CC BY
13
УДК 62-911, 544.015.4
Митрофанов С.А., Пашкин Е.А., Кислинская А.Ю., Цыганков П.Ю.
Быстрое расширение сверхкритического раствора для микронизации рифабутина
Митрофанов Сергей Александрович - бакалавр 4-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; mitrofanov-2001@list.ru.
Пашкин Евгений Алексеевич - бакалавр 4-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; pashkin.ea2001@mail.ru.
Кислинская Алина Юрьевна - аспирант 2-го года обучения кафедры химического и фармацевтического инжиниринга.
Цыганков Павел Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, научный сотрудник кафедры химического и фармацевтического инжиниринга;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Разработан подход к микронизации активной фармацевтической субстанции (АФС) - рифабутина - с использованием быстрого расширения сверхкритического раствора (RESS). Продемонстрировано решение одной из проблем технологии - эффекта Джоуля-Томсона, который возникает в ходе быстрого расширения сверхкритического раствора, путём модификации геометрии камеры расширения и внедрения в её конструкцию нагревательных элементов, управляемых при помощи системы автоматического регулирования. Представлены результаты экспериментов по микронизации рифабутина, в ходе которых были определены параметры температуры и давления внутри ёмкости высокого давления (T=60 °С, P=180 бар) для достижения наилучшего растворения АФС, получены изображения СЭМ частиц, микронизированных при данных условиях. Полученные частицы имели узкое распределение по размерам в нанометровом диапазоне (50 - 110 нм) и обладали однородной аморфной структурой, вместе с тем проявляя склонность к агломерации. Ключевые слова: быстрое расширение сверхкритического раствора, эффект Джоуля-Томсона, рифабутин.
RAPID EXPANSION OF SUPERCRITICAL SOLUTION FOR MICRONIZATION OF RIFABUTIN
Mitrofanov S.A., Pashkin E.A., Kislinskaya A.U., Tsygankov P.U.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
An approach to micronization of an active pharmaceutical substance (APS) - rifabutin - using rapid expansion of a supercritical solution (RESS) has been developed. The solution of one of the problems of the technology - the JouleThomson effect, which occurs during the rapid expansion of a supercritical solution, is demonstrated by modifying the geometry of the expansion chamber and introducing heating elements controlled by an automatic control system into its design. The results of experiments on the micronization of rifabutin are presented, during which the parameters of temperature and pressure inside a high-pressure vessel (T =60 °C, P = 180 bar) were determined to achieve the best dissolution of APS, images of SEM particles micronized under these conditions were obtained. The resulting particles had a narrow size distribution in the nanometer range (50 - 110 nm) and had a homogeneous amorphous structure, at the same time showing a tendency to agglomeration.
Keywords: rapid expansion of supercritical solution, Joule-Thomson effect, rifabutin.
Введение
Значительная часть реализуемых лекарственных средств и новых химических соединений в соответствии с биофармацевтической
классификационной системой (БКС) соответствуют классу II [1]. К данному классу относятся препараты, имеющие высокую проницаемость, однако низкую растворимость, что существенно понижает их биодоступность [2]. Одним из вариантов доставки до органа-мишени подобных активных
фармацевтических субстанций (АФС) является их внедрение в матрицу-носитель, растворимую in vivo, например, в целлюлозу. Также используется метод переведения лекарственного вещества в солевую форму. Однако первый способ не обеспечивает максимальную эффективность высвобождения целевого компонента, а реализация второго осложняется тем, что не все активные фармацевтические субстанции поддаются ионизации.
В этой связи перспективным решением проблемы низкой растворимости является уменьшение размера (микронизация) частиц АФС до нескольких микрометров [1]. При его реализации происходит многократное уменьшение размера частиц, приводящее к росту их растворимости в соответствии с уравнением Фреиндлиха-Оствальда:
2 аМ
Сг = Ст- е^^, (1)
где Сг - растворимость частиц, имеющих данный радиус [г/л],
Ст - растворимость частицы, имеющей бесконечный радиус [г/л],
а - поверхностное натяжение на границе частицы и растворителя (межфазное натяжение) [Дж/м2], М - молярная масса вещества частицы [г/моль], К - универсальная газовая постоянная (Д = 8,314 [Дж/моль • К]),
Т - температура [К]; р - плотность вещества частицы [г/м3], г - радиус частицы [м].
Существует два различных подхода к микронизации АФС: первый из них - «сверху-вниз», второй - «снизу-вверх». Метод «сверху-вниз» заключается в уменьшении размера субстанции с помощью механической обработки, а именно путём дробления, измельчения, истирания [3], а также гомогенизации [4]. Подход «снизу-вверх» основывается на том, что сборка получаемой структуры осуществляется непосредственно из атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток. По данному принципу, например, происходит формирование частиц в ходе процессов распылительной сушки [5] и распылительно-сублимационной сушки [6].
На сегодняшний день для микронизации АФС перспективным является применение методов сверхкритических флюидных технологий. Одним из таких является процесс быстрого расширения сверхкритического раствора (КЕББ) [7]. В данном процессе в качестве сверхкритического флюида чаще всего выступает диоксид углерода, так как он обладает низкими критическими параметрами
(ТКр=31,1
°С
Ркр=73
бар), после преодоления которых он переходит в сверхкритическое состояние. Также диоксид углерода не токсичен и не горюч.
Свойства вещества в сверхкритическом состоянии занимают промежуточные положения между свойствами жидкости и газа. Так, диоксид углерода в сверхкритическом состоянии имеет высокие плотность и коэффициент диффузии, но в то же время низкую вязкость, что в итоге обеспечивает высокую растворяющую способность по отношению к неполярным веществам [8]. Процесс микронизации с использованием КЕББ осуществляется на основе следующего механизма: вначале в ёмкости высокого давления происходит растворение АФС в сверхкритическом СО2, далее полученный раствор подается на форсунку и распыляется в камеру расширения, которая имеет давление и температуру окружающей среды. Из-за резкого перепада давления сверхкритический диоксид углерода переходит в газообразное состояние, приводя к быстрому перенасыщению раствора и, как следствие, высокой скорости образования большого количества аморфных частиц растворённой АФС, радиус которых определяется в соответствии с уравнением (1).
Главными преимуществами технологии КЕББ являются отсутствие токсичных органических растворителей в ходе процесса микронизации, возможность получения частиц, обладающих однородной аморфной структурой и узким распределением по размерам в микро- и нанодиапазонах. Так, в работах [9] и [10] сообщается об успешном получении микрочастиц лоратадина и левофлоксацина при использовании данного метода.
К недостаткам технологии КЕББ относится низкая растворяющая способность диоксида углерода по отношению к полярным веществам, какими являются многие АФС; эффект Джоуля-Томсона, результатом которого является охлаждение форсунки, что усложняет процесс микронизации, а также склонность получаемых частиц к агломерации.
Экспериментальная часть
Начальная конструкция установки для проведения процесса КЕББ была разработана в лаборатории кафедры химического и фармацевтического инжиниринга (рис.1, А). В ней поток диоксида углерода из баллона (1) через запорный вентиль (2) подаётся в конденсатор (3), где СО2 полностью переходит в жидкую фазу (Тконд=22 °С при 60 атм [11]).
© \
¿тгЧ
/ 10
... й - \ 13
11 /
и/
А Б
Рис.1. Технологическая схема оборудования: А -исходная установка для проведения процесса КЕББ, Б - аппаратный узел с модифицированной камерой расширения. 1 - баллон с СО2, 2 - запорный вентиль, 3 - конденсатор; 4 - редуктор; 5 - пневматический насос; 6 - нагревательный теплообменник; 7 -манометр; 8 - микронный фильтр; 9 - ёмкость
высокого давления; 10 - термопара; 11 -терморегулятор; 12 - твердотельное реле; 13 -нагревательная лента; 14 - камера расширения; 15 - патронный нагреватель; 16 - фильтр для частиц.
Далее СО2 подаётся на линию всасывания, где за счёт жидкостного пневматического насоса (5) создаётся необходимое давление, величина которого регулируется с помощью редуктора (4) (отношение давления на редукторе к давлению на линии нагнетания - 1:40). Из насоса диоксид углерода поступает в нагревательный теплообменник (6), в котором происходит его переход в сверхкритическое состояние. Давление сверхкритического СО2 регистрируется манометром (7) на выходе из теплообменника. Далее по технологической линии диоксид углерода проходит через микронный фильтр (8) и подаётся в ёмкость высокого давления объёмом 22 мл (9), куда предварительно перед началом эксперимента загружается активная
фармацевтическая субстанция, подлежащая микронизации. В целях повышения растворимости АФС в сверхкритическом диоксиде углерода, для ёмкости высокого давления создаётся определённый температурный режим. Он регулируется и
поддерживается постоянным за счёт терморегулятора (11), который получает значения температуры от термопары (10), находящейся у входа потока в ёмкость высокого давления, и подаёт соответствующее регулирующее воздействие через твердотельное реле (12) на нагревательную ленту
(13), контактирующую непосредственно с самой ёмкостью. Далее при открывании запорного вентиля раствор распыляется через форсунку (Schlick, d^. = 300 мкм, угол распыла - 30°) в камеру расширения
(14). В результате газообразный диоксид углерода выходит через боковое отверстие в камере, а частицы оседают внутри.
Однако в данной лабораторной установке не был устранён эффект Джоуля-Томсона. Суть его заключается в том, что при быстром сбросе давления сверхкритический CO2, переходя в газообразное состояние, резко охлаждается. В свою очередь, из переохлаждённого потока выделяется твёрдый диоксид углерода, скапливающийся внутри сопла форсунки и блокирующий дальнейшее распыление раствора. Для решения данной проблемы была произведена модификация камеры расширения, а именно изменена её геометрия, в которую были внедрены 4 патронных нагревателя. На рис.2 А изображена камера расширения до модификации, а на рис.2 Б - после. На рис.1 Б представлена принципиальная схема аппаратного узла, включающего в себя модифицированную камеру расширения.
Рис.2. Изображения камеры расширения: А - камера расширения до модификации, Б - после модификации.
Верхняя металлическая крышка, в которую встраивается форсунка, на входе в ёмкость разогревается с помощью 4-х патронных нагревателей, мощностью по 200 Вт каждый. В целях автоматизации процесса регулирования температуры была сформирована система, включающая в себя параллельно соединённые патронные нагреватели, подключённые через твердотельное реле к терморегулятору ТРМ501. Таким образом, с помощью данного аппаратного узла можно разогреть
форсунку до необходимой температуры, чтобы предотвратить образование твёрдой фазы в ходе проведения процесса. В нижней части камеры расширения установлен фильтр, на котором осаждаются полученные частицы при прохождении потока газообразного СО2.
В качестве АФС для исследования процесса быстрого расширения сверхкритического раствора был выбран рифабутин (рис.3). Он является препаратом первого ряда для лечения туберкулёза. Применяется перорально в форме капсул, где имеет низкую биодоступность (20%) [12]. Рифабутин хорошо растворим в хлороформе и метиловом эфире, слабее - в этиловом спирте и сверхкритическом диоксиде углерода, практически нерастворим в воде.
Рис.3. Структурная формуларифабутина.
На модифицированной установке был проведён ряд экспериментов по микронизации рифабутина. Наибольшее количество АФС растворилось в сверхкритическом СО2 при следующих параметрах внутри ёмкости высокого давления: Р=180 бар, Т=60 °С. Для оценки эффективности микронизации с помощью сканирующего электронного микроскопа были сделаны снимки образца рифабутина до (рис.4, А) и после процесса ЯЕББ (рис.4, Б).
■Чг \ fr Hjjl^^^ljM Wt^^^^УИЙг^ДмИ
А Б
Рис.4. СЭМ-изображениярифабутина: А -образец до микронизации, Б - после микронизации.
Исходные частицы рифабутина имеют размеры от 10 до 100 мкм, обладая при этом кристаллической структурой. В свою очередь, на рис.4, Б частицы, полученные с помощью технологии КЕББ, представлены в форме агломератов, однако размер
отдельных частиц лежит в диапазоне от 50 до 110 нм. Кроме того, заметна аморфная структура рифабутина. В дальнейшем будут проводиться исследования растворимости и биодоступности данной АФС.
Заключение
Результатом исследования процесса
микронизации с использованием быстрого расширения сверхкритического раствора стало устранение эффекта Джоуля-Томсона путём модификации конструкции лабораторной установки. Были подобраны параметры температуры (60 °С) и давления (180 бар) для растворения рифабутина в сверхкритическом диоксиде углерода. В результате процесса RESS были получены частицы рифабутина размером от 50 до 110 нм. Они имеют аморфную структуру, однако, проявляют склонность к агломерации. В ходе дальнейших работ будет изучена растворимость и биодоступность
микронизированных частиц рифабутина, а также разработан способ, предотвращающий образование агломератов.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках научной тематики FSSM-2022-0004.
Список литературы
1. Olusanmi Dolapo, Jayawickrama Dimuthu; Bu Dongsheng, McGeorge Gary, Sailes Helen, Kelleher Joanne, Gamble John F., Shah Umang V., Tobyn Mike. A control strategy for bioavailability enhancement by size reduction: Effect of micronization conditions on the bulk, surface and blending characteristics of an active pharmaceutical ingredient // Powder Technology. - 2014. - V.258. -P. 222-233.
2. Prakash Khadka, Jieun Ro, Hyeongmin Kim, Iksoo Kim, Jae Min Cho, Gyiae Yun, Jaehwi Lee. Pharmaceutical particle technologies: An approach to improve drug solubility, dissolution and bioactivity // Asian Journal of Pharmaceutical Sciences. - 2014. -V.9. - I.6. - P. 304-316.
3. Stefan Mende. Micronization and Nanonization of Active Pharmaceutical ingredients // Journal of Physical Science and Application. - 2018. - V.8, №3. - P.1-9.
4. Khushwant S. Yadav, Ketaki Kale. High Pressure Homogenizer in Pharmaceuticals: Understanding Its Critical Processes Parameters and Applications // Journal of Pharmaceutical Applications. - 2019. -V.15. - P.690-701.
5. Ohtake S., Izutsu K., Lechuga-Ballesteros D. Drying Technologies for Biotechnology and Pharmaceutical Applications. - 2020.
6. Vishali D.A., Monisha J., Sundari S.S.K., Moses J.A., Anandharamakrishnan C. Spray freeze drying: Emerging applications in drug delivery. - 2019.
7. Rahul Kumar, Amit K. Thakur, Nilanjana Banerjee, Pranava Chaudhari. A critical review of the particle generation and other applications of rapid expansion of supercritical solution // International Journal of Pharmaceuticals. - 2021. - V.608.
8. Polikhronidi Nikolai, Batyrova Rabiyat, Aliev Aslan, Abdulagatov Ilmutdin. Supercritical CO2: Properties and Technological Applications - A Rewiev // Journal of Thermal Science. - 2018. - V.28. - P.394-430.
9. Gholamhossein Sodeifian, Seyed Ali Sajadian, Nedasadat Saadati Ardestani, Fariba Razmimanesh. Production of Loratadine drug nanoparticles using ultrasonic-assisted rapid expansion of supercritical solution into aqueous solution (US-RESSAS) // The Journal of supercritical Fluids. - 2019. - V.147. -P.241-253.
10. Е.Н. Антонов, Л.И. Кротова, Г.В. Мишаков, В.К. Попов. Микронизация левофлоксацина методом RESS // Сверхкритические флюиды: Теория и Практика. - 2019. - Том 14. - №3.
11. Poling B.E., Prausnitz J.M., O'Connell J. The Properties of gases and liquids. 5th ed. - New York: McGraw-Hill, 2001.
12. Blaschke T.F., Skinner M.H. The clinical pharmacokinetics of rifabutin // Clin. Infect. Dis.: journal. - 1996. - April (vol.22. Suppl.1) - P.S15-21; discussion S21-2. - PMID 8785251.
