Vplyv teploty na sorpčnú kinetiku vlhkosti v mikrokryštalickej celulóze

Pre lepšiu účinnosť orálnej dávkovej formy farmaceutických liečiv a vývoj spracovania je zásadné pochopenie fyzikálnych vlastností aktívnych a pomocných látok, ako je mikrokryštalická celulóza (MCC). MCC je široko používaná vo farmaceutickom priemysle ako pomocná látka v kombinácii s aktívnymi farmaceutickými prísadami. MCC je prášok prakticky nerozpustný vo vode, ale vodu absorbuje, je značne hygroskopický. Uvádza sa, že sorpcia vlhkosti pomocou MCC spôsobuje problémy so stabilitou tabliet, čo ovplyvňuje ich účinnosť v dôsledku vystavenia vlhkosti [1, 2]. Táto štúdia bola vykonaná za účelom merania sorpčného správania vody a kinetiky MCC (štandardný materiál PH-101) v rozsahu 0-95% relatívnej vlhkosti pri teplote 5-60°C pomocou dynamickej sorpcie pár (DVS). Difúzne koeficienty boli vypočítané v teplotnom rozmedzí 10-60°C.

Metóda
Technika DVS je gravimetrická sorpčná technika, ktorá meria, ako rýchlo a koľko par je absorbované vzorkou. Používa tok nasýteného nosného plynu parami, ktorému je vzorka vystavená a meria sa zmena jeho hmotnosti. DVS je využívaná pre testovanie vplyvu podmienok - vlhkosti a teploty - na štruktúru a vlastnosti produktov. K minimalizácii vplyvu veľkosti častíc bola použitá mikrokryštalická celulóza (PH-101) od spoločnosti Sigma Aldrich s veľkosťou častíc 50 µm. 6-20 mg vzorky bolo vložené do misky na vzorky DVS a okamžite umiestnené do komory pre vzorky. Vzorky boli najprv sušené pod kontinuálnym prúdom suchého vzduchu ako nosného plynu, aby sa stanovila hmotnosť suchej vzorky, m₀. Vzorky boli následne vystavené nasledujúcim typickým profilom parciálneho tlaku: 0-90% RH v 10% krokoch, nasledovaným 5% krokom na 95% RH. Parciálny tlak bol potom znížený podobným spôsobom. Experimenty boli nastavené v režime dm/dt s pevnou hodnotou kritéria 0,002% min^-1. Rovnaké experimenty sorpcie vlhkosti boli vykonané pri 5°C, 10°C, 20°C, 25°C, 40°C, 50°C a 60°C na vzorke MCC. Pre výpočet difúznych koeficientov bola použitá veľkosť častíc 50 μm.

Výsledky
Superponované grafy kinetiky sorpcie a desorpcie vlhkosti pre vzorku MCC pri rôznych teplotách sú uvedené na obr. 1. Porovnanie sorpčných izoterm v teplotnom rozmedzí 5-60°C vidíte na obr. 2. Dáta sú vyjadrené ako percentuálna zmena hmotnosti s odkazom na hmotnosť vzorky po fáze sušenia. Dáta ukazujú, že v rozmedzí teplôt 5-25°C absorpcia vlhkosti pri konkrétnej relatívnej vlhkosti nevykazuje významný rozdiel. Výsledky sorpcie vody pri 40°C, 50°C a 60°C však naznačujú, že percento absorpcie vody klesá s rastúcou teplotou. Vyššie teploty zvyšujú rozpustnosť a objemovú absorpciu a mali by v skutočnosti zvýšiť absorpciu, ale vzorka, ktorá zmení svoju štruktúru, ktorá spôsobí zníženie sorpčnej kapacity vody pri zvýšených teplotách. Obr. 1 ukazuje, že zvyšovaním teploty sa zrýchľuje kinetika sorpcie vlhkosti materiálu MCC vďaka zvýšenej difúzii práškovým materiálom. Hysterézna krivka medzi sorpčnými a desorpčnými izotermami pri 60°C (obr. 5) je užšia v porovnaní s 10°C (obr. 3). Ako teplota stúpa, molekuly vody sa voľnejšie pohybujú von z objemovej štruktúry, čo má za následok menšiu hysterézu a zvýšenie difúznych koeficientov, ako je uvedené v tab. 1.



V experimente DVS je kinetika sorpcie vlhkosti vzoriek častíc určená rýchlosťou zvyšujúcou sa relatívnou vlhkosťou, priemernou veľkosťou častíc, experimentálnou teplotou a hmotnosťou vzorky. V tejto štúdii bolo rýchle dodávanie vlhkosti do vzorky pri určitej relatívnej vlhkosti optimalizované dynamickým tokom zvlhčeného nosného plynu. Účinok veľkosti častíc a veľkosti vzorky bol eliminovaný použitím priemernej veľkosti častíc 50 μm a typickej navážky vzorky menšej ako 20 mg. Súčasné dáta jasne ukazujú vplyv teploty na kinetiku sorpcie vlhkosti pri rôznych podmienkach a vplyv relatívnej vlhkosti na teplotnú stabilitu.

Záver
Fyzikálne vlastnosti aktívnych a pomocných látok, ako je MCC, sú zásadné pri podávaní účinných látok vo farmaceutických výrobkoch. Vplyv teploty na kinetiku sorpcie vlhkosti MCC ukazuje zvýšenie molekulárnej pohyblivosti vody, čo vedie k rýchlejšiemu rovnovážnemu času, ale znižuje celkovú absorpciu vlhkosti pri zvýšených teplotách v dôsledku štrukturálneho usporiadania v materiáli.

Obr. 1: Kinetika sorpcie vodnej pary MCC v teplotnom rozsahu 5-60°C	Obr. 2: Sorpčné izotermy vodnej pary na MCC v teplotnom rozsahu 5-60°C
Obr. 3: Sorpčná izoterma vodnej pary pri 10°C	Obr. 4: Sorpčná izoterma vodnej pary pri 25°C
Obr. 5: Sorpčná izoterma vodnej pary pri 60°C

Literatúra
[1]. Sahputra, I.H., Alexiadis A., Adams, M.J., J. Polymer Sci., 2019, 10.1002/polb.24801.
[2]. Mihranyan, A., Llagostera, A.P., Karmhag, R., Strømme M., Int. J. Pharm., 2004, 269(2).