本期我們?yōu)橹扑幱脩魩?lái)更加詳細(xì)具體的水活度在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用案例。我們一起先睹為快吧。
晶體賦形劑的臨界水活度
賦形劑具有許多功能,可作為填充劑,保護(hù)固體藥物制劑產(chǎn)品中的活性藥物成分(API)。 通常,這些賦形劑的基質(zhì)是結(jié)晶的或無(wú)定形的。
對(duì)于晶體賦形劑,化合水或潮解水的加入或損失會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不良變化,例如溶解特性的改變或API 功效的降低。這些是熱力學(xué)的變化過(guò)程,因此與水活度相關(guān)。
吸濕等溫線,描述水分含量與水活度的關(guān)系,將清晰顯示晶線材料在該等溫線上發(fā)生90°轉(zhuǎn)彎的急劇變化(圖1)2。發(fā)生這種變化時(shí)的水活度稱為“臨界水活度”。避免晶體賦形劑出現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵是根據(jù)吸濕等溫線確定臨界水活度,確認(rèn)水活度在安全范圍內(nèi)。
任何加入的賦形劑都應(yīng)監(jiān)測(cè)水活度,以確保滿足規(guī)范。
圖1. 顯示晶體材料潮解的吸濕等溫線(3)
無(wú)定形賦形劑的關(guān)鍵水活度
無(wú)定形賦形劑通常水分含量低,處于亞穩(wěn)態(tài)玻璃狀。它們?yōu)锳PI提供保護(hù)的能力取決于它們?cè)诋a(chǎn)品的整個(gè)生命周期中保持玻璃態(tài)。
賦形劑基質(zhì)從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變,稱為"玻璃相變",將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塌陷,流動(dòng)性增加,溶解性改變,結(jié)塊和結(jié)晶的敏感性增加4。由此產(chǎn)生的后果是產(chǎn)品將無(wú)法很好地流動(dòng),壓縮或壓片,并且可能過(guò)早溶解。溫度或水活度的改變會(huì)引起玻璃相變。 產(chǎn)品發(fā)生玻璃相變的水活度稱為“臨界水活度”,可以從吸濕等溫線的急劇變化處看出(圖2)5。為了保持無(wú)定形賦形劑的功能,確定臨界水活度并采取措施確保產(chǎn)品的水活度在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中保持在臨界水活度以下是很關(guān)鍵的。
圖2. 吸濕等溫線表明了玻璃化轉(zhuǎn)變的臨界水活度。 低于臨界水活度,產(chǎn)品保持穩(wěn)定。 高于臨界水活度,產(chǎn)品變得不穩(wěn)定,保質(zhì)期縮短5
水活度和微生物安全
微生物需要獲得足夠能量的水,以允許水進(jìn)入細(xì)胞。這種水對(duì)于維持膨壓和正常的代謝活動(dòng)至關(guān)重要。微生物周圍水的能量用水活度來(lái)描述,水要進(jìn)入微生物,微生物內(nèi)部的水活度必須低于其周圍環(huán)境的水活度。換句話說(shuō),水活度不是供微生物生長(zhǎng)的水,而是決定了水是否可以進(jìn)出細(xì)胞的水的能量。當(dāng)微生物遭遇水活度低于其內(nèi)部水活度的環(huán)境,它經(jīng)歷滲透脅迫,水離開(kāi)細(xì)胞,從而降低膨壓并導(dǎo)致代謝活動(dòng)停止(圖3)。作為回應(yīng),生物體將試圖通過(guò)溶質(zhì)的濃度來(lái)控制其內(nèi)部水活度。這種降低內(nèi)部水活度的能力是每種生物體所獨(dú)有的,這就是為什么不同的微生物具有不同的極限生長(zhǎng)的最小水活度(表1)7。
請(qǐng)注意,水分含量并未被提及對(duì)微生物生長(zhǎng)有影響,因?yàn)闆Q定微生物能否獲得水的不是水分含量,而是水活度(能量),即生物體內(nèi)部的水活度。因此,控制微生物污染風(fēng)險(xiǎn)在限值內(nèi)的任何努力,以及伴隨的微生物限度檢查的減少,都必須以水活度測(cè)量為依據(jù)而不是水分含量。
表1.各種微生物生長(zhǎng)所需的水活度限值
水活度和原料藥的降解
固體制劑的水活度小于 0.70 aw時(shí),表明微生物生長(zhǎng)被抑制。但是,此范圍內(nèi)的產(chǎn)品 并沒(méi)有無(wú)限的保質(zhì)期。對(duì)于水活度在0.40–0.70 aw 范圍內(nèi)的產(chǎn)品,API 的化學(xué)降解是失效模式的有力候選,因?yàn)槠浞磻?yīng)速率處于最大值。一般來(lái)說(shuō),隨著水活度的增加,反應(yīng)速率也會(huì)增加8。導(dǎo)致API降解的最常見(jiàn)反應(yīng)是水解,盡管脂質(zhì)氧化(酸敗)和酶促反應(yīng)也可能在API損失中發(fā)揮作用。 最有效的防止這些導(dǎo)致API顯著損失反應(yīng)發(fā)生的方法是將它們加工成低水活度,使反應(yīng)速率最小,然后選擇適當(dāng)?shù)馁x形劑使其能最好地保持水活度。
利用水活度跟蹤水分變化
如吸濕等溫線所顯示的,水活度的增加伴隨著水分增加;但是,這種關(guān)系是非線性的,并且對(duì)于每個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都是的。等溫線斜率的增加表明吸濕性增加,這將限制水分被吸收時(shí)水活度的變化。這通常是賦形劑的理想特性,因?yàn)樗试S產(chǎn)品吸收水分,同時(shí)仍然保持API的水活度在限制降解反應(yīng)速率的水平上,如前一節(jié)所示。
API 的水活度增加到不安全水平的另一種方式是通過(guò)多組分藥物(如膠囊)中的水分遷移。如果組分均處于不同的水活度狀態(tài),則無(wú)論其水分含量如何,水都會(huì)在組分之間移動(dòng)。水分從高水活度(能量)遷移到低水活度9。水分將繼續(xù)在組分之間移動(dòng),直到達(dá)到水活度的平衡,這取決于每個(gè)組分的吸濕等溫線,而不是初始水活度之間的中間點(diǎn)(圖4)。如果API的水活度增加,它可能處于足夠高的水平以加速降解。為避免此問(wèn)題,組分必須配制為具有相同的水活度。
圖 4. 具有不同的初始水活度的兩種組分的產(chǎn)品的水分吸附等溫線
黑點(diǎn)表示初始水活度,而箭頭表示每個(gè)組分的水分遷移方向以及伴隨的水分含量變化。 虛線表示組分的水活度將進(jìn)入平衡狀態(tài),水分遷移將停止。等溫曲線與虛線線相交的點(diǎn)表示最終水活度時(shí)各組分的水分含量9。
最重要的說(shuō)明
在藥品質(zhì)量控制和配方研究中,水活度有時(shí)是一個(gè)被忽略和低估的參數(shù) 。 此外,它還為優(yōu)化產(chǎn)品穩(wěn)定性提供了關(guān)鍵信息。潮解、凝固和結(jié)塊、溶解、微生物敏感性、API降解等問(wèn)題可以通過(guò)確定產(chǎn)品的理想水活度范圍和將水活度測(cè)量作為批量檢查的常規(guī)參數(shù)來(lái)解決。由于水活度處于這個(gè)理想范圍,大多數(shù)藥品也符合減少微生物限度檢查,從而節(jié)省時(shí)間并降低生產(chǎn)成本。
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