التحليل الحراري التفاضلي (DSC) في صناعة الأدوية: أهميته وتطبيقاته في تقدير استقرار المواد الفعالة
اكتشف كيف يمكن للتحليل الحراري التفاضلي (DSC) أن يساعد في تحسين جودة منتجات صناعة الأدوية وتقدير استقرار المكونات الفعالة. اقرأ حول تطبيقاته وأسئلة شائعة حول هذه التقنية الحيوية.
صناعة الأدوية هي مجال حيوي يتطلب جهوداً متعددة الأوجه لضمان جودة المنتجات الصيدلانية وفعاليتها. واحدة من أهم الأدوات التي تُستخدم في هذا السياق هي التحليل الحراري التفاضلي. (Differential Scanning Calorimetry DSC) سنقوم في هذا المقال بتوضيح أهمية وتطبيقات DSC في صناعة الأدوية، وكيف يمكن استخدامها لتقدير استقرار المكونات الفعالة وتحسين جودة المنتجات الدوائية.
أهمية DSC في صناعة الأدوية:
تعتبر DSC أحد الأدوات الأساسية في صناعة الأدوية، حيث تساعد في تقدير استقرار المكونات الفعالة للأدوية قبل تقديمها إلى السلطات التنظيمية. يتيح هذا التحليل فهم الشكل الفيزيائي للمكون النشط وكيفية تأثير التغيرات الحرارية عليه.
كيفية تحليل تعددية البلورات:
إذا كانت المادة الفعالة للدواء تحتوي على تعددية بلورية أو شكل هيدراتي محتمل، يمكن لتحليل DSC كشف ذلك ومساعدة في تحديد تأثير هذه التعددية على جودة الدواء. يمكن للتغييرات في درجات الحرارة والزمن أن تظهر كيفية تحول هذه الأشكال البلورية وتأثيرها على استقرار المكون الفعال.
المراقبة على المدى الطويل
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتحليل DSC مراقبة استقرار المكون الفعال على المدى الطويل. أي تغيير غير متوقع في الشكل الفيزيائي يمكن أن يؤثر على قابلية الذوبان للمادة الفعالة، ويمكن تسجيل هذه التغييرات بدقة باستخدام DSC.
اختبارات التحليل الحراري:
تعتبر اختبارات DSC سهلة نسبيًا للتنفيذ، حيث يتم قياس السعة الحرارية والكتلة وخصائص أخرى مرتبطة بدرجة الحرارة. يمكن ضبط برامج الحرارة بسهولة للحصول على أقصى دقة في النتائج.
تطبيقات DSC في صناعة الأدوية:
يُعتبر DSC أداة حيوية في تقدير استقرار المكونات الفعالة وفهم الشكل الفيزيائي للمكون النشط قبل تسليم المنتج النهائي. تمثل صناعة الأدوية حاليًا بيئة تنافسية، ولذا فإن القدرة على تحليل المكونات الفعالة بدقة تعزز من تطوير منتجات دوائية ذات جودة عالية .
يمكن الاحتفاظ بدرجة الحرارة المرتبطة بالتجربة ثابتة أو تغييرها بطريقة مسيطر عليها. لذلك، الخرج Output من جهاز التحليل الحراري النموذجي هو مصفوفة تحتوي على الزمن ودرجة الحرارة . ، يُظهر البحث الأساسي على Google Scholar وجود 22400 مقالة تحتوي على مصطلح “تحليل حراري” في العنوان المنشور، بينما هناك 36500 مقالة تحتوي على مصطلح “كروماتوغرافيا السائل العالية الأداء” في العنوان (كانت كلتا البحوث من عام 2000 حتى الوقت الحالي). لذا، من حيث المنشورات البحثية، يعتبر التحليل الحراري أداة رئيسية في اكتشاف المعرفة الجديدة ويمكن مقارنته من حيث الأهمية بكروماتوغرافيا السائل العالية الأداء HPLC.
ما هو التحليل الحراري التفاضلي (DSC)؟
هو تقنية تحليل تستخدم لقياس التغيرات في السعة الحرارية ودرجة الحرارة أثناء تغيير درجة الحرارة، مما يمكن من تقدير استقرار المواد وتعددية البلورات.
جهاز التحليل التفاضلي للمسح الحراري يستخدم لقياس تدفق الحرارة داخل وخارج العينة وبوتقة crucible العينة المرجعية خلال برنامج درجة حرارة متحكم فيه. عادةً ما تحتوي البوتقة المحتوية على العينة على المادة الفعالة أو المادة المدروسة، والبوتقة المرجعية إما تترك فارغة أو تُحمل بمادة مرجعية غير نشطة ذات صلة بالعينة المدروسة. عادةً ما تكونان من أواني الألمنيوم وتحتوي على 1 إلى 10 ملغ من العينة. هناك نوعان عامان من DSC تقومان بقياس تدفق الحرارة بطرق مختلفة قليلاً؛ DSC بتقنية التعويض عن الطاقة وDSC بتقنية تدفق الحرارة. تطبق كلا أنواع DSC برنامج الحرارة عبر مُدَفِّئات (افران) . البرنامج الحراري عادة ما يكون تسخينًا خطيًا بسرعة 10 درجات مئوية في الدقيقة. يتكون DSC بتقنية تدفق الحرارة من كتلة تسخين واحدة مع استخدام مقاييس حرارية لمراقبة درجات حرارة البوتقتين، ويُستخدم اختلاف درجة الحرارة بين العينة والبوتقة المرجعي لتحديد تدفق الحرارة المرتبط بالتحولات والتفاعلات داخل بوتقة العينة كوظيفةfunction لبرنامج درجة الحرارة. يضع DSC بتقنية التعويض عن الطاقة البوتقتين المرجعية والعينة في مدافئ منفصلة. يتم مراقبة درجة حرارة العينة والبوتقة المرجعية مرة أخرى باستخدام مقاييس حرارية، ويتم ضبط تدفق الحرارة بين مدافئ العينة والمرجع بواسطة مُدَفِّئات منفصلة للحفاظ على نفس درجة الحرارة في البوتقتين. بهذه الطريقة يتم تعويض الفرق في تدفق الحرارة أو الطاقة بين البوتقتين ويتم تسجيل قياس مباشر لتدفق الحرارة من العينة كوظيفة لبرنامج درجة الحرارة المُبرمج.
كيف يمكن استخدام DSC في صناعة الأدوية؟
يمكن استخدام DSC في صناعة الأدوية لتحليل المكونات الفعالة وفهم تأثير التغيرات الحرارية عليها، وتحسين جودة المنتجات الدوائية.
تُظهر تطبيقًا نموذجيًا لـ DSC في الشكل 2، وهو تحقيق في تعددية البلورات لمادة كاربامازيبين المضادة للصرع تمت من قبل عدد من الباحثين. تعددية البلورات هي قدرة جزيء عضوي على الوجود في أكثر من شكل بلوري متميز. يتوفر للكاربامازيبين عدة أشكال بلورية. التسخين ينتج عنه ثلاثة انتقالات واضحة؛ ذروتين حراريتين وذروة حرارية خارجية. عندما تذوب المادة البلورية، يتطلب ذلك طاقة لتفكيك تفاعلات الشبكة التي تمسك البلورة معًا. توضح الذروة الأولى التي تبدأ عند حوالي 175 درجة مئوية في الشكل 2 هذه العملية، حيث يتطلب تدفق الحرارة إلى العينة ، وهذا يُلاحظ كذروة حرارية. ومع زيادة درجة حرارة العينة فوق 175 درجة مئوية ومرة واحدة في الحالة السائلة، يتجدد الكاربامازيبين الى شكل أكثر استقرارًا. إعادة التبلور تنتج حرارة عندما يتم تكوين روابط غير تساهمية في الهيكل البلوري الجديد، لذلك يتم ملاحظتها كذروة حرارية خارجية مباشرة بعد الذروة الأولى عند تسخين العينة أكثر، يتم رؤية ذروة ثانية حرارية عند نقطة الانصهار وهذا الشكل نموذجي للمواد التي تظهر تعددية البلورات ، كما هو موجز هنا، في دراسات البحث المتعلقة بتطوير مكون دوائي نشط جديد. من المهم أن نلاحظ وجود نوعين من تعددية البلورات، ومن الضروري لمناقشة هذا الوضع أن نعرف أي نوع من تعددية البلورات موجود عند توصيف مكون دوائي نشط. يصف العلماء كيفية تعديل بروتوكول DSC البسيط لتحديد أي نوع من أنواع تعددية البلورات موجود. تشمل هذه التجارب تغيير معدلات التسخين والتبريد في DSC واستكشاف التغيير في نمط الذروات الحرارية وإعادة التبلور. في هذا التطبيق والعديد من التطبيقات الصيدلانية الأخرى لـ DSC، التعديل والتحقق من الدقة أمور مهمة للغاية، خاصة عند العمل في إطار الممارسات المخبرية الجيدة (GLP) وممارسات التصنيع الجيدة (GMP)
يساعد تحليل تعددية البلورات في تحديد تأثير الشكل البلوري على استقرار المكون الفعال وجودة الدواء.
حدثت تطورات كبيرة في جهاز DSC في السنوات الأخيرة. الأولى كانت DSC المعزّز (MDSC) أو DSC المعزّز بدرجة الحرارة (TMDSC) .يشمل MDSC فرض دورة تسخين مثلثية على برنامج التسخين الخطي القياسي. تكون معلمات التجربة النموذجية ضمن النطاقات التالية: معدل التسخين الأساسي 1 إلى 5 درجات مئوية في الدقيقة، وشدة التغيير في درجة الحرارة 0.1 إلى 1 درجة مئوية، وتردد التغيير في درجة الحرارة 20 إلى 100 ثانية. بالتالي، سيعاني التدفق الحراري المرصود أيضًا من التغيير، ومن خلال استخدام تحليل فوريه الخاص بالتحول، يمكن تقسيم إشارة الخرج هذه إلى مكونات عكوسة ومكونات غير عكوسة.
التطور الأخير هو DSC عالي السرعة. سواء من خلال تصنيع أفران ذات كتلة منخفضة أو إضافة مقاييس حرارية إضافية لتحسين استقرار الخط الأساسي، يمكن أن تعمل أجهزة DSC الحديثة بمعدلات تسخين عالية جدًا في النطاق من 100 إلى 500 درجة مئوية في . يُظهر الشكل 3 بوضوح كيف يتم زيادة حساسية اكتشاف التحولات الحرارية لمادة اللاكتوز morphous spray dried lactose معدلات تسخين عالية. ابتداءً من درجة حرارة منخفضة، شريطة أن يتوفر جهاز DSC على وسيلة تبريد كافية. بالنسبة لجميع معدلات التسخين، تم مراقبة انتقال الزجاج بين 100 و 120 درجة مئوية كتغيير تقليدي في القاعدة. ثم يتبع ذلك إعادة تبلور اللاكتوز بشكل متزامن إلى شكليها ألفا وبيتا، واللذين يذوبان في وقت لاحق ويعطيان ذروتين حراريتين بين 220 و 240 درجة مئوية. تزيد مقدار جميع التحولات تنازلياً مع معدل التسخين.
انتقال الزجاج (Glass Transition) في DSC هو تحول حراري يحدث عند درجة حرارة معينة يتغير فيها تصرف المادة بشكل ملحوظ. يُلاحظ هذا التحول عندما تتغير المادة من حالة صلبة إلى حالة زجاجية أو من حالة زجاجية إلى حالة صلبة عند ارتفاع درجة الحرارة بشكل تدريجي. أثناء انتقال الزجاج، يتغير ترتيب وتصميم الجزيئات في المادة، وهذا التغير يمكن أن يؤدي إلى تغير في خصائصها الميكانيكية والحرارية والكيميائية. يُستخدم DSC لتسجيل هذا التحول عن طريق قياس تغير الحرارة (التدفق الحراري) الذي يحدث أثناء التسخين أو التبريد.
خرج DSC هو تدفق الحرارة ويُقاس بالواط أو جول في الثانية. معظم التحولات التي يدفعها الحرارة ستمتص أو تطلق نفس الكمية الإجمالية من الحرارة (جول) بغض النظر عن معدل التسخين الأساسي. ببساطة ، عند معدلات التسخين الأعلى، سيحدث تدفق الحرارة المرتبط بتحولات العينة على مدى فترة زمنية أقصر، وبالتالي سيكون انحرافًا أكبر على مقياس الحرارة أو الطاقة، حيث سيتم تقسيم عدد الجول إلى عدد أقل من الثواني
الفائدة الرئيسية لـ DSC عالي السرعة الحساسية العالية في انتقال الزجاج – وهذا أمر مهم لاكتشاف كميات صغيرة من المحتوى غير المتبلور (Amorphous) في مساحيق بلورية أخرى. يسبب طحن العينات البلورية غالبًا الى مناطق من الفوضى غير المتبلورة، مما يتسبب في تكتل وتدهور كيميائي. يقدم DSC عالي السرعة حدود اكتشاف أدنى بالإمكان للمواد غير المتبلورة. أظهرت الدراسات التي تتضمن اللاكتوز أن حدود اكتشاف المحتوى غير المتبلور تتراوح بين 0.5 إلى 1% وزناً/وزناً في DSC عالي السرعة، بينما الحد الأدنى للاكتشاف لـ DSC التقليدي هو حوالي 10% وزناً/وزناً.
في الختام، نجد أن التحليل الحراري التفاضلي ( DSC) يلعب دورًا بارزًا في صناعة الأدوية عبر فهم وتقدير استقرار المكونات الفعالة وتحسين جودة المنتجات الدوائية. باستخدام هذه الأداة، يمكن للشركات الصيدلانية تحسين منتجاتها وضمان جودتها، مما يسهم في تقديم علاجات أكثر فعالية وأمانًا للمرضى.
المراجع