (goluri) n solid, ceea ce face ca sistemul s devin mai sensibil la presiune, fiind susinut i degradarea chimic printr-o reacie de tip Maillard. Efectul comprimrii [45]cu privire la reactivitatea relativ fa de reacia Maillard se manifest n mod diferit n unele cazuri viteza de reacie crescnd odat cu creterea presiunii de comprimare.

Adsorbia solid pe solid se refer la interaciunea unor excipieni cu diverse S.M. n timpul procesului de amestecare. Printre primele relatri de acest fel se numr cele referitoare la interaciunea unor excipieni ca stearat de magneziu, celuloz microcristalin, polivinilpirolidon etc. cu diverse SM [46-48]. Numrul cazurilor de interaciuni SM excipient relatat n literatura de specialitate, a crescut foarte mult, n special n ultima perioad. O parte dintre acestea vor fi prezentate ulterior, la descrierea principalei metode de punere n eviden a acestora, i anume calorimetria cu scanare diferenial (DSC).

Adsorbia lichid pe solid. Rolul umiditii. Prezena apei ntr-o form sau alta n cadrul procesului de preparare a medicamentelor constituie unul dintre cei mai importani factori, care conduce la interaciuni SM excipient. Interaciunea cauzat de prezena umiditii se poate datora adsorbiei acesteia pe solide cristaline, ceea ce ar conduce la formare de hidrai, delicvescen i condesare capilar. n locul adsorbiei, apa poate fi ncorporat n reeaua cristalin a unui vechi hidrat, prin legturi de hidrogen sau legturi covalent-coordinative cu alte molecule de ap i/sau molecule al S.M. Acest fapt este posibil datorit dimensiunii mici a moleculei de ap i abilitii sale de a aciona, prin legturi de hidrogen, ca donor sau acceptor, stabiliznd prin urmare structurile hidratate [49,50]. Interaciunea apei cu o cantitate de solid poate conduce la modificri semnificative ale majoritii proprietilor solidului. Cantitatea de umiditate absorbit depinde de distribuia mrimii particulelor solidului, aria suprafeei specifice, natura adsorbantului, porozitatea solidului i delicvescen.

11

Efectul cantitii de umiditate prezent n excipieni Excipienii pot afecta stabilitatea S.M. fiind o surs de umiditate. O serie dintre acetia conin ap n cantitate mai mare sau mai mic ceea ce conduce la interaciuni. Efectele umiditii din excipieni asupra vitezei de degradare a SM sunt destul de dificil de interpretat, totui de cele mai multe ori aceasta crete odat cu creterea coninutului de ap. Astfel, este cazul unor excipieni ca: polivinilpirolidon, stearat de magneziu, acid stearic, celuloz microcristalin, lactoz monohidrat etc [51,52].

Efectul strii fizice a moleculelor de ap din excipieni Contribuia apei la degradarea chimic a substanelor medicamentoase este determinat de starea fizic a apei. Acesta este i cazul amestecurilor SM-excipient, iar apa prezent n excipieni poate fi slab sau puternic adsorbit de acetia. Excipienii care au abiliti crescute de a reine apa tind s inhibe degradarea SM proces care trebuie corelat cu timpul necesar atingerii echilibrului umiditate-adsorbie [53,54]. Ca i n cazul S.M. hidratate, excipienii care pot forma hidrai accentueaz degradarea SM, prin cedarea apei lor de cristalizare n timpul triturrii (pulverizrii).

Transformri de faz Conform celor artate anterior, transformarea care rezult din adsorbia sau absorbia apei adsorbit sau absorbit este reprezentata de formarea unui hidrat prin legturi de hidrogen sau legaturi coovalent-coordinative, ceea ce presupune o transformare de faz [55,56]. Transformarea de faz este datorat unui proces complex, care implic dizolvarea parial a S.M., modificnd astfel procesul de hidratare al formei n stare solid la o transformare mediat de soluie.

Se poate spune c: - Anumii excipieni pot interaciona la suprafa cu particulele S.M., cresc numrul de defecte, cresc numrul de defecte, faciliteaz deshidratarea, sau acioneaz ca i deshidratani moleculari. - Transformarea de faz poate avea loc n timpul comprimrii unor amestecuri de formulare, ce conin posibili hidrai.

1.4.2.2. Interaciuni chimice Interaciunile chimice se produc n amestecuri S.M.-excipient sau diferite formulri. Dup cum s-a stabilit anterior, natura interaciunii chimice depinde de factori ca: natura S.M. i a excipientului, raportul relativ SM-excipient, care poate cauza instabilitate, umiditatea, cldura, pH-ul mediului, lumina, metoda de preparare. Cunoaterea naturii chimice a SM i a reactivitii acesteia, precum i cea a excipienilor, este imperios necesar n stabilirea interaciunii SM-excipient sau incompatibilitii. Dac o SM este instabil (de ex. prezint sensibilitate la umiditate, caldur sau lumin), prezena acesteia ntr-o formulare determin interaciune.

Reacii acido-bazice Multe substane medicamentoase sunt acizi slabi sau baze slabe; 75% dintre acestea sunt baze slabe, n timp ce 20% sunt acizi slabi 57,58. n jur de 45-50% dintre substanele medicamentoase comercializate sunt sruri, iar majoritatea dintre acestea au fie caracter slab acid, fie slab bazic. Reaciile acido-bazice sunt un tip frecvent de interaciuni SM-excipient, iar o mulime dintre acestea decurg n starea solid. Radiografierea acestora este esenial n vederea evitrii unor consecine neateptate, care rezult n urma incompatibilitii. Monitorizarea reaciilor acido-bazice necesit tehnici analitice care nu implic extracia de solveni, deoarece forma liber i forma de sare a analitului pot avea solubiliti diferite ntr-un solvent dat, n special un solvent organic. Prin urmare, va fi inaplicabil i imposibil de a evita transferul de protoni din excipientul cu caracter acid sau bazic, n timpul preparrii probei. Umiditatea rezidual dintr-un solvent poate determina, de asemenea, transfer de protoni. n plus, extracia de solveni poate perturba interaciunea fizic produs cnd o astfel de reacie are loc n starea solid, modificnd astfel rezultatele. Mai mult, cele dou forme (ionizat i liber) vor fi dificil de analizat prin HPLC.

12

Interaciunea de sarcin Este o interaciune SM-excipient frecvent, care decurge ntre excipieni i substane medicamentoase cu grupri ionizabile, precum acid carboxilic i aminoacizi, care pot genera anioni i cationi corespunztori. Interaciunea este dependent de pH-ul mediului. Dac n formulare un excipient incrcat este asociat cu o S.M. ionizabil, ncrcat cu sarcini electrice de semn contrar, poate avea loc o interaciune ionic, rezultnd un complex insolubil. Astfel, S.M. poate fi reinut de excipient, ceea ce genereaz probleme de solubilitate, descompunere, dizolvare i biodisponibilitate. Msura interaciunii este dependent de proprietile inerente ale SM i excipientului, raportul componenilor n formulare i tria interaciunii [59,60].

Reacia Maillard Reacia Maillard, relatat de peste 80 de ani de ctre Louis Maillard, implic reacia de reducere a carbohidrailor i unor amine, pentru a produce pigmeni maro. Reducerea zaharurilor precum glucoza, maltoza i lactoza, constituie subiectul reaciei Maillard, deoarece tautomerii lor ciclici sunt n echilibru cu formele lor aldehidice, mult mai reactive. Pe de alt parte, zaharurile nereductoare ca, manitol, sucroz i trehaloz nu sufer reacia Maillard. n domeniul farmaceutic, aceste reacii ar putea deveni critice n funcionalitatea excipienilor, stabilitatea produilor i n performana in vivo a medicamentului [61].

1.5. Interaciuni ale substanelor medicamentoase ntre ele

n afara cazurilor curente de formulare a unei SM cu diveri excipieni, n acelai produs pot fi asociate uneori dou SM, alaturi de excipieni. Ca i n cazul clasic, cnd SM poate interaciona (reaciona) cu excipieni, i SM-ele din aceeai formulare pot reaciona (interaciona) ntre ele.

1.5.1. Reacii de transesterificare Comprimatele care conin aspirin (acid acetilsalicilic) sau SM cu funciuni acilate, reacioneaz i formeaz compui acilai i acid salicilic. Troup i Mitchner 62 au relatat reacia dintre acid acetilsalicilic i fenilefrin, conform schemei 1.4.

OAc

COOH+

CH3NH2

OH

+

Cl- OH

COOH+

CH3N

OH

Ac

+ HCl

Schema 1.4. Reacia aspirinei cu hidroclorur de fenilefrin

De asemenea aspirina prezint reacie de acilare cu acetaminofen [63,64]. 1.5.2. Alte interaciuni

Chiar dac n numr limitat, au fost prezentate cteva cazuri de interaciune a dou sau mai multe S.M. Astfel:

- Kenawi i colab 65 au artat c cetirizina dihidrocloric interacioneaz puternic cu diclofenacul sodic; - aceeai autori 66 au investigat posibila interaciune ntre diclofenac (1), cetirizin (2) i ranitidin (3); - Freire i colab 67 au studiat amestecul izoniazidei cu rifampicin; - Arayne i colab 68 au relatat interaciunea in vitro a metforminului cu diverse medicamente din clasa antiinflamatoarelor nesteroidiene (AINS), precum: diclofenacul sodic, ibuprofen, flurbiprofen, acid mefenamic, meloxicam i acid tiaprofenic.

1.6. Metode de evaluare a stabilitii medicamentelor Ca i S.M. sau excipieni, medicamentul poate s sufere degradare fizic sau chimic datorate acelorai factori. De aceea, se impune existena unor metode care s evalueze ct mai rapid stabilitatea acestuia.

13

Printre tehnicile de analiz utilizate n mod curent se numr variantele de cromatografie, cuplate de regul cu spectrometria de mas sau diveri detectori specifici, nct se pot obine rezultate calitative i cantitative valoroase.

Alte tehnici i proceduri, care sunt utilizate n special pentru formele dozate complexe, sunt analiza termic, spectroscopia de reflexie difuz (DRS), diverse metode complementare (RMN i FT-IR) etc.

1.6.1. Studiul interaciunii SM-excipient cu ajutorul metodelor termice de analiz n ciuda importanei pe care o prezint evaluarea interaciunii SM-excipient sau compatibilitii acestora, nu exist un protocol universal acceptat sau agenii de reglementare n acest sens. Tradiionalele studii de compatibilitate constau n prepararea amestecurilor SM cu excipieni i inerea acestora n diverse condiii de stabilitate. Aceste amestecuri, sunt periodic testate n privina SM, iar compatibilitatea este evaluat pentru timpul de stocare corespunztor. Asemenea metode convenionale sunt specifice SM i permit ca produii de degradare s fie uor identificai, ntr-un stadiu timpuriu al dezvoltrii formulrii. Totui, aceste metode sunt limitate, necesit un timp ndelungat i presupun o munc laborioas, datorit numrului mare de variabile care sunt implicate n astfel de studii. n acest context, un numr tot mai mare de studii, n special n ultimii ani, s-a axat pe dezvoltarea unor metode rapide nespecifice, pentru evaluarea compatibilitii ntr-un stadiu ct mai timpuriu al procesului de dezvoltare. Aceste tehnici analitice rapide, sunt bazate pe analiza termic 69-73. Analiza termic este folosit n industria farmaceutic ca i o tehnic rapid i credibil pentru studierea i evaluarea stabilitii produselor farmaceutice, controlul calitii i pentru dezvoltarea de noi compui farmaceutici. Aceasta poate fi aplicata cu succes pentru a investiga diferite materiale n starea solid sau semi-solid, care au relevan farmaceutic. Tehnica este folosit pentru determinarea puritii, studii de stabilitate pe baza comportrii termice i a analizei cinetice, evaluarea polimorfismului sau pseudo-polimorfismului etc. n ultimul timp, analiza termic se folosete tot mai mult pentru studiul compatibilitii SM cu excipieni, datorit avantajelor pe care le ofer fa de metodele clasice. Totui, pentru obinerea unor rezultate sigure, de cele mai multe ori, analiza termic este aplicat mpreun cu alte tehnici de analiz, precum: spectroscopia UV(-VIS) i FT-IR, microscopia cu scanare electronic (SEM), difracia de raze X, spectroscopia de mas etc [74-79].

1.6.1.1. Utilizarea calorimetriei cu scanare diferenial la studiul compatibilitii Termogravimetria (TG), termogravimetria derivat (DTG) i calorimetria cu scanare diferenial (DSC) sunt tehnici termoanalitice foarte mult folosite n prefigurarea formulrii, deoarece modificrile calorimetrice i cele de mas, datorate degradrii fizice i chimice a substanelor medicamentoase, pot fi rapid detectate. Dintre acestea, metoda DSC este cel mai des folosit, n special pentru studii de compatibilitate, deoarece ea furnizeaz informaiile cele mai complete, dar interpretarea acestora se face mai uor, atunci cnd este folosit i metoda TG. Metoda DSC se prezint ca o tehnic de lucru simpl, rapid i sensibil, folosit n experimente de rutin. Ea constituie un instrument de lucru important n prima etapa a studiilor de preformulare, pentru investigarea i prevederea incompatibilitii fizico-chimice, ntre o SM i excipieni farmaceutici 80-87. De fapt, aceasta permite evaluarea rapid a posibilelor interaciuni ntre componenii formulrii pe baza apariiei, modificrii sau dispariiei picurilor endoterme sau exoterme i/sau variaii n valorile relevante ale entalpiei, obinute din curbele termice ale amestecurilor SM-excipient. Totui, actualmente, studiile de compatibilitate prin metoda DSC sunt efectuate, n general, prin compararea curbelor termice al SM pur, respectiv excipientului, cu cele corespunznd amestecurilor binare, n raport 1:1. Amestecurile sunt preparate n mod curent n proporie de 1:1 (m/m) cu fiecare excipient, pentru a maximiza posibilele interaciuni.

14

Este important s se in cont de faptul c diferitele tehnici folosite pentru prepararea amestecurilor SM-excipient pot afecta proprietile materialelor, i n consecin se impune fie simpla amestecare, fie mojararea. De asemenea, o limitare important a amestecurilor menionate, mai exact a raportului de amestecare, o constituie faptul c n formulrile reale toi excipienii i SM se afl mpreun, n acelai timp, n rapoarte de mas, de regul, diferite de 1:1. Motivul utilizrii curente a acestui raport a fost menionat anterior. n aceste condiii, nformaia obinut poate fi neltoare i are o valozare predictiv limitat, deoarece ea nu reflect situaia real. De fapt, este evident c efectul unui excipient ntr-un amestec binar depinde mult de cantitatea acestuia n amestec. Mai mult, acesta poate fi foarte diferit de cel dintr-un amestec multicomponent, unde pot avea loc multiple interaciuni, cu att mai mult n urma tratamentelor mecanice din timpul procesului de fabricare. Rezultatul l constituie posibila alterare a compatibilitii excipienilor cu SM. Totui, interaciunile fizice sau chimice ntre SM i excipieni nu indic n mod automat incompatibilitate, dar, in general, autorii agreeaz ideea c o modificare n curba DSC constituie o eviden netgduit a interaciunii. n anumite cazuri, astfel de interaciuni pot fi avantajoase producerii sistemului medicamentos. Totui, cnd interaciunile nu sunt presupuse (ateptate), acestea pot afecta n mod contrar biodisponibilitatea unui mediacament [88-92]. Prin urmare, constatrile DSC trebuie privite cu precauie, iar n cazul unor modificri substaniale n alura curbelor DSC, comparativ cu cea a substanei medicamentoase pure, se impune utilizarea unor tehnici analitice complementare, pentru a valida interpretarea rezultatelor DSC . O problem important rezolvat cu ajutorul metodelor termice de analiz, n special metoda DSC, este rolul pe care apa l joac n interaciunea SM-excipient. Conform celor prezentate anterior, cel mai adesea, efectele negative ale interaciunii SM-excipient n starea solid sunt mediate de ap i intensificate de o temperatur crescut. De fapt, vaporii (de ap) eliberai de ctre excipient pot fi adsorbii/absorbii de ctre SM sau apa legat la excipient poate susine o reacie la interfaza excipient-SM. n primul caz (mecanism mediat de vapori) efectele vor fi cu att mai importante cu ct concentraia excipientului este mai mare. n cel de-al doilea caz, adeseori are loc o solvatare parial n aria interfazei i chiar urme de ap pot juca un rol major n degradarea SM solubile n ap, printr-o mobilitate crescut a sistemului SM-excipient, ceea ce intensific reactivitatea lor. Prin urmare, apa coninut sau datorat umiditii afecteaz stabilitatea componenilor activi, excipienilor i produilor finali, precum i proprietile de tabletare ale formulrilor farmaceutice. De fapt, tabletele fie se sfrm, fie nu pot fi obinute, indiferent daca coninutul de ap este prea mic sau prea mare. Dup cum s-a menionat anterior, utilizarea metodelor termice n general, respectiv a metodei DSC n special, la rezolvarea unor probleme din domeniul farmaceutic este tot mai des ntlnit n literatura de specialitate [93-143]. n acest context, se va face o trecere n revist a ctorva dintre medicamentele studiate cu ajutorul tehnicii DSC, n ceea ce privete compatibilitatea acestora cu diveri excipieni: norfloxacin [110], omeprazol [135], captopril [134], -lapacon [136], glipizid [137], primachin [113], acetaminofen [138], olanzapin [114], prednicarbat [115], haloperidol [117], clorpropamid [119], glibencamid [139], acid lipoic [144], aciclovir [109], aceclofenac [121], atenolol [142], meloxicam [132], nitroimidazol [105] etc.

1.6.1.2. Alte metode termice de studiu a compatibilitii Comportarea amestecurilor SM-excipient n anumite condiii de stres sau metoda testrii izoterme la stres (IST) a fost aplicat de ctre mai muli autori [144,145]. Metoda IST pune n eviden deopotriv, interaciunea SM-excipient i compatibilitatea. Aceasta implic stocarea amestecurilor SM-excipient, cu sau fr umiditate, la temperatur ridicat pentru o perioad specific de timp (normal 3-4 sptmni), pentru a accelera eventualele modificri SM i interaciunea cu excipieni. Probele sunt observate vizual, iar coninutul n SM este determinat prin metoda HPLC. Dei mult mai aplicabil, dezavantajul acesteia este c necesit timp, precum i o metod de analiz cantitativ (HPLC). Ideal, tehnicile DSC i IST pot fi folosite mpreun pentru a evalua compatibilitatea SM cu excipieni selectai. Un astfel de studiu poate fi efectuat n dou stadii:

15

1. Stadiul I. Testarea compatibilitii SM cu diluani i lubrifiani. elul este de a identifica cte un diluant, respectiv lubrifiant fundamental. 2. Stadiul II. Testarea compatibilitii amestecului SM-diluant-lubrifiant cu ali excipieni, precum liani i dezagregani. n cazurile suspecte de incompatibilitate, spectrul FT-IR al SM pur va fi comparat cu cel al amestecului SM-excipient, precum i cu cel la excipientului pur. Microcalorimetria izoterm (IMC) este una dintre metodele analitice de evaluare rapid a compatibilitii excipientului cu SM [146,147]. Metoda IMC poate fi utilizat singur sau mpreun cu metoda DSC, fa de care are avantajul c prezint o sensibilitate mult mai mare. Metoda se folosete n special la monitorizarea reaciilor extrem de lente, n condiii izoterme i la temperaturi coborte, permind detectarea imediat (ntr-o clip) a cldurii termice. Descompunerea SM, cauzat de incompatibilitatea dintre SM i excipient, dezvolt imediat cldur (de o clip). Prin urmare, microcalorimetria are potenialul de a determina cldura de descompunerea unei SM, datorit incompatibilitii acesteia cu un excipient. O variant mbuntit a metodei DSC o constituie calorimetria cu scanare diferenial de nalt sensibilitate (HSDSC), care opereaz ntr-un mod similar tehnicii DSC, dar cu mbuntirea parametrilor precum: sensibilitate, exactitate i limit de detecie [116,148,149]. Astfel, sensibilitatea crete de 10-100 ori, fa de DSC clasic, ceea ce permite detectarea i msurarea unor tranziii subtile (mici), care nu pot fi observate cu metoda standard.

HSDSC este cunoscut i ca MicroDSC. Civa autori au artat c metoda HSDSC izoterm n trepte poate fi folosit ca o metod simpl i rapid de examinare a compatibilitii SM cu excipieni tradiionali.

16

2. METODE DE EVALUARE A STABILITII TERMICE A MEDICAMENTELOR

2.1. Introducere

Datorit unor mecanisme noi de aciune, molecule i tehnologii noi, medicamentele joac un rol important n mbuntirea sntii. Fabricarea medicamentelor implic n general, dou etape distincte: fabricarea moleculei active sau SM (ingredient activ); fabricarea formulrii (medicament sau forma de dozare sau produs farmaceutic), care este dat bolnavului. Formularea nsi joac un rol decisiv n monitorizarea aciunii n corp, ca de exemplu: aciune rapid, timp de aciune, locul aciunii. Conform necesitilor medicale, medicamentul poate fi utilizat sub diverse forme. Aceste formulri necesit substane auxiliare (excipieni) i tehnologii potrivite pentru fabricarea produsului medicament. Pentru bolnav este obligatoriu ca produsul s rmn identic pentru tot lotul i de-a lungul vieii sale, pentru a-i menine aciunea la timpul dorit; fr efecte secundare neateptate. Acest lucru se realizeaz prin controlul corespunztor al substanelor medicamentoase i excipienilor, indiferent de proveniena lor, precum i prin monitorizarea procesrii i stocrii medicamentului. Compuii singuri pot fi caracterizai prin msurtori de clduri i temperaturi, tranziii vitrase, topire, fierbere, sublimare, controlul calitii i puritii, izomerizare sau clduri de dizolvare, polimorfism, stare amorf, ap de cristalizare, absorbia sau adsorbia apei, descompuneri etc. Pentru amestecuri de civa componeni, se urmrete n special, posibilele interaciuni SM-excipient i excipient-excipient. O interaciune n starea solid poate rezulta din formarea unei soluii solide, cu miscibilitate parial sau total, n urma formrii unui complex sau a unei reacii chimice. n cazul hidrailor sau solvailor topirea acestor noi compui poate fi potrivit sau nu. Medicamentele pot fi studiate i n mediu apos. Conform celor discutate n capitolul 1 cu privire la stabilitatea medicamentelor, att caracterizarea acestora, precum i monitorizarea ulterioar, prin testul clasic de stabilitate, necesit mult timp (sptmni sau luni). Din acest motiv se apeleaz tot mai mult la analiza termic, care a devenit o tehnic de rutin pentru analiza medicamentelor i a substanelor de interes farmaceutic 70,72,73,150-152. De exemplu, n ceea ce privete determinarea timpului de stocare, care n mod uzual necesit sptmni sau luni, cu ajutorul analizei cinetice se pot obine anumite date mult mai rapid, prin ncalzirea probei i grbirea procesului de descompunere al acesteia. Dei aceast tehnic nu poate nlocui complet procedeul clasic de stabilitate, care presupune timp lung de observaie, ea poate prevedea de timpuriu asupra problemelor nedorite care decurg la temperatur ridicat i poate indica cele mai favorabile direcii care trebuiesc urmate, n vederea unei formulri de succes. De fapt, este bine cunoscut c la temperatur ridicat reactivitatea chimic a SM, componeni activi, att n stare pur ct i n amestec, se poate modifica, conducnd astfel la reacii necontrolabile, cu situaii ulterioare duntoare. Datorit unor astfel de situaii, reiese necesitatea de a determina stabilitatea termic, adic domeniul de temperatur peste care o substan nu se descompune cu o vitez apreciabil.

2.2. Evaluarea stabilitii termice pe baza comportrii la nclzire Stabilitatea medicamentelor fa de cldur, umiditate, oxidare i expunere la lumin reprezint o chestiune de mare interes practic, dar de o considerabil complexitate. Evaluarea stabilitii medicamentului sau a oricrei substane n stare solid se face, de regul, prin analizarea descompunerii sale n condiii izoterme sau neizoterme. n mod obinuit aceasta decurge tot timpul cu pierdere de mas ntr-un mod ireversibil. Se poate spune c o prim, i cea mai simpl, evaluare a stabilitii termice a medicamentelor se face prin urmrirea comportrii termice a acestora.

17

Reaciile de descompunere ale medicamentelor prezint att semnificaie practic, ct i tiinific. Astfel, aceste reacii fac posibil cunoaterea comportarea substanelor medicamentoase la diferite temperaturi, iar acea cunoatere este important pentru predicia condiiilor de stocare ale formulrilor, adic medicamentului n sine. De asemenea, ele permit obinerea de informaii despre temperaturi la care SM poate fi supus procesului tehnologice fr pierderea proprietilor sale specifice, fizico-chimice i farmacologice. Reaciile de descompunere sunt realizate de asemenea, pentru obinerea de compui solizi, care sunt caracterizai prin compoziia i activitatea corespunztoare, n vederea unor posibile aplicaii tehnologice viitoare. naintea aplicrii analizei termice la compui de profil farmaceutic trebuie fcute urmtoarele consideraii: analiza chimic a structurii compusului este capabil s ofere perspective utile asupra stabilitii sale; prezena unui atom de oxigen n structura compusului face posibil descompunerea acestuia, n absena aerului; prezena unui proces exoterm notabil, la o temperatur joas, necesit cunoaterea vitezei de descompunere, mecanismul corespunztor i valorile energiei de activare la diverse temperaturi. nelegerea rspunsului SM i a formulrilor lor la presiunile termice constituie o parte interesant a dezvoltrii produilor medicinali stabili. Astefel, metodele termice analitice au devenit astfel instrumente importante pentru dezvoltarea medicinei moderne. Acestea sunt tehnici precise i exacte, cu cerine mici de prob, i pot prevedea informaii detaliate despre noile entiti chimice, chiar n stadiile incipiente de descoperire i dezvoltare ale noilor compoziii i medicamente.

2.2.1. Principalele metode termice de analiz

Prin analiza termic se nelege un grup de tehnici, n care o proprietate fizico-chimic a probei investigate este msurat n funcie de timp sau temperatur, n timp ce temperatura probei, ntr-o atmosfer specific, este nclzit sau rcit cu o vitez stabilit de modifcare a temperaturii, sau este meninut la o temperatur constant. n funcie de parametrul msurat, n tabelul 2.1 se prezint principalele tehnici de analiz termic, cu terminologia recomandat de International Confederation of Thermal Analysis and Calorimetry (ICTAC) [153,154].

Tabelul 2.1. Principalele tehnici de analiz termic Proprietatea Tehnica Abrevierea

Masa Termogravimetrie Termogravimetrie derivat TG (TGA)

DTG Temperatura Analiza termic diferenial DTA

Entalpia Calorimetria cu scanare diferenial DSC Dimensiuni Termodilatometrie TD

Proprieti mecanice Analiza termomecanic Analiza mecanic dinamic TMA DMA

Evoluia gazului degajat Analiza gazelor emanate Detecia gazelor emanate EGA EGD

Proprieti optice Termoptometrie sau termomicroscopie Proprieti magnetice* Termomagnetometrie* TM Proprieti electrice* Termoelectrometrie* Prorpieti acustice* Termosonimetrie i termoacustimetrie* TS

Evoluia gazului radioactiv* Analiza termic de emanaie* ETA

* Tehnici mai puin cunoscute (utilizate) Cel mai frecvent utilizate sunt tehnicile TG, DTA i DSC.

2.2.1.1. Analiza termogravimetric (TG sau TGA) i termogravimetria derivat (DTG) Termogravimetria const n nregistrarea masei probei n funcie de temperatur sau de timp

(m = f(T); m = f'(t)), pe msur ce temperatura probei crete liniar cu timpul. Reprezentarea grafic

18

a masei sau procentului masic n funcie de temperatur sau de timp constituie curba termogravimetric (TG), de piroliz sau termogram.

Prin urmare, n TG se msoar continuu masa probei introdus ntr-un creuzet, nclzit ntr-un cuptor, n regim programat de temperatur, ntr-o atmosfer care poate fi controlat sau stabilit prin introducerea unui gaz. Msurtorile de mas se fac cu ajutorul unei balane (analitice) inclus ntr-un aparat de analiz termogravimetric.

Fig. 2.1. Curba TG n regim Fig. 2.2. Curba TG n regim neizoterm izoterm n funcie de modul n care se programeaz variaia parametrului temperatur se disting: a) tehnica dinamic sau neizoterm care urmrete variaia masei n condiiile dependenei

temperaturii de timp, T = f(t), dup o anumit lege (cel mai frecvent se utilizeaz programe liniare de temperatur, cnd proba se nclzete sau se rcete cu vitez constant, figura 2.1);

b) tehnica static sau izoterm n care temperatura se menine constant, iar variaia masei probei se nregistreaz n funcie de timp, figura 2.2.

Forma tipic a unei curbe TG nregistrat n regim dinamic prezint urmtoarele caracteristici (figura 2.1):

Ti temperatura iniial la care se nregistreaz o variaie decelabil a masei probei; Tf temperatura final la care masa probei devine constant;

Topt(Tmax) temperatura optim (maxim) care corespunde pantei maxime a curbei. Ordonata 'y' a curbei TG este proporional cu masa componentei sau componentelor volatile eliminate de la nceperea reaciei pn n momentul considerat, iar 'y' reprezint variaia total a masei n decursul reaciei. Se definete gradul de descompunere sau de conversie prin raportul:

yy

, unde 0 y y ; 0 1

Cunoaterea gradului de descompunere (transformare) permite efectuarea de studii cantitative referitoare la stoechiometria i cinetica reaciei. Compuii care prin descompunere conduc la eliminarea succesiv a mai multor componente volatile prezint curbe TG caracterizate prin tot attea paliere intermediare.

Aparatele de analiz TG traseaz simultan i curba termogravimetrica derivat (DTG), de obicei n coordonatele dm/dt = f(T).

Efectele termice care sunt nregistrate pe curba DTG indic mai exact temperaturile de ncepere (Ti) i sfrit (Tf) a procesului termic, precum i temperatura la care variaia de mas decurge cu vitez maxim, respectiv temperatura corespunztoare vrfului picului dat de efectul termic (Tmax), figura 2.3. Pe curba TG, variaiile succesive de mas, care au loc n intervale de temperatur (foarte) apropiate nu pot fi delimitate cu suficient precizie, prnd a exista un singur proces. Acest lucru se

19

rezolv cu ajutorul curbei DTG, nregistrndu-se picurile corespunztoare tuturor proceselor, din care se determin temperaturile caracteristice.

Fig.2.3. Compararea curbelor TG i DTG

De asemenea curba DTG red direct valoarea vitezei de reacie (dm/dt sau d/dt), parametru folosit n analiza cinetic.

2.2.1.2. Analiza termic diferenial (DTA) i calorimetria cu scanare diferenial (DSC) Principiul metodei DTA const n msurarea, n timpul nclzirii sau rcirii, a diferenei de temperatur (T) dintre temperatura probei analizate (Tp) i temperatura unei substane (material) de referin (etalon) (Tr), pe parcursul unui tratament termic. Curba obinut prin nregistrarea parametrului T = Tp Tr, n funie de timp, sau de temperatur, se numete curb de analiz termic diferenial (DTA). Forma general (idealizat) a unei astfel de curbe este prezentat n figura 2.4.

Fig.2.4. Forma idealizat a unei curbe DTA Aria picului exoterm sau endoterm este proporional cu variaia entalpiei H a procesului termic respectiv. Tehnica DSC este similar tehnicii DTA, implicit curbele termice corespunztoare, cu menionarea faptului c n locul diferenei de temperatur se msoar diferena de entalpie sau flux termic.

2.2.2. Aplicaii ale metodelor termice prezentate Fiecare dintre curbele TG i DTA sau DSC este caracteristic substanei analizate. Cele mai importante aplicaii ale analizei TG se refer la: - determinarea stabilitii termice relative; - determinarea coninutului de ap sau ali componeni volatili; - analiza cantitativ a diferitor compui sau amestecuri de compui; - studiul reactivitii diferitor compui.

20

n ceea ce privete aplicaiile tehnicilor DTA i DSC, acestea sunt att de natur fizic, ct i chimic. Principalele fenomene de natur fizic, respectiv chimic care pot fi detectate cu aceste tehnici sunt: topire, cristalizare, vaporizare, sublimare, tranziii vitroase, tranziii cristaline, respectiv: deshidratare, descompunere, degradare oxidativ, reacii n faz solid, combustie. n domeniul farmaceutic, tehnica DSC este cea mai utilizat dintre metodele termice de analiz, datorit sensibilitii mari pe care o prezint, ceea ce permite cuantificarea modificrilor de entalpie a unor compui puri sau rezultai dintr-o descompunere. Tehnica DSC constituie un instrument de lucru valoros pentru analiza i controlul medicamentelor, n special datorit capacitii mari de detecie a tranziiilor, respectiv a transformrilor subtile, nesesizabile altfel i a umerilor n interiorul picului endotermic de topire. Acest lucru i permite s determine cu siguran puritatea unei SM sau produs farmaceutic, sau contaminarea acestuia n diverse faze ale procesrii sau stocrii [28,83,84,88,155].

2.2.3. Factori care influeneaz rezultatele analizei termice Natura, precizia i acurateea rezultatelor metodelor termice de studiu sunt influenate de o serie de factori legai de condiiile n care se desfoar determinrile experimentale. Aceti factori pot fi clasificai n dou categorii: factori instrumentali i factori caracteristici probei. Dintre factorii instrumentali cei mai importani sunt viteza de nclzire i atmosfera cuptorului, iar dintre cei caracteristici probei, masa acesteia 2.2.3.1. Viteza de nclzire. Creterea acesteia se manifest astfel: deplasarea proceselor termice (implicit a curbelor termice) spre temperaturi mai mari (n special Tf), suprapunerea efectelor termice apropiate (pe curba TG variaia masei nu are loc distinct), iar pe curba DTA (DSC) vrfurile picurilor sunt mai nguste, ceea ce favorizeaz separarea unor procese apropiate. n funcie de natura i succesiunea proceselor care au loc exist o vitez optim de determinare [156,157]. 2.2.3.2. Atmosfera cuptorului, dinamic sau static influeneaz procesele datorit faptului c acestea presupun prezena uneia sau mai multor faze gazoase. n funcie de caracterul inert, oxidant sau reductor al atmosferei, unele procese se desfoar sau nu. Creterea presiunii gazului conduce la deplasarea temperaturilor spre temperaturi mai mari, implicit curbele termice se deplaseaz. n atmosfer de vacuum, procesele i implicit curbele se deplaseaz spre temperaturi mai mici, datorit scderii presiunii pariale a componentei gazoase [158,159]. 2.2.3.3. Masa (cantitatea) de prob. Datorit transferului de cldur care are loc i difuziei produilor volatili, creterea masei probei conduce la scderea rezoluiei, iar intervalele de temperatur n care se desfoar procesele cresc, n special prin creterea lui Tf, evident pe curbele termice. De asemenea, aria picurilor DTA i DSC crete, deoarece aceasta este proporional cu masa componentei active din prob.

Prezentarea i interpretarea curbelor TG, DTG, DTA i DSC este lipsit de semnificaie dac nu se indic i condiiile n care au fost obinute acestea, cu referire n special la masa probei, viteza de nclzire i atmosfera cuptorului [160,161].

2.3. Evaluarea stabilitii termice pe baza studiului cinetic 2.3.1. Analiza cinetic. Scop. Metode Stabilitatea termic a unei substane poate fi caracterizat i pe baza studiului cinetic, care a

devenit o chestiune esenial n analiza termic, tot mai muli investigatori abordnd astfel de studii. Interesul este complet justificat. Pe de o alt parte, datele cinetice sunt eseniale pentru descrierea oricrui gen de mecanism, n care descompunerea termic are loc; pe de alt parte, analiza cinetic este n legtur direct cu mecanismul de descompunere. Cunoaterea mecanismului permite a presupune ecuaiile cinetice sau invers, iar analiza cinetic constituie punctul de plecare pentru a presupune mecanismele descompunerii termice 162-164.

Cunoaterea parametrilor cinetici ai ecuaiei lui Arrhenius constituie una din cile de a determina mecanismul reaciilor n stare solid.

21

Ca i aplicabilitate concret a studiului cinetic la stabilitatea medicamentelor, pe lng stabilitatea timpului i condiiilor de stocare (prezentate deja, anterior) pe baza valorilor parametrilor cinetici se pot determina timpii de stabilitate ai medicamentelor:

- timpul de via (life time) (intervalul de timp pentru care un medicament i conserv activitatea);

- timpul de njumtire (half-life time) (intervalul de timp n care se descompune izoterm jumtate din medicament);

- timp de via prestabilit (shelf-life time) (intervalul de timp n care se descompune izoterm o cantitate mic de produs, prestabilit).

Determinarea timpilor menionai anterior se face prin nclzirea probei i grbirea procesului de descompunere, astfel nct valorile acestora trebuie interpretate cu precauie pentru temperatura camerei.

Cunoaterea valorilor parametrilor cinetici pentru SM pure i asocierile acestora cu ali componeni (excipieni) este de asemenea semnificativ pentru a elucida miscibilitatea/ compatibilitatea i efectele acesteia asupra stabilitii termice [165-169].

n ceea ce privete evaluarea parametrilor cinetici exist dou opiuni: - parametrii cinetici au un neles fizic i pot fi folosii pentru a ajuta la elucidarea

mecanismelor reaciilor n stare solid; - parametrii cinetici nu au un neles fizic, dar pot ajuta n prezicerea vitezei procesului n

condiii drastice, ca de exemplu temperatura nalt. Pare a fi acceptabil faptul c determinarea parametrilor cinetici nu poate constitui cel mai

eficient mijloc de determinare a mecanismului unei reacii, totui acest lucru poate fi util pentru tragerea concluziilor rezonabile, cu privire la un mecanism [170-173].

Termogravimetria (TG) este o metod util i convenabil pentru studiul unei mari varieti de procese de descompunere ale medicamentelor sau compuilor de interes farmaceutic. Adesea, datele cinetice sunt obinute din reprezentarea grafic a masei pierdute vs. timp sau temperatur. Informaii demne de ncredere pot fi obinute pentru procesele care au loc ntr-o singur etap, bine definit, n care evoluia unui produs sau produi gazoi bine caracterizai reflect viteza de descompunere. Deseori, procesele de descompunere decurg n etape multiple, care au viteze diferite, avnd loc o suprapunere a proceselor (reaciilor). n aceste cazuri, datele cinetice obinute nu sunt caracteristice numai procesului fundamental, avnd valoare limitat. Pentru evaluarea parametrilor cinetici pot fi utilizate att experimente izoterme, ct i neizoterme [174-180]. Fiecare dintre acestea prezint avantaje i dezavantaje. Metodele izoterme i analiza termic cu vitez controlat pot ajuta la separarea parial a suprapunerii. Cea mai potrivit cale de a obine date cinetice credibile este de a monitoriza pierderea de mas vs. timp, pentru a obine constantele de vitez, la cteva temperaturi diferite. Cteva repetri la fiecare temperatur prevd o bun reflectare a nesiguranei n valorile constantelor de vitez, obinute. Metodele propuse pentru studiul cinetic al descompunerii termice sunt clasificate de obicei n metode model-fitting i model-free [181-188]. n fiecare caz pot fi utilizate date din experimente izoterme i/sau neizoterme. Metodele model-fitting presupun fitarea (verificarea) diferitor modele cinetice la curbele -temperatur i determinarea simultan a energiei de activare i a factorului pre-exponenial. Practica uzual const n poriuni de fitare ale curbelor TG care conin suprafaa ce intereseaz, i nu toat curba. Se consider c metodele cu viteze de nclzire multiple sunt mai potrivite pentru obinerea parametrilor cinetici, dect cele cu o singur vitez de nclzire. Metodele model-free sau metodele izoconversionale sunt considerate ca fiind cele mai de ncredere. Ele nu necesit cunoaterea modelului cinetic de reacie i determin energia de activare n funcie de marimea conversiei, ceea ce reprezint un interes specific cnd descompunerea termic decurge n mai multe etape. Practic, pe baza acestei dependene se consider ca se poate face diferenierea ntre reaciile care au loc ntr-o etap sau n etape multiple. n acelai timp se poate face o delimitare a reaciilor suprapuse, dar problema separrii proceselor rmne nerezolvat.

22

2.3.2. Cinetica reaciilor n faz solid Pentru o reacie cu participarea a cel puin unei faze solide sau reacii n sisteme eterogene,

de forma: A(s) B(s) + C(g) (2.1)

se definete gradul de conversie sau transformare, astfel: = (mi mt)/( mi mf) (2.2)

unde: mi, mf i mt sunt masa probei iniiale, finale i la momentul t. n general, ecuaia cinetic a unui astfel de proces poate fi descris astfel:

d/dt = K(T)f() (2.3) adic viteza de reacie (d/dt) depinde de temperatur i gradul de conversie, iar, K(T) este constanta de vitez, pe cnd f() este funcia de conversie diferenial. Conform ecuaiei lui Arrhenius:

K(T) = Aexp(-E/RT) (2.4) unde: A este factorul pre-exponenial, E este energia de activare, T este temperatura absolut, iar R este constanta gazelor (8,314 Jmol-1 K = 2 calmol-1 K). nlocuind ecuaia (2.4) n ecuaia (2.3) se obine:

d/dt = Aexp(-E/RT)f() (2.5) O serie de lucrri consider c pentru condiii izoterme, funcia de conversie diferenial are expresia corespunztoare legii aciunii maselor:

f() = (1-)n (2.6) unde n este ordinul de reacie, iar expresia n sine corespunde modelului de reacie. nlocuind relaia (2.5) n relaia vitezei de reacie (ecuaia (2.3)) rezult:

d/dt = k(1-)n (2.7) care prin integrare, conduce la urmtoarele ecuaii cinetice integrale:

g() = [1-(1-)1-n]/(1-n) = kt pentru n 1 (2.8)

g() = -ln(1-) = kt pentru n = 1

i g() =

0

)(/d f este funcie de conversie integral.

Tabelul 2.2 Modele matematice pentru studiul cinetic al reaciilor n stare solid

Mecanism Simbol f() g() Modelul ordinului de reacie Fn* (1-)n

Nucleaie i creterea germenilor (Ecuaia Avrami-Erofeev) An n(1-)

n-ln(1-)(1-1/n) -ln(1-)1/n

Difuzie unidimensional (legea parabolic) D1 2

1 2

Difuzie bidimensional (ecuaia Valensi) D2 )1ln(

1

(1-)ln(1-)+

Difuzie tridimensional intr-o sfer (ecuaia Jander) D3 3/1

3/2

)1(12)1(3

1-(1-)1/32

Difuzie tridimensional (ecuaia Ginstein-Brouhnstein) D4 1)1(2

33/1

3/2)1(3

21

Ecuaia Prout-Tompkins B1 (1-)

1

ln

Legea puterii Pn n()(n-1)/n 1/n

Legea exponenial E1 ln * n = corespunde la deplasarea bidimensional a interfeei i n = 2/3 la deplasarea tridimensional a interfeei

23

Spre deosebire de cinetica omogen n care ecuaiile (2.7) i (2.8) sunt riguros valabile, n cinetica eterogen se verific i alte expresii ale lui f(), respectiv g(). Tabelul 2.2 include principalele expresii ale funciilor de conversie. De fapt, expresiile lui f(), sub forma generalizat, corespund ecuaiei lui Sestak-Berggren 189:

f() = n(1-)m-ln(1-)p (2.9) unde n,m i p sunt parametri constani. Gorbachev 190 a artat c numai doi dintre cei trei parametri sunt suficieni pentru descrierea cinetic a unei reacii care are loc ntr-un sistem eterogen. n condiii neizoterme, cnd temperatura crete cu o vitez de nclzire, , constant:

= dT/dt = const. (2.10) se obine:

d/dt = d/dT = Aexp(E/RT)f() sau d/dT = (A/)exp(E/RT)f() (2.11) care, prin separarea variabilelor devine:

d/f()= (A/)exp(E/RT) dT (2.12) Integrarea ecuaiei difereniale (2.12) conduce la:

g() =

0

)(/d f = T

Ti

dTRTEA )/exp(

(2.13)

unde, Ti este temperatura la care ncepe procesul investigat.

Cum g() = Ti

dTRTEA

0

)/exp(

0, n ecuaia (2.13) se poate pune ca limit inferioar

0, astfel nct:

g() =

0

)(/d f = T

dTRTEA

0

)/exp(

(2.14)

Descrierea cinetic complet a unui sistem n care are loc o reacie chimic presupune cunoatearea aa numitei triplete cinetice: E, A i f(). Pentru aplicarea metodelor integrale este necesar evaluarea integralei de temperatur, care nu poate fi calculat exact astfel nct aceasta se rezolv pe baza unor aproximaii plecnd de la urmtoarea form a acesteia:

I(E,T) = T

xpREdTRTE

0

)()/exp( (2.15)

unde x = E/RT. De-a lungul timpului, numrul lucrrilor care au abordat rezolvarea integralei de temperatur a crescut, ceea ce a condus la diverse clasificri ale metodelor de determinare a parametrilor cinetici. Una dintre cele mai adecvate clasificri, propus de Flynn i Wall 191, se regsete i n cartea lui Segal i Ftu 192, fiind urmtoarea: metode difereniale, bazate pe ecuaia (2.11); metode care utilizeaz diferene de difereniale i au la baz aceeai ecuaie; metode integrale bazate pe ecuaia (2.14);

metode speciale. n urma progreselor din domeniul cineticii neizoterme s-a ajuns la urmtoarea clasificare: 1. metode care utilizeaz o singur curb = f(T), nregistrat la o singur vitez de nclzire; 2. metode liniare, izoconversionale, care utilizeaz curbe = f(T), nregistrate la mai multe viteze de nclzire; 3. metode neliniare de evaluare a energiei de activare; 4. metoda parametrilor cinetici invariani (IKP) bazat pe efectul de compensare a parametrilor de activare (factor pre-exponenial i energie de activare) i metoda cinetic non-parametric (NPK).

24

n continuare vor fi prezentate succint cteva dintre metodele care sunt des ntlnite n literatura de specialitate i pe care le-am folosit n cadrul studiilor cinetice efectuate.

2.3.2.1. Metode de determinare a parametrilor cinetici din curba = f(T) La baza metodelor de evaluare a parametrilor cinetici, n regim neizoterm stau ecuaiile diferenial, respectiv integral:

(d/dT) = Af()exp(E/RT) (2.16)

g() =

0

)(/d f = T

dTRTEA

0

)/exp(

= p(x)REA

(2.17)

unde x = E/RT. Utiliznd curba TG (m = f(T)) se traseaz curba = f(T), iar prin derivarea acesteia curba d/dT = f(T).

n mod analog se acioneaz n cazul curbelor DTA sau DSC, tiind c = aT/A, unde aT este aria parial pn la temperatura T, iar A este aria total.

A. Metoda diferenial Chang Prin logaritmarea ecuaiei vitezei de reacie (2.16) se obine ecuaia:

ln (d/dT) lnf() = lnA E/RT (2.18) care st la baza metodei difereniale atribuit lui Chang [193]. Reprezentarea grafic ln (d/dT) lnf() n funcie de 1/T, pentru o form analitic dat a lui f() va da o linie dreapt ai crei parametri sunt lnA i (-E/R). Din ordonata la origine i panta acestei drepte se determin A i E, alturi de n la verificarea lui f(). B. Metoda Freeman-Carroll (F-C)

Procedeul general al acestei metode, care utilizeaz diferene de difereniale, a fost elaborat de Freeman i Carroll [194] i utilizeaz cea mai simpl funcie de conversie, corespunztoare modelului ordinului de reacie, f() = (1)n.

n acest caz, expresia vitezei de reacie sub form logaritmic va fi:

ln(d/dt) = nln(1) + ln A TR

E 1 (2.19)

Prin aplicarea operatorului ecuaiei (2.19) se obine: ln(d/dt) = nln(1) E/R) (1/T) (2.20) ecuaie care, prin mprire cu ln(1) sau (1/T), conduce la ecuaiile:

)1ln(

)/1()1ln(

)/(ln)1ln()/ln(

T

REndTddtd (2.21)

respectiv:

RE

Tn

Tdtd

Tdtd

)/1(

)1ln()/1(

)/(ln)/1(

)/ln( (2.22)

Fiecare dintre cele dou relaii reprezint ecuaia unei drepte, avnd ordonata la origine egal cu n, iar panta dreptei permite calculul lui E. Metoda poate fi aplicat pentru o singur vitez de nclzire. C. Metoda Coats-Redfern (C-R) Una dintre metodele integrale folosit n mod curent n cinetica neizoterm a fost instituit de

Coats i Redfern [195] i se bazeaz pe ecuaia vitezei de reacie (2.17), n care 2)exp()(

xxxp , iar

logaritmare devine:

25

2T)g(ln =

RTE

ERT

21EARln

RTE

EARln (2.23)

Valoarea ordinului de reacie se stabilete prin ncercri ale formei funciei g(), astfel nct reprezentarea grafic lng()/T2 vs. 1/T s fie liniar. Din panta i ordonata la origine a dreptei astfel obinute, se pot evalua cu uurin E i A. S-a artat [196] c pentru E/R > 5, aceast metod conduce la valori ale lui E cu eroare mai mic dect 4%.

D. Metoda Madhusudanan

Metoda instituit de Madhusudanan-Krishnan-Ninan [197] este similar metodei Coats-Redfern:

TRE0,1204

REln1,92063,7678

ERAln

T)g(ln 1,9206

(2.24)

E. Metoda Flynn-Wall, pentru o vitez de nclzire

Aceast metod [191,198] integral folosete ecuaia vitezei de reacie (2.17) sub form logaritmic i aproximaia lui Doyle [199] pentru p(x):

ln p(x) = 5,3311,052x astfel nct ,

lng() =

REAln 5,331 1,052E/RT (2.25)

Procedura de aplicare a metodei este analoag metodei Chang. Metodele prezentate i care se bazeaz pe o singur determinare folosesc un set de funcii de conversie pentru alegerea celei mai probabile, nereuindu-se totdeauna o discriminare corespunztoare ntre acestea. De asemenea, se consider c energia de activare nu depinde de gradul de conversie, aspect valabil pentru reaciile n faz omogen, dar infirmat n multe cazuri pentru reaciile n faz eterogen. Din acest motiv, n cele mai multe cazuri se apeleaz la metodele izoconversionale.

2.3.2.2. Metode liniare izoconversionale

Fa de metodele anterioare, metodele izoconversionale nu necesit cunoaterea funciei de conversie (modelul cinetic) i folosesc curbele = f(T) obinute pentru diferite viteze de nclzire, considerndu-se c valorile parametrilor cinetici nu depind de viteza de nclzire. Metodele izoconversionale pot fi clasificate n liniare i neliniare. n cazul celor liniare se determin E din panta unei drepte, precum i dependena lui E de , pe cnd n cel de-al doilea caz E se determin dintr-o condiie de minim. Fiecare dintre cele dou categorii cuprinde metode difereniale (bazate pe ecuaia vitezei de reacie), respectiv metode integrale (utilizeaz expresia integrat a ecuaiei vitezei de reacie i o aproximaie a integralei de temperatur). Principalele metode vor fi prezentate n continuare, ct mai pe scurt.

A. Metoda Friedman (Fd)

Metoda izoconversional diferenial Friedman [200] se bazeaz pe ecuaia general a vitezei de reacie (2.16), care prin logaritmare devine:

dTd

ln = lnA + lnf() E/RT (2.26)

Pentru = const. i folosind diferite viteze de nclzire (), reprezentarea grafic a

dTd

ln

n funcie de 1/T conduce la drepte, din a cror pant se determin E. Pentru diverse valori ale lui se obine o serie de drepte, ce constituie diagrama Friedman. n unele cazuri reprezentrile grafice

26

nu conduc la drepte, ceea ce se ntmpl n cazul n care odat cu creterea vitezei de nclzire intervine o modificare a mecanismului de reacie sau a etapei determinante de vitez.

B. Metoda Flynn-Wall-Ozawa (F-W-O)

Metoda izoconversional integral instituit separat de Flynn i Wall [191] respectiv Ozawa [198] se bazeaz pe ecuaia integral a vitezei de reacie (2.17) i aproximaia Doyle pentru p(x):

ln p(x) = 5,3311,052x Prin logaritmare se obine:

ln =)(

lngREA

5,331 1,052

RTE (2.27)