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THERMISCHEANALYSE & RHEOLOGIE HyperDSC - Mehr Informationen in kürzerer Zeit

Autor / Redakteur: Iris Platthaus* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Im Forschungslabor der Pharmazeutischen Industrie hat sich die Dynamische– Differenz-Kalorimetrie (DDK, engl. DSC) über mehrere Jahre hinweg etabliert. Die Anforderungen an die Analytik zur Charakterisierung von Wirkstoffen und Arzneistoffträgern steigen jedoch stetig.

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Abb.1: Das PerkinElmer Diamond DSC: Mit dem Leistungskompensations-Design wird HyperDSC möglich.
Abb.1: Das PerkinElmer Diamond DSC: Mit dem Leistungskompensations-Design wird HyperDSC möglich.
( Archiv: Vogel Business Media )

Im Forschungslabor der Pharmazeutischen Industrie hat sich die Dynamische– Differenz-Kalorimetrie (DDK, engl. DSC) über mehrere Jahre hinweg etabliert. Die Anforderungen an die Analytik zur Charakterisierung von Wirkstoffen und Arzneistoffträgern steigen jedoch stetig. Von der Forschung über Produktentwicklung bis hin zur Herstellung werden Informationen über die Substanzeigenschaften ermittelt. Üblicherweise werden bei DSC Messungen Heizraten von 10 K/min bis 40 K/min genutzt; diese sind für die meisten Anwendungen ausreichend. Schwierig werden die DSC-Analysen dann, wenn die Substanzmenge sehr gering ist, da hieraus nur ein sehr schwaches Signal resultiert. Neben der Empfindlichkeitssteigerung von DSCAnalysen wächst der Bedarf an High Throughput Analysen mit zunehmendem Probenaufkommen.

Mit HyperDSC gelingt die Messung thermischer Eigenschaften von Proben mit sehr schnellen Scanraten [1]. Die schnellen Heiz- und Kühlraten von 200 bis 500 K/min, die diese Methode nutzt, führen zu einer deutlichen Erhöhung des Wärmefluss-Signals und damit zu einer bedeutenden Steigerung der Empfindlichkeit. Die Zunahme der Empfindlichkeit erklärt sich aus dem Grundprinzip von DSC-Messungen: Das Ausgangssignal bei DSC wird in mW (J/sec) gemessen. Weil das DSC Experiment mit HyperDSC beschleunigt wird, erscheint der gleiche Wärmefluss in einem kürzeren Zeitintervall und das thermische Ereignis wird größer. Identifizieren lassen sich so auch extrem niedrigenergetische Umwandlungen.

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Mit dieser Technik können Veränderungen der Probe, die während eines konventionellen DSC Experiments mit langsamen Heizraten auftreten, reduziert oder eliminiert werden. Diese Ereignisse können Rekristallisation beim Schmelzen, Zersetzung nach dem Schmelzen oder andere strukturelle Veränderungen sein. Eine Untersuchung der Probe in dem „wahren Ist-Zustand“ ist mit dieser Methode möglich. In dem Zeitfenster der Messung verbleibt der Probe keine Zeit für strukturelle Veränderungen und deshalb wird das Material so analysiert wie es es dem Instrument zugeführt wird. Beispiele zu dieser Art von Analysen bei Thermoplasten findet man in den Arbeiten von Pijpers und Mathot [2].

Es ergeben sich weitere wichtige Vorteile beim Arbeiten mit HyperDSC. Ihre höhere Empfindlichkeit erlaubt es, deutlich geringere Mengen an Substanz, bis hin zu wenigen Mikrogramm, zu untersuchen. Dies erweist sich dann als besonders nützlich, wenn nur eine geringe Substanzmenge, wie z.B. bei der Produktentwicklung zur Verfügung steht. Die schnellen Scanraten erlauben dem Anwender seinen Probendurchsatz von einer handvoll Proben, wie es mit konventioneller DSC üblich ist, bis zu 100 Proben am Tag zu erhöhen, was eine Steigerung um den Faktor 10 bedeutet.

Die HyperDSC-Technik erfordert ein DSC-Instrument, mit ultraleichten, kleinen Öfen, die sicherstellen, dass das System während des Experimentes mit hohen Scanraten unter Kontrolle ist. Ein Leistungskompensations-DSC, wie das Diamond DSC von PerkinElmer (Abb.1), ist das einzige auf dem Markt verfügbare Instrument, das alle Anforderungen zum Einsatz dieser Technik in der Praxis, erfüllt.

Die Untersuchung von amorpher Laktose mit HyperDSC

Laktose ist ein wichtiger Arzneistoffträger und wird häufig in Formulierungen von Tabletten und als Träger für Arzneistoffe, die mittels Pulverinhalatoren zugänglich sind, eingesetzt. Durch ihre breiten Einsatzfelder als Träger sind Informationen, in welcher Form die Laktose hergestellt wird, von großer Bedeutung. Änderungen in der Struktur der Laktose führen zu veränderten Eigenschaften der Formulierung, z.B. Agglomeration in Pulvern. Es gibt mehrer Beispiele in der Literatur, wo die Instabilität der physikalischen Struktur eines Bestandteils des Arzneimittels die Bioverfügbarkeit beeinflusst [3].

HyperDSC wurde eingesetzt um den amorphen Anteil von Mischungen von sprühgetrockneter Laktose zu untersuchen. Zwei unterschiedliche Proben Laktose wurden für die Studie verwendet. Die erste war eine sprühgetrocknete 100% amorphe Probe und die zweite eine vollständig kristalline Probe von a-Laktose Monohydrat.

Abbildung 2 zeigt die Effekte von sprühgetrockneter Laktose im konventionellen DSC und im HyperDSC-Experiment. Die konventionellen DSC-Kurven werden durch die Daten, die mit einer Heizrate von 20 K/min und 100 K/min repräsentiert. HyperDSC-Daten wurden mit Heizraten von 250, 400 und 500 K/min gesammelt. Alle Messungen erfolgten auf dem gleichen Analysator.

Den Glasübergang von Laktose sieht man normalerweise im Temperaturbereich von 100-120 °C und ist schwer bei konventionellen DSC Scanraten zu erkennen. Mit HyperDSC ist die Identifizierung und Quantifizierung des Glasübergangs möglich. Man beobachtet den Tg von Laktose im Temperaturbereich von 80-100 °C. Die tiefere Temperaturlage des Tg beruht auf dem weich machenden Effekt von Wasser, das während der schnellen Messung nicht verdampfen kann. Nach dem Glasübergang beobachtet man eine Exotherme, die auf Rekristallisationsvorgänge zurückzuführen ist. Gefolgt wird dieses Ereignis von zwei Schmelzvorgängen. Die beiden Peaks sind zwei Formen der Laktose, die durch Rekristallisation entstehen, zuzuordnen. Der erste Peak ist das Schmelzen der wasserfreien a-Laktose, und der zweite der von b-Laktose.

Bestimmung des amorphen Anteils der Laktose

Eine Serie von Gemischen von sprühgetrockneter Laktose und a-Laktose Monohydrat mit bekanntem Mischungsverhältnis wurden für die Bestimmung des amorphen Anteils hergestellt und mit HyperDSC untersucht. Die Mischungsverhältnisse reichten von 100% sprühgetrockneter Laktose bis zu 1,5% sprühgetrockneter Laktose in a-Laktose Monohydrat.

Um auch bei geringen Prozentanteilen den Tg zu analysieren, wählte man als HyperDSC Scanrate 500 K/min. Die Änderung der Stufenhöhe des Glasübergangs wurde vom Onset bis zum Maximum ermittelt und indiziert die Änderung der spezifischen Wärme dieser Umwandlung. So wurden alle Messungen der unterschiedlich konzentrierten Proben ausgewertet. Es konnte eine lineare Beziehung zwischen der Höhe des Tg und des prozentualen amorphen Anteils gefunden werden. Diese Daten belegen welches Potenzial für die Entwicklung der Methode zur Bestimmung von amorphen Anteilen in der HyperDSC Technik steckt.

In welcher Modifikation liegt eine Substanz vor?

HyperDSC kann ebenfalls eingesetzt werden, um die Frage zu klären, welche Modifikation eines Materials vorliegt und ob eventuell weitere polymorphe Formen existieren. Dazu reicht eine geringe Substanzmenge aus, da die Peakgröße eine Funktion der Heizrate ist. Bei DSC-Messungen mit schnellsten Heizraten beobachtet man einen weiteren Effekt; die Probe wird so schnell erwärmt, dass kinetische Ereignisse wie z.B. Strukturumwandlungen während des Experimentes nicht auftreten.

Dies zeigt die HyperDSC Untersuchung an Chlorpropamide in Abbildung 3. Gemessen mit einer herkömmlichen Heizrate von 5 K/min beobachtet man im Thermogramm zwei endotherme Peaks. Eine Erhöhung der Heizrate um 50 K/min bewirkt eine Zunahme der Fläche des ers-ten Peaks. Halbiert man die Messzeit nochmals, so verbleibt der Probe keine Zeit für strukturelle Veränderungen. Die Entstehung der zweiten polymorphen Form wird unterdrückt. Somit erlauben Messungen mit HyperDSC das Material in seinem ursprünglichen Zustand zu charakterisieren.

HyperDSC liefert mehr Informationen als herkömmliche Methoden

HyperDSC entwickelt sich zu einem wichtigen Werkzeug im analytischen Bereich der Pharmazeutischen Industrie. HyperDSC liefert zusätzliche Informationen der Probe und bestätigt die Anwesenheit von Polymorphien. Die Methode eliminiert Fehlinterpretationen und hilft somit bei der Verbesserung der Produktqualität. Sie erlaubt dem Anwender, mit ihren schnellen Scanraten, den Probendurchsatz bis zu 100 und mehr Proben am Tag zu erhöhen und eignet sich sehr für Screening von neuen Substanzen.

Die gesteigerte Empfindlichkeit, die mit dieser neuen Methode verfügbar ist, erleichtert das Erkennen von schwachen Umwandlungen, die mit konventioneller DSC häufig übersehen werden. Die Ermittlung des amorphen Anteils wird mit HyperDSC verbessert. Gesicherte Interpretation der Ergebnisse und schnelle Scanraten machen HyperDSC zur einer bevorzugten analytischen Methode in der Pharmazeutischen Industrie, da sie auch hilft die Produktionseffizienz zu verbessern und für eine schnellere Markteinführung neuer Produkte sorgen kann.

*I. Platthaus, PerkinElmer Life and Analytical Sciences, 63110 Rodgau

Literatur:[1] PETech099 PerkinElmer Applicationnote[2] Thijs F. J. Pijpers, Vincent B. F. Mathot, Bart Goderis, Rolf L. Scherrenberg, Eric W. van der Vegte; Marcomolecules 2002, 35, 3601 -3613.[3] Yu L., Adv Drug Deliv Rev 2001, 48, 27-42

Interview

Dr. Henning Menke, Geschäftführer der deutschen Niederlassung von PerkinElmer sprach mit LaborPraxis über den Zusammenschluss von Life Sciences und Analytical Instruments und die bevorstehende Analytica 2004 in München.

LaborPraxis: Seit einem guten Jahr gibt es nun PerkinElmer Life and Analytical Sciences. Was hat sich geändert?

Dr. Menke: Für die Kunden hat sich das Produkt- und Service Angebot noch einmal deutlich verbessert. Wir haben unsere Kapazitäten für die Demonstration von Geräten und Probenmessungen in der Zentrale in Rodgau erweitert. Ein hochmotiviertes Team von Spezialisten unterstützt unsere Kunden bei ihren Fragestellungen, demonstriert unsere Geräte, führt Probemessungen durch und erarbeitet vor Ort oder beim Kunden maßgeschneiderte Problemlösungen. Vor allem die breite, nun unter einem Dach zusammengefasste Produktpalette macht uns zu einem Anbieter, der für nahezu alle Fragestellungen optimale Ausstattung und Beratung leisten kann.

LaborPraxis: Welche Entscheidungskriterien sollte der Anwender beim Neukauf eines Gerätes neben dem Preis ansetzen?

Dr. Menke: Für uns ist es wichtig, dass die Kunden optimale Ergebnisse mit den Systemen erzielen. Dafür bieten wir Lösungen an, die sich nicht an einer beschränkten Produktauswahl orientieren müssen, sondern die Ziele der Anwender in den Mittelpunkt stellen. Das ist heute das Kriterium, nach dem Beschaffungen durchgeführt werden sollen. Dieses Konzept wird unterstützt durch unser Applikations-Support-Team und ein umfangreiches Kundentrainings-und Ausbildungsprogramm.

LaborPraxis: Welche neuen Produkte können wir auf der Analytica sehen?

Dr. Menke: Besondere Schwerpunkte, die wir auch durch ein umfangreiches Vortragsprogramm unterstützen, sind: der neue Lumitrack, ein Liquid-Handling- System mit integriertem CCD-Kontakt- Imaging zur Messung von zellulären und biochemischen Lumineszenz- Kinetiken; Multi-Probe-II plus, ein Pipettier- Roboter mit Zentrifugen-Integration, besonders geeignet für robuste, vollautomatisierte genomische DNAIsolation; die neue Head-Space-Trap für unsere GC-Produktlinie mit deutlich verbesserten Nachweisgrenzen; die neuen Optima-ICP-Systeme; die neuen Systeme zeichnen sich insbesondere durch erhöhte Produktivität und die Automatisierung der Fließ-Injektions-Technik aus. Alle Interessierten sind herzlich eingeladen, uns auf unserem Stand 405/504 in Halle A4 zu besuchen.

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