Charakterisierung von Lyophilisaten

1. Charakterisierung von Lyophilisaten Wahlpflichtfach SS07 Xenia Riegger Betreuer: Stefan Schneid

2. Übersicht • Herstellung von Lyophilisaten: • Herstellung verschiedener Mannitolformulierungen • Gefriertrocknung • Analytik: • Restwassergehalt mittels Karl Fischer • Röntgendiffraktometrie (XRPD) • Differential Scanning Calorimetry (DSC) Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

3. Hintergrund des Themas • Variabilität von Mannitol a Problem für Produktion • Untersuchung gebräuchlicher Hilfsstoffe a Einfluss auf physikalischen Zustand von Mannitol Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

4. Herstellung von Lyophilisaten Herstellung verschiedener Mannitol- formulierungen Gefriertrocknung

5. Hilfsstoffe • Mannitol a Füllstoff: kristallin, nicht stabilisierend • Saccharose a amorph, stabilisierend • Trehalose a amorph, stabilisierend • Polysorbat a Tensid: zur Benetzung des Wirkstoffes, zur Stabilisierung von Proteinen • Citronensäure a pH-Einstellung Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

6. Mannitol • sechswertiger Zuckeralkohol • Schmelzpunkt 165-168°C • Polymorphie: Alpha, Beta, Delta, Hydrat • Verwendung: Füllmittel, Zuckeraustauschstoff, Trockenbindemittel • in üblicher Konzentration eingesetzt (dreifache Menge der Summe der anderen gelösten Stoffe) Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

7. Formulierungen Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

8. Gefriertrocknung • Phasen: 1. Einfrieren aAbkühlen bis zur vollständigen Verfestigung der Lösung 2. Primärtrocknung aEntfernung des Eises durch Sublimation 3. Sekundärtrocknung aEntfernung von stärker gebundenem Wasser bei erhöhter Temperatur • 109 Vials mit je 3ml • 11 Thermoelemente • Dauer: 39h 24min Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

10. Analytik Restwassergehalt mittels Karl Fischer Röntgendiffraktometrie (XRPD) Differential Scanning Calorimetry (DSC)

11. Karl Fischer • Bestimmung des Restwassergehalts • je ein Center Vial aller Formulierungen Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

12. Karl Fischer - Ergebnisse • Restwasser des reinen Mannitol: 0.2% • je höher amorpher Anteil, desto größer Wassergehalt • höchster Wassergehalt: 2.4% • Formulierung 3: Mannitol 4% + Saccharose 1% • Niedrigster Wassergehalt: 0.03% • Formulierung 5: Mannitol 4.95% + Polysorbat 0.05% • Formulierungen mit Mannitol Hydrat: >1% • Formulierungen ohne Mannitol Hydrat: <1% Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

13. Röntgendiffraktometrie - allgemein • XRPD = X-Ray Powder Diffractometry • zur Strukturaufklärung in der Kristallographie • Messung der Beugungseigenschaften von Feststoffen: • Beugung verursacht durch Kristallgitter • Abstände zwischen den Kristallebenen führen zu bestimmten Beugungsmustern Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

14. Röntgendiffraktometer Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

15. Röntgendiffraktometrie - Methode • Methode: • 2q = 0.5° bis 40° • 0.02° pro Sekunde • je 1 Center- und 1 Edge-Vial aller Formulierungen • Reinsubstanzen: Mannitol, Natriumchlorid und Citronensäure aUntersuchung auf Kristallinität und Mannitol- Modifikation Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

20. Röntgendiffraktometrie - Ergebnisse • Mannitol Ausgangssubstanz: v.a. Delta • gefriergetrocknete Formulierungen mit Saccharose, Trehalose oder Polysorbat: v.a. Delta a Kristallisation zu Delta durch Hilfsstoffe erleichtert • gefriergetrocknete Formulierungen ohne Zusätze (höchstens Citronensäure) : v.a. Beta a während Gefriertrocknung findet Kristallisation zu Beta statt Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

21. Röntgendiffraktometrie - Ergebnisse • Formulierungen mit Citronensäure: • keine charakteristischen Übereinstimmungen mit der Referenz • Citronensäure ist während Gefriertrocknung amorph geblieben oder nur in sehr geringen Mengen kristallisiert; evtl. Menge zu gering zur Detektion • Mannitol Hydrat nur in Formulierungen mit Saccharose Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

22. Röntgendiffraktometrie - Ergebnisse • alle Formulierungen besaßen einen ziemlich hohen kristallinen Anteil • Formulierungen Mannitol + Saccharose oder Mannitol + Trehalose waren recht amorph • Center- und Edge-Vials einer Formulierung zeigten kaum Unterschiede a wenig Heterogenität im Prozess, Ergebnisse der verschiedenen Formulierungen vergleichbar Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

23. DSC - allgemein • Differential Scanning Calorimetry • Thermoanalytisches Verfahren • zur Beobachtung endothermer und exothermer Phasentransformationen • Probentiegel und leerer Referenztiegel a Messung der Wärmestromdifferenzen beim Durchlaufen eines Temperaturprofils Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

24. DSC - Phasentransformationen • Beispiele: • Endotherm: Schmelzpunkt, Glasübergang • Exotherm: Kristallisation Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

25. DSC - Methoden • Methode 1: • je 1 Center- und 1 Edge-Vial aller Formulierungen • Starttemperatur 25°C • Abkühlen auf 0°C mit 10°C/Min • 2 Min auf 0°C halten • Erwärmen auf 180°C mit 10°C/Min • Methode 2/3: • zusätzlich, nur für komplexere Formulierungen • Starttemperatur 25°C • Erwärmen auf 40/50°C mit 10°C/Min • 2 Min auf 40/50°C halten • Erwärmen auf 180°C mit 2.5°C/Min Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

28. DSC - Ergebnisse • Mannitol-Schmelzpunkte (nach Burger et al.): • Alpha 166°C • Beta 166.5°C • Delta 150-158°C • endothermer Peak zwischen 130 und 140°C: • nur wenn Delta vorhanden ist • meist Saccharose oder Trehalose enthalten • evtl. durch Schmelzen des Hydrats • darauf folgend Umkristallisation zu Alpha oder Beta Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

29. DSC - Ergebnisse • Schmelzpunkterniedrigung bei Formulierungen mit Alpha und Beta Modifikation: • nur wenn Saccharose enthalten ist • aber nicht in allen Formulierungen mit Saccharose • Bildung eines Eutektikums mit Saccharose, die während der Messung kristallisiert • Diverse Kristallisationen und Glasübergänge • Überlagerung von Kristallisationen und Glasübergängen durch unterschiedliche Bestandteile • keine sichere Zuordnung möglich • würde modulierte Messungen erfordern Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

30. Fazit • gefriergetrocknete Mannitolformulierungen werden beeinflusst in: • Kristallstruktur • Restwassergehalt • Schmelzverhalten • Hilfsstoffe, die die Eigenschaften von Mannitol wesentlich verändern: • Saccharose • Trehalose Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07

31. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Besonderer Dank gilt meinem Betreuer Stefan Schneid!

32. Quellen • Yu, Milton, Groleau, Mishra, Vansickle: Existence of a Mannitol Hydrate during Freeze-Drying and Practical Implications • Liao, Krishnamurthy, Suryanarayanan: Influence of Processing Conditions on the Physical State of Mannitol – Implications in Freeze-Drying • Pikal: Freeze Drying • Liu: Physikal Characterization of Pharmaceutical Formulations in Frozen and Freeze-Dried Solid States: Techniques and Applications in Freeze-Drying Development • Burger, Henck, Hetz, Rollinger, Weissnicht, Stöttner: Energy/Temperature Diagram and Compression Behavior of the Polymers of D-Mannitol • Bauer, Frömming, Führer: Lehrbuch der Pharmazeutischen Technologie • meyweb.physik.uni-giessen.de • www.wikipedia.org • www.menzl.com • www3.sckcen.be • http://giangarloscientific.com • http://www.pharmazie.uni-duesseldorf.de Xenia Riegger, Charakterisierung von Lyophilisaten, Wahlpflichtfach SS07