Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Estimation of molecular mobility of disaccharides

Show full item record

Title: Estimation of molecular mobility of disaccharides
Author(s): Hautaniemi, Mikaela
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Discipline: Industrial pharmacy
Language: English
Acceptance year: 2012
Abstract:
In pharmaceuticals amorphous state can be obtained either intentionally or unintentionally. Intentional production is used, for example, to improve the dissolution of poorly soluble compounds, to stabilize the structure of proteins, or to improve the mechanical properties of excipients (e.g., lactose). Unintentional introduction of amorphous phases can result from general manufacturing procedures of pharmaceuticals, such as coating, granulation, drying, milling, and compression. The presence of amorphous regions, even in small quantities, can exhibit a significant influence on the physical and chemical stability of pharmaceutical products. Molecular mobility in formulation with amorphous content is believed to be the key factor of their stability. Therefore, evaluating of molecular mobility is an important step in pharmaceutical product development. The aim of this study was to estimate molecular motions in amorphous disaccharides using calorimetric approach at temperatures below the glass transition temperature (Tg), where relaxation process is very slow as compared to the time of experiment. When temperature is low enough, the initial relaxation time parameter (τi) can be used as an estimate for relaxation process on the timescale of pharmaceutical product shelf life. The results of the present study revealed similar trend in stability of amorphous forms for the disaccharides (sucrose experiencing the fastest structural relaxation), which can be assumed on the basis of Tg alone, where higher Tg would result in more stable glassy state (Tg of sucrose is the lowest). Storage temperature of Tg - 55oC or lower would suffice for amorphous trehalose, melibiose and cellobiose to achieve at least 2 year's relaxation time, while for sucrose the temperature is Tg - 70oC. Fragility has been used as a helpful mean for classifying amorphous materials. All the compounds can be classified as fragile. Fragility ranking in the present study contains some degree of uncertainty, while 3 different approaches revealed somewhat different results for ranking the disaccharides. The variation in the results can be attributed to the overall sensitivity of DSC. The method described in the present study is quite difficult to apply without supportive information from other techniques. The results, obtained with the method, are very dependent on the slope in plotting ln q vs. 1/Tg, and even small fluctuations in the estimation can lead to different fragility values and consequently to different relaxation times. However, the final results reveal values for relaxation times well below Tg, which are in reasonable agreement with modern theoretical understanding of glassy state dynamics.
Lääkevalmistuksessa amorfista muotoa käytetään, esimerkiksi parantamaan liukoisuusnopeutta, stabiloimaan proteiinien rakennetta säilytyksen aikana ja parantamaan apuaineiden käsiteltävyyttä. Aine voi muuttua osittain tai kokonaan amorfiseen muotoon monen tavallisen lääkevalmistusprosessin, kuten kalvopäällystyksen, rakeistuksen, kuivauksen, jauhatuksen ja puristuksen seurauksena. Amorfisten alueiden läsnä ollessa aineen fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat merkittävästi, mikä vaikuttaa lääkevalmisteen fysikaaliseen ja kemialliseen säilyvyyteen. Amorfisen aineen molekyylimobiliteetti on tärkeä lasitilan pysyvyyttä kuvaava parametri. Tämän vuoksi on tärkeää arvioida se lääkekoostumussuunnittelun alkuvaiheessa. Tutkimuksen tavoitteena oli määrittää differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC) apuna käyttäen neljän amorfisen disakkaridin molekyylimobiliteettia alhaisissa (verrattuna Tg:seen) lämpötiloissa. Relaksaatio tapahtuu tutkituissa lämpötiloissa hyvin hitaasti. Niin hitaasti, että alkurelaksaationopeutta voidaan käyttää hyväksi relaksaatioprosessin kokonaisuuden arvioinnissa. Tutkimuksessa käytetyillä disakkarideilla on todettu olevan samanlainen relaksaatiotaipumus, kun tätä arvioidaan lasisiirtymälämpötilan (Tg) -arvon perusteella. Korkeamman Tg:n omaavilla yhdisteillä lasitila on tavallisesti pysyvämpi. Sakkaroosin Tg on alhaisin tutkimuksessa käytetyistä disakkarideista. Amorfisella mellibioosilla, trehaloosilla ja selibioosilla on kahden vuoden relaksaatioaika säilytettäessä lämpötilassa Tg-55oC. Amorfisen sakkaroosin kohdalla tarvitaan alhaisempi säilytyslämpötila (Tg-70oC) samansuuruisen relaksaationopeuden saavuttamiseen. Fragiliteettia voidaan käyttää amorfisten aineiden luokitteluun ja vertailuun. Kaikki tutkimuksessa käytetyt disakkaridit voidaan luokitella hauraiksi yhdisteiksi. Fragiliteetin arvot laskettiin kolmen eri menetelmän avulla. Tuloksina saatiin kolme jossain määrin erilaista fragiliteettijärjestystä. Tulosten epäyhtenevyys johtuu ainakin osittain DSC -laitteiston ominaisuuksista. Tutkimuksessa käytettyä menetelmää on vaikea soveltaa ilman muiden menetelmien tukitietoja. Tg:n riippuvuudella lämmitysnopeudesta on tärkeä merkitys, tästä syystä pienikin poikkeama ko. arvoissa saa aikaan merkittävät muutokset lopputulokseen. Tästä huolimatta tutkimuksen lopputuloksena saatujen relaksaatioajan arvojen voidaan todeta olevan yhdenmukaisia aikaisimpien tutkimuksien kanssa.
Keyword(s): amorphous DSC relaxation time freeze-drying amorfinen differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC) relaksaatioaika kylmäkuivaus


Files in this item

Files Size Format View
Mikaela Hautaniemi.pdf 733.3Kb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record