Các kỹ thuật phân tích hệ phân tán rắn (P1)

Sau khi bào chế, thành phẩm cần được đánh giá để xác định có sự khác biệt về dạng tinh thể so với dược chất ban đầu hay không hay đơn giản là có thật sự thu được hệ phân tán rắn (SD) như mục tiêu. Xác định và phân tích SD thường sử dụng các kỹ thuật như nhiễu xạ bột tia X (XRPD), phân tích nhiệt quét vi sai (DSC), kính hiển vi ánh sáng phân cực (PLM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), Phổ Raman (RM)…

• Trong các bài viết trước, chúng ta đã khám phá những kỹ thuật phổ biến để sản xuất hệ phân tán rắn, chẳng hạn như sấy phun và phun sấy tạo hạt…. Sau khi bào chế, thành phẩm cần được đánh giá để xác định có sự khác biệt về dạng tinh thể so với dược chất ban đầu hay không hay đơn giản là có thật sự thu được “hệ phân tán rắn” (SD) như mục tiêu. Bên cạnh đó, các SD thường tồn tại ở trạng thái năng lượng cao nên các phân tử dược chất có xu hướng kết tụ lại và tạo thành các hạt nhân (nucleation), với các vi tinh thể dần phát triển thành các tinh thể hoàn chỉnh. Vì vậy, việc xác định và phân tích cấu trúc hệ phân tán rắn thành phẩm là cần thiết.
• Xác định và phân tích SD thường sử dụng các kỹ thuật phân tích khác nhau, bao gồm: nhiễu xạ bột tia X (X-ray powder Diffraction – XRPD), phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC), kính hiển vi ánh sáng phân cực (Polarized Light Microscopy – PLM), kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM), phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy – IR), Phổ Raman (Raman Spectroscopy – RM) và cộng hưởng từ hạt nhân ở trạng thái rắn (Solid-state Nuclear Magnetic Resonance – ssNMR). Các phương pháp này cung cấp thông tin thiết yếu về các đặc tính vật lý và hóa học của SD, giúp hiểu rõ đặc điểm của chúng dưới các điều kiện khác nhau.

1. Nhiễu xạ bột tia X (XRPD)

• Các mẫu nhiễu xạ bột tia X (XRPD) hoạt động tương tự như dấu vân tay, với các đặc trưng riêng biệt như số lượng, vị trí, cường độ và sự sắp xếp hình học của các đỉnh nhiễu xạ. Các tinh thể có các đỉnh nhiễu xạ rõ ràng, sắc nét biểu thị cho trật tự phân tử có cấu trúc của chúng. Ngược lại, trong hệ phân tán rắn vô định hình (ASD), dược chất ở trạng thái vô định hình, thường hiện ra với các đỉnh rộng giống như quầng sáng thay vì các đỉnh rõ nét và sắc bén. Nếu thuốc và chất mang (carrier) chỉ được trộn về mặt vật lý thay vì tích hợp hóa học, mẫu XRPD của hỗn hợp sẽ xuất hiện dưới dạng chồng lấp các mẫu nhiễu xạ của từng thành phần riêng biệt, phản ánh sự tồn tại độc lập của mỗi thành phần trong hỗn hợp.

Hình 1. So sánh XRPD giữa Felodipine tinh thể và Felodipine ASD được tạo ra bằng các phương pháp khác nhau

2. Phân Tích Nhiệt

• Phân tích nhiệt đặc trưng cho các tính chất vật lý của hệ thống khi chúng thay đổi theo nhiệt độ, với phương pháp chủ yếu là phân tích nhiệt quét vi sai (DSC). DSC định lượng dòng nhiệt liên quan đến một chất khi chất đó được gia nhiệt hoặc làm lạnh dưới điều kiện kiểm soát để giữ mẫu thử và mẫu tham chiếu ở cùng một nhiệt độ. Các tín hiệu nhiệt trong các biểu đồ DSC phản ánh các hiện tượng như nóng chảy, tái kết tinh, chuyển pha và phân hủy của mẫu. Ví dụ, các chất tinh thể thường thể hiện các tín hiệu nóng chảy đặc trưng cho cấu trúc mạng tinh thể của chúng. Trong trường hợp không có đỉnh nóng chảy, mẫu có khả năng ở dạng hệ phân tán rắn vô định hình.
• Đối với các vật liệu vô định hình, nhiệt độ chuyển dịch kính (Tg) có thể được xác định chính xác bằng phương pháp DSC điều biến (mDSC), cung cấp độ phân giải và độ nhạy nâng cao. Tg là chỉ số quan trọng cho sự linh động phân tử trong ASD. Trên Tg, vật liệu vô định hình ở trạng thái “dẻo” (rubbery state), làm tăng khả năng tái kết tinh khi chuyển động phân tử trở nên thường xuyên và rộng hơn. Ngược lại, ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với Tg, hệ phân tán rắn ổn định hơn nhờ hoạt động phân tử giảm, làm chậm quá trình lão hóa. Hình 2 minh họa các biểu đồ DSC/mDSC so sánh Felodipine tinh thể và các ASD Felodipine được tạo ra bằng các kỹ thuật khác nhau. API dạng tinh thể thể hiện một đỉnh nóng chảy rõ rệt, trong khi các mẫu vô định hình thể hiện các chuyển đổi Tg dạng bậc thang, cho thấy các hành vi nhiệt khác biệt của các trạng thái vật lý khác nhau.

Hình 2. So sánh DSC/mDSC giữa Felodipine tinh thể và Felodipine ASD được tạo ra bằng các phương pháp khác nhau

3. Phương Pháp Kính Hiển Vi

3.1. Kính hiển vi ánh sáng phân cực (Polarized Light Microscopy – PLM)

• Kính hiển vi ánh sáng phân cực (PLM) dùng để xác định và phân biệt trực quan giữa cấu trúc tinh thể và vô định hình trong các mẫu bằng cách phát hiện lưỡng chiết (vật liệu có tính lưỡng chiết sẽ hiện ra với các màu sắc hoặc ánh sáng đặc trưng, vật liệu vô định hình sẽ có bề ngoài tối hơn và không có màu sắc).
• Phương pháp này không chỉ hỗ trợ nhận diện tính chất tinh thể mà còn cung cấp thông tin chi tiết về hình thái và phân bố kích thước hạt của các mẫu. Hình 3 cho thấy các hình ảnh PLM so sánh Felodipine tinh thể với Felodipine ASD được tạo ra bằng các kỹ thuật khác nhau. Felodipine tinh thể thể hiện sự lưỡng chiết rõ nét, đặc trưng cho cấu trúc có trật tự của nó, trong khi các mẫu vô định hình không có các mô hình phát sáng, xuất hiện tối hơn dưới ánh sáng phân cực chéo. Ngoài ra, có sự khác biệt về kích thước và hình thái hạt giữa các mẫu vô định hình được tạo ra bằng các phương pháp khác nhau, làm nổi bật ảnh hưởng của các kỹ thuật chế tạo đối với các tính chất vật lý của ASD.

Hình 3. So sánh PLM giữa Felodipine tinh thể và Felodipine ASD được tạo ra bằng các phương pháp khác nhau.

3.2. Kính hiễu vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM)

• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao, mang lại cái nhìn trực tiếp và chi tiết về hình thái và đặc điểm bề mặt của vật liệu. Hình 4 cho thấy các hình ảnh SEM so sánh Felodipine tinh thể với Felodipine ASD được tạo ra với các chất mang khác nhau bằng cách sấy phun. Trong các hình ảnh này, Felodipine tinh thể xuất hiện dưới dạng các hạt dạng que, thể hiện cấu trúc mạng tinh thể. Ngược lại, các mẫu ASD sản xuất qua phương pháp sấy phun thể hiện các hạt dạng cầu bị xẹp. Các hạt này được đặt trưng bởi kích thước nhỏ hơn và diện tích bề mặt lớn hơn, đặc tính này giúp tăng tốc độ hòa tan của thuốc.

Hình 4. So sánh SEM giữa Felodipine tinh thể và Felodipine ASD được tạo ra với các tá dược khác nhau qua phương pháp sấy phun

4. Các phương pháp khác

4.1. Phổ hồng ngoại (IR)

• Các nhóm chức khác nhau trong các phân tử có các đỉnh hấp thụ hồng ngoại đặc trưng. Trong trường hợp không có tương tác giữa dược chất và tá dược, phổ hồng ngoại của hệ phân tán rắn vô định hình (ASD) thường giống với phổ hỗn hợp vật lý đơn thuần (hỗn hợp chỉ được trộn về mặt vật lý mà không có bất kỳ sự kết hợp hóa học nào giữa các thành phần). Tuy nhiên, khi có tương tác xảy ra giữa dược chất và tá dược, phổ hồng ngoại sẽ phản ánh qua sự thay đổi vị trí hoặc cường độ của các đỉnh hấp thụ. Những thay đổi này có giá trị trong việc nhận diện chất, cho phép phân tích chi tiết về các tương tác hóa học trong ASD.

4.2. Phổ Raman (RM)

• Phổ Raman, một kỹ thuật tán xạ dao động, đặc biệt hiệu quả trong việc phát hiện các nhóm không phân cực, nơi hấp thu hồng ngoại có thể ít hiệu quả hơn. Phương pháp này có thể được sử dụng như một công cụ bổ sung cho phổ hồng ngoại, giúp cải thiện phân tích cấu trúc và nhận dạng pha. Bằng cách kết hợp phổ Raman, có thể đạt được các kết quả toàn diện và chi tiết hơn, cung cấp sự hiểu biết đầy đủ về các tương tác phân tử và thành phần vật liệu.

4.3. Cộng hưởng từ hạt nhân ở trang thái rắn (Solid-state Nuclear Magnetic Resonance – ssNMR)

• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ở trạng thái rắn (NMR) là công cụ phân tích mạnh mẽ để nhận diện định tính và định lượng các dạng tinh thể và vô định hình trong các mẫu rắn. Phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc bằng cách đo các tương tác lưỡng cực, khuếch tán spin và thời gian thư giãn mà không cần phá hủy mẫu. Hơn nữa, NMR trạng thái rắn có thể đo các thời gian giãn nở cộng hưởng từ hạt nhân, cung cấp thông tin quan trọng về tính linh động của phân tử trong mẫu. Khả năng này đặc biệt hữu ích trong việc hiểu tốc độ kết tinh của các dược chất vô định hình. Ngoài ra, NMR trạng thái rắn có vai trò quan trọng trong nghiên cứu các tương tác giữa dược chất và tá dược, là một phương pháp linh hoạt và cần thiết trong việc xác định đặc tính của các dạng rắn dược phẩm.

Tài liệu tham khảo:

https://www.crystalpharmatech.com/characterization-and-evaluation-of-amorphous-solid-dispersion-asd-part-1.html

hệ phân tán rắn hệ phân tán rắn hệ phân tán rắn hệ phân tán rắn hệ phân tán rắn hệ phân tán rắn hệ phân tán rắn