Yarı Katı Farmasötik Formülasyonların Reolojik Karakterizasyonu

Giriş

İlaçların güvenliği ve etkinliği, dünya genelinde büyük önem taşımaktadır. Bu durum, topikal formülasyonlar da dahil olmak üzere tüm ilaç türleri için geçerlidir. Topikal formülasyonlar, yarı katı ürünlerdir ve belirli bir dokuya doğrudan uygulanarak, cilt veya vücudun dış yüzeyindeki rahatsızlıkların tedavisinde kullanılır.

Piyasada merhemler, pomatlar, jeller, kremler, losyonlar ve diğer birçok topikal dozaj formu bulunmaktadır.

Yeni bir yarı katı jenerik ilaç piyasaya sürülmeden önce, yalnızca etkin maddenin türü ve derişiminin, halihazırda onaylanmış referans ilaca (Reference Listed Drug) eşdeğer olduğu değil, aynı zamanda ürünün fiziksel ve yapısal özelliklerinin de karşılaştırılabilir olduğu gösterilmelidir.

Bu doğrulama, mikroyapı ve fiziksel özelliklerin karakterizasyonunun dikkatli bir şekilde yapılmasını gerektirir.
Bu amaçla, çeşitli kuruluşlar ve resmi otoriteler (örneğin FDA, EMA, NMPA) konuya ilişkin rehberler yayımlamıştır.¹²

Bu rehberlerde, yalnızca tek nokta viskozite ölçümlerinden çok daha öteye giden kapsamlı reolojik karakterizasyon önerilmektedir.

Kurumdan bağımsız olarak, bu öneriler genellikle aşağıdaki ölçümleri içermektedir:

• Geniş bir kayma hızı (shear rate) aralığında tam akış eğrisinin belirlenmesi,

• Akma geriliminin (yield stress) ölçülmesi,

• Viskoelastik özelliklerin incelenmesi.

Buna ek olarak, iki formülasyonun karşılaştırılabilirliğini göstermek için sürünme ve toparlanma (creep and recovery) testleri ile tiksotropi ölçümleri de oldukça faydalı olabilir.

Tüm testlerin standart bir şekilde yürütülmesi, kullanıcıdan bağımsız, tutarlı ve güvenilir sonuçlar elde edilmesini sağlar.

Bu raporda, iki yarı katı farmasötik formülasyonun kapsamlı reolojik karakterizasyonu sunulmaktadır.
Gerçekleştirilen testler, yeni jenerik yarı katı ilaçların ruhsatlandırma süreci için önerilen reolojik yöntemleri kapsamaktadır.

Materyaller ve Yöntemler

Bu raporda ölçülen numuneler, aynı etkin maddeyi ve aynı etkin madde konsantrasyonunu içeren, reçetesiz (over-the-counter) temin edilebilen bir farmasötik merhem ve bir farmasötik jel örneğidir.
(100 g merhem veya jel, 0.15 g sodyum heparin içermektedir.)

Tüm reolojik ölçümler, Thermo Scientific™ HAAKE™ MARS™ iQ Air Reometre cihazı kullanılarak, Peltier sıcaklık kontrolü altında 20 °C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir.

• Jel örneği için, 35 mm çapında ve 2° açılı konik plaka (cone-plate) ölçüm geometrisi kullanılmıştır.

• Merhem örneği için ise, duvar kaymasını (wall slip) önlemek amacıyla kumlanmış yüzeyli paralel plaka (sand-blasted parallel plate) ölçüm geometrisi tercih edilmiştir.
  Bu geometrinin çapı yine 35 mm, ölçüm aralığı (gap) ise 0.5 mm olarak ayarlanmıştır.

HAAKE MARS iQ Reometre, numune kapağı ile birlikte.

İki yarı katı farmasötik formülasyonun kapsamlı reolojik karakterizasyonunu gerçekleştirmek için aşağıda açıklanan testler uygulanmıştır. Bu testler, farklı resmi kurumlar tarafından yeni bir jenerik yarı katı farmasötik ürünün ruhsatlandırılması için önerilen tüm reolojik ölçüm yöntemlerini kapsamaktadır.

Aynı numune ile birden fazla testi gerçekleştirebilmek için, ölçümlere örneğe en az zarar veren testlerle başlanması tavsiye edilir. Ancak bu süreçte, ölçüm boyunca örneğin ölçüm geometrisinin kenarlarında kurumasını önlemek son derece önemlidir.

Bu amaçla, örnek üzerine bir solvent tuzağı (solvent trap) içeren örnek kapak sistemi kullanılabilir.

Genlik Taraması

Numunelerin mekanik dayanıklılığını ve yapısal stabilitesini belirlemek için genlik taraması gerçekleştirilmiştir.

Bu osilasyon (salınım) ölçümünde, kayma gerilimi genliği (τ) — Kontrollü Gerilim modu (Controlled Stress, CS) — veya deformasyon genliği (γ) — Kontrollü Deformasyon modu (Controlled Deformation, CD) — sabit bir salınım frekansında (f) kademeli olarak artırılır.

Elde edilen verilerden:

• Depolama modülü (G’) → numunenin elastik (geri yaylanma) özelliklerini,

• Kayıp modülü (G’’) → numunenin viskoz (akıcılık) özelliklerini,

• Karmaşık modül (|G|)* → elastik ve viskoz bileşenlerin birlikte etkisini gösterir.

Düşük kayma gerilimi (veya deformasyon) aralığında, |G| değeri*, numunenin sertlik veya katılık derecesinin bir göstergesidir.
Genlik taraması sonuçları genellikle log-log grafiği biçiminde sunulur.

Salınım genliği arttıkça, başlangıçta G’, G’’ ve |G|* değerleri, doğrusal viskoelastik bölge (LVR – Linear Viscoelastic Range) içinde sabit kalır. Ancak LVR sınırı aşıldığında, bu değerlerde belirgin bir azalma gözlenir.

Genlik taraması kayma geriliminin bir fonksiyonu olarak gösterildiğinde, LVR genişliği, numunenin mikroyapısal ağ stabilitesinin bir ölçüsü olarak kullanılabilir.

Frekans Taraması

Doğrusal viskoelastik bölge (LVR) içinde gerçekleştirilen frekans taraması, bir numunenin elastik ve viskoz özelliklerinin, yapısı bozulmadan farklı frekanslarda (veya zaman ölçeklerinde) — yani belirli proses veya uygulama hızlarına karşılık gelen koşullarda — incelenmesine olanak tanır.

Frekans taraması hem Kontrollü Gerilim (CS) hem de Kontrollü Deformasyon (CD) modlarında gerçekleştirilebilir.
Bu testte, genlik taramasında olduğu gibi aynı parametreler (örneğin G’ ve G’’) ölçülür ve değerlendirilir.

Elde edilen frekans tepkisi (frequency response), numunenin yapısal özellikleri hakkında önemli bilgiler sağlar:

• Depolama modülü (G’) değerleri frekansa çok az bağımlıysa ve x eksenine paralel seyrediyorsa, numune yüksek derecede birbirine bağlı (interconnected) bir ağ yapısına sahiptir.

• Frekans bağımlılığı arttıkça, bu bağlantılar daha zayıf hale gelir ve numune emülsiyon veya dispersiyon benzeri bir yapı sergiler.

• Eğer G’ ve G’’ değerleri incelenen frekans aralığında birbirini kesiyor ve düşük frekanslarda G’’ baskın hale geliyorsa, numune viskoelastik bir sıvı özelliği gösterir.
  Bu durum genellikle katı madde içermeyen yoğun polimer çözeltilerinde görülür.

Frekans tepkisi verileri de genellikle log-log ölçeğinde gösterilir.

1. Sürünme (Creep) Aşaması

Bu aşamada, numuneye sabit bir kayma gerilimi (τ) basamak şeklinde uygulanır ve belirli bir süre boyunca sabit tutulur.
Numune bu gerilime karşılık olarak bir deformasyonla (şekil değişimiyle) tepki verir. Bu deformasyon doğrudan veya uyum (compliance) olarak ifade edilir:

Bu yarı-statik yöntem, yalnızca numunenin viskoelastik davranışını belirlemekle kalmaz, aynı zamanda sıfır kayma viskozitesini (η₀) hesaplamak için de kullanılabilir.

Bunun için iki temel koşul sağlanmalıdır:

• Uygulanan kayma gerilimi, doğrusal viskoelastik bölge (LVR) içinde olmalıdır.

• Ölçüm süresi yeterince uzun olmalı ve bu süre boyunca doğrusal artış gösteren bir deformasyon gözlenmelidir.

Süspansiyonlar veya emülsiyonlar gibi dağılmış sistemlerde, η₀ değeri, sistemin uzun vadeli stabilitesinin bir göstergesi olarak kullanılabilir.

2. Geri Kazanım Aşaması

Bu aşamada, uygulanan gerilim kaldırılır (τ = 0 Pa) ve numunenin yeniden toparlanmasına (rejenerasyonuna) izin verilir.

Kısmen elastik özellikler gösteren numunelerde, önce ani bir geri sıçrama (recoil) gözlenir; bunu, sürünme fazının sonunda ulaşılan deformasyon değerine göre daha yavaş bir deformasyon azalması izler.

Numunenin yeniden denge durumuna ulaştığı — yani artık deformasyonda ek bir azalma gözlenmediği — zamana gecikme süresi (retardation time, λ) denir.

Akma Geriliminin Belirlenmesi 

Akma gerilimi (yield stress), bir numunenin elastik deformasyonunu aşarak sürekli akışın başlaması için gereken minimum kayma gerilimi olarak tanımlanır.

Akma gerilimi özellikle dağılmış sistemlerde (örneğin süspansiyonlar ve emülsiyonlar) ürünün raf ömrü ve stabilitesi açısından büyük önem taşır.

Akma gerilimi değerleri, kullanılan test yöntemi ve ölçüm parametrelerine son derece bağlıdır.

Bu çalışmada akma gerilimi, kayma gerilimi rampası yöntemiyle (kayma geriliminin zamanla doğrusal olarak artırılması) belirlenmiştir.

Testin Prensibi

Kayma gerilimi arttıkça, başlangıçta deformasyonda yalnızca zayıf ve sabit bir artış gözlenir.
Uygulanan kayma gerilimi akma geriliminin altında kaldığı sürece, deformasyon neredeyse tamamen elastiktir ve bu durum, deformasyon–gerilim grafiğinde (log-log ölçeğinde) yaklaşık 1 eğimli bir doğru olarak görülür.

Uygulanan gerilim akma gerilimine yaklaştığında, numunenin iç yapısı bozulur ve deformasyonda belirgin bir artış meydana gelir.

Teğet Yöntemi 

Akma gerilimi, teğet yöntemi ile belirlenebilir.
Bu yöntemde akma gerilimi, deformasyon eğrisinin öncesinde ve sonrasında (yani eğim değişiminden önce ve sonra) bulunan iki doğrusal bölgeye çizilen teğetlerin kesişim noktasındaki gerilim değeri olarak tanımlanır. Bu kesişim noktası, elastik bölgeden akış bölgesine geçişi temsil eder.

Viskozite Eğrisi Yöntemi 

Alternatif olarak akma gerilimi, aynı test sırasında kaydedilen viskozite eğrisinden de belirlenebilir.
Kayma gerilimi doğrusal olarak arttığında, viskozite eğrisi başlangıçta yükselir ve tamamen elastik deformasyon bölgesinden çıkıldığında bir maksimum noktasına ulaşır.
Bu maksimum veya karşılık gelen kayma gerilimi değeri akma gerilimi olarak tanımlanır.

Genellikle bir eğri üzerindeki maksimum nokta, doğrusal bölgelerin kesişiminden daha net tanımlanabildiği için, viskozite yöntemi, ölçüm verilerinin doğrudan ve otomatik değerlendirilmesi açısından daha uygundur.

Karşılaştırma ve Tutarlılık

Teğet yöntemiyle belirlenen akma gerilimi değeri, her zaman viskozite maksimumuna göre elde edilen değerden daha yüksek olur. Bu nedenle farklı numunelerin karşılaştırılabilirliğini sağlamak için, her zaman aynı değerlendirme yöntemine bağlı kalmak önemlidir.

Viskozite Eğrisi 

Yarı katı (semi-solid) farmasötik formülasyonlar genellikle Newtonian olmayan, belirgin kayma incelmesi (shear-thinning) özelliği gösteren malzemelerdir.
Bu nedenle, viskozitenin mümkün olan en geniş kayma hızı aralığında belirlenmesi büyük önem taşır.

Düşük kayma hızı aralığı, esas olarak numunenin dinlenme halindeki özelliklerini ve raf ömrünü (stabilitesini) tahmin etmek için kullanılır. Yüksek kayma hızları ise, ürünün uygulama sırasında (sürülme veya ovulma esnasında) maruz kaldığı yükü simüle eder; bu nedenle, yayılma ve sürtünme davranışını değerlendirmek için kullanılır.

Genellikle, viskozite eğrileri, adım adım artan kayma hızıyla (controlled rate, CR modu) ölçülür.
Bu ölçüm, birkaç mertebeye yayılan geniş bir kayma hızı aralığında (örneğin 10⁻¹ ila 10³ 1/s) gerçekleştirilir.
Ancak, bazı numunelerde duvar kayması (wall slip) etkileri görülebileceğinden, bu aralık buna göre sınırlandırılabilir.

Her adımda ölçüm süresi, numunenin denge (kararlı) duruma ulaşmasına yetecek kadar uzun olmalıdır.
Reometre yazılımı, numunenin dengeye ulaştığı zamanı otomatik olarak algılayabilir ve buna göre adım süresini ayarlayabilir.

Veri toplama işlemi logaritmik ölçekte yapılır; bu da özellikle düşük kayma hızları aralığının daha ayrıntılı incelenmesini sağlar.

Sonuçlar ve Tartışma 

Şekil 1, 1 Hz frekansta (f = 1 Hz) gerçekleştirilen CS (kontrollü gerilim) genlik taraması sonuçlarını göstermektedir.

Hem merhem (ointment) hem de jel (gel), viskoelastik davranış sergilemektedir; bu davranışta doğrusal viskoelastik bölgede (LVR) elastik özellikler baskındır (G’ > G’’).
(Şekil 1’de bu bölge gösterilmemiştir.)

Merhem, jele göre daha sert bir dokuya sahiptir; çünkü düşük genliklerde |G| (kompleks modül)* plato değeri daha yüksektir
(merhem: 3630 Pa, jel: 248 Pa).

Buna ek olarak, merhemdeki mikro yapı, jeldeki mikro yapıdan daha kararlıdır; çünkü LVR aralığı daha geniştir
(merhem: 10⁵ Pa’ya kadar, jel: 11 Pa’ya kadar).

Şekil 1: Doğrusal viskoelastik aralığın sonunun otomatik olarak belirlenmesi ile kesme gerilimi genliği taraması (f = 1 Hz).

Şekil 2, merhem ve jel için yapılan frekans taraması sonuçlarını göstermektedir.
Bu testte de CS modu (kontrollü gerilim modu) kullanılmıştır ve her iki numune için de doğrusal viskoelastik bölge (LVR) içinde kalan 1 Pa genlikte kayma gerilimi uygulanmıştır.

*Kompleks viskozite (|η|)**, hem merhemde hem de jelde, log-log grafiğinde artan frekansla birlikte azalmaktadır.

Tüm ölçüm aralığında G’ (depolama modülü), G’’ (kayıp modülünden) daha yüksektir. Ayrıca, merhemin G’ değeri, frekansa jele göre daha güçlü bir şekilde bağlıdır, oysa jelin G’ değeri frekanstan çok zayıf bir şekilde etkilenmektedir.

Bu bulgular, merhemin daha emülsiyon benzeri bir yapıya sahip olduğunu, jelde ise daha yüksek bir yapısal bağlanma (interconnectivity) bulunduğunu göstermektedir.

Merhem için, düşük frekans aralığında G’ ve G’’ değerlerinin birbirine yaklaşmaya devam etmesi, uzun vadeli stabilitenin daha düşük olabileceğine işaret etmektedir.

Buna karşılık, jelde, en düşük frekansta bile G’ değeri G’’’den yaklaşık bir mertebe (bir “dekad”) daha yüksek kalmaktadır; bu durum, jelde daha yüksek uzun dönem kararlılığına işaret eder.

Şekil 2: Kontrollü Gerilme modunda frekans taraması (τ = 1 Pa).

Şekil 3, her iki numune için gerçekleştirilen sürünme-toparlanma (creep-recovery) testlerinin sonuçlarını göstermektedir.

Sürünme (creep) aşamasında,

• merhem için 10 Pa,

• jel için ise 1 Pa
  olmak üzere sabit bir kayma gerilimi, 300 saniye boyunca uygulanmıştır.

Bu değerler her iki numune için de doğrusal viskoelastik aralık (LVR) içinde kalmaktadır.

Deformasyon (γ), zaman (t) fonksiyonu olarak gösterilmiştir.
Sıfır kayma viskozitesi (η₀), sürünme aşamasındaki deformasyon eğrisinin son kısmındaki eğimden elde edilen kayma hızına (shear rate) dayanarak hesaplanmıştır.

Elde edilen sonuçlara göre:

• Merhem için η₀ = 3.007 × 10⁵ Pa·s,

• Jel için η₀ = 1.064 × 10⁵ Pa·s olarak bulunmuştur.

Bu sonuç, salınımlı ölçümlerde (oscillatory measurements) de gözlemlenmiş olan,
merhemin daha sert (daha yoğun kıvamlı) bir yapıya sahip olduğu bulgusunu doğrulamaktadır.

Şekil 3: Sünme ve geri kazanım ölçümü: τ = 10 Pa (merhem) / 1 Pa (jel) değerinde 300 saniye boyunca sünme testi ve τ = 0 Pa değerinde 900 saniye boyunca geri kazanım testi.

Şekil 4, akma gerilimini (yield stress) belirlemek amacıyla gerçekleştirilen kayma gerilimi rampasını göstermektedir.
Gerilim zamanla doğrusal olarak artırılmış, ancak sonuçlar log-log grafiği biçiminde sunulmuştur.

Tanjant yöntemi (tangent method) kullanılarak yapılan değerlendirmede:

• Merhemin akma gerilimi (τ₀) 152 Pa,

• Jelin akma gerilimi (τ₀) ise 29 Pa olarak bulunmuştur.

Ancak, bu değerlere karşılık gelen deformasyonlar (şekil değiştirmeler)

• jel için daha yüksek (%20),

• merhem için daha düşük (%10) olarak ölçülmüştür.

Eğer akma gerilimi, viskozite eğrisinin maksimuma ulaştığı noktadaki kayma gerilimi değeri olarak değerlendirilirse,
elde edilen sonuçlar beklendiği gibi tanjant yöntemine göre daha düşük çıkmaktadır:

• Merhem: τ₀ = 99 Pa

• Jel: τ₀ = 14 Pa

Şekil 4: γ(τ) değerinde teğet yöntemi kullanılarak akma gerilimi belirlemek için kesme gerilimi rampası veya viskozite eğrisinin η(τ) maksimum değerinin değerlendirilmesi.

Şekil 5, iki numune için elde edilen kararlı durum (steady state) viskozite eğrilerini göstermektedir.

Her iki formülasyon da tüm kayma hızı aralığında (shear rate range) belirgin bir şekilde kayma incelmesi (shear-thinning) davranışı sergilemektedir. Bununla birlikte, merhem, genel olarak daha yüksek viskoziteye sahiptir.

Düşük kayma hızlarında yüksek viskozite, genellikle istenen bir özellik olarak değerlendirilir; çünkü bu durum raf ömrünü uzatır ve ürünün belirli bir cilt bölgesine daha kolay ve kontrollü uygulanmasını sağlar.

Buna karşılık, yüksek kayma hızlarında düşük viskozite, ürünün tüketici tarafından daha kolay yayılmasını ve cilde yedirilmesini mümkün kılar; ayrıca ciltten daha hızlı emilim sağlar.

Kayma hızı arttıkça viskozite azalmakta ve her iki eğri birbirine yaklaşmaktadır. Örneğin, 0,2 m/s’lik bir ovma (tritürasyon) hızı ve 200 µm’lik bir katman kalınlığı varsayıldığında,
yaklaşık 10³ s⁻¹’lik bir kayma hızı elde edilir.

Bu koşullar altında, her iki ürünün viskozitesi oldukça benzerdir:

• Merhem: η = 5,0 Pa·s

• Jel: η = 2,0 Pa·s

Dolayısıyla, cilt üzerine uygulandığında yayılma direnci açısından iki ürün karşılaştırılabilir düzeydedir.

Şekil 5: Viskozite eğrileri, viskozitenin = 103 s-1 olarak belirlenmesi dahil. Her iki ürünün viskozitesi birbirine çok benzerdir (ηmerhem = 5,0 Pas, ηjel = 2,0 Pas).

Sonuç

Sunulan ölçüm sonuçları, yarı katı (semi-solid) formülasyonların kapsamlı reolojik karakterizasyonunun
HAAKE MARS iQ Air Reometre kullanılarak başarıyla gerçekleştirilebileceğini göstermektedir.

Gerçekleştirilen testler, EMA (Avrupa İlaç Ajansı) ve FDA (Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi) tarafından belirlenen önerilere uygundur.

Elde edilen sonuçlar, merhem ile jel arasında önemli farklılıklar bulunduğunu ortaya koymuştur:

• Merhem, jele kıyasla daha viskoz, daha sert ve daha dayanıklıdır.

Merhem ve jel için elde edilen tüm parametreler, Tablo 1’de karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Tablo 1. Merhem ve Jelin Reolojik Özelliklerinin Karşılaştırılması