Ruud van den Bogaard
Specialist voedingsmiddelenindustrie
Farmaceutische trends: Meting van wateractiviteit
Wateractiviteit wordt op grote schaal gebruikt en geaccepteerd in de voedingsindustrie om zowel de productveiligheid als de kwaliteit te controleren. Hoewel in de farmaceutische industrie de doeltreffendheid van wateractiviteit goed is vastgesteld, wordt het nog niet volledig geaccepteerd als integraal onderdeel van een programma voor de vrijgave van geneesmiddelen. USP <1112> is een informatief hoofdstuk over de toepassing van wateractiviteit in de farmaceutische industrie en is sinds 2006 gepubliceerd. Het bevat echter geen SOP (Standaard Operationele Procedure) of enige validatiebegeleiding. Om deze beperking te overwinnen, heeft USP USP <922> Wateractiviteit ontwikkeld als een officiële methode voor het meten van wateractiviteit, die hopelijk de implementatie van wateractiviteit als integraal onderdeel van een kwaliteitsprogramma voor farmaceutische producten verder zal vergemakkelijken. Zowel USP <922> als USP <1112> benadrukken de potentiële toepassingen van wateractiviteit. Deze omvatten stabiliteitscontrole, preventie van microbiële risico's, geoptimaliseerde formulering, verminderde klontering en klontvorming, en controle van vochtbeweging. De resulterende belangrijkste voordelen van deze toepassingen zijn: een hogere productie-output van betere kwaliteit, grotere tevredenheid en vertrouwen bij de consument, minder productafval en terugroepacties en bijgevolg grotere winsten voor de fabrikant. Het is duidelijk dat wateractiviteit een krachtige en vaak essentiële kwaliteitsparameter is voor farmaceutische producten. Het doel van deze toepassingsnota is om wateractiviteit te beschrijven, de nieuwe USP <922> methode voor wateractiviteit gedetailleerd uiteen te zetten, en elk van de toepassingen voor wateractiviteit in farmaceutische producten uitgebreid te beschrijven.
Belangrijkste voordelen
Wat is wateractiviteit?
Wateractiviteit wordt gedefinieerd als de energetische status van water in een systeem en is geworteld in de fundamentele wetten van de thermodynamica via de Gibbs-vrije-energievergelijking. Het vertegenwoordigt de relatieve chemische potentiële energie van water zoals bepaald door de oppervlakte-, colligatieve- en capillaire interacties in een matrix. Praktisch wordt het gemeten als de gedeeltelijke dampdruk van water (P) in een ruimte die in evenwicht is met het monster, gedeeld door de verzadigde dampdruk (P0) van water bij dezelfde temperatuur (T). Wateractiviteit is gelijk aan de Equilibrium Relative Humidity (ERH) gedeeld door 100:
Deze wateractiviteitsindex bestrijkt een bereik van 0 voor kurkdroge omstandigheden tot 1,00 voor zuiver water, wanneer de gedeeltelijke druk en de verzadigde druk gelijk zijn. Wateractiviteit wordt vaak aangeduid als “vrij water,” wat handig is bij verwijzing naar hogere energie; echter, het is misleidend omdat “vrij” niet wetenschappelijk gedefinieerd is en anders geïnterpreteerd wordt afhankelijk van de context. Als gevolg hiervan kan het concept van vrij water verwarring veroorzaken tussen de fysieke binding van water, een kwantitatieve meting, en de chemische binding van water aan lagere energie, een kwalitatieve meting. In plaats van een wateractiviteit van 0,50, wat wijst op 50% vrij water, geeft het meer correct aan dat het water in het product 50% van de energie heeft die zuiver water in dezelfde situatie zou hebben. Hoe lager de wateractiviteit, hoe minder het water in het systeem zich gedraagt als zuiver water.
Wateractiviteit wordt gemeten door de vloeibare-fase water in het monster in evenwicht te brengen met het dampvormige water in de ruimte van een gesloten kamer en de ERH in de ruimte te meten met behulp van een sensor. De relatieve vochtigheid kan worden bepaald met behulp van een resistieve elektrolytische sensor, een gekoelde spiegelsensor of een capacitieve hygroscopische polymeersensor. Instrumenten van Novasina, zoals de LabMaster NEO, gebruiken een elektrolytische sensor om de ERH te bepalen in een afgesloten kamer met het monster. Veranderingen in ERH worden gevolgd door veranderingen in de elektrische weerstand van de elektrolytische sensor. Het voordeel van deze aanpak is dat deze zeer stabiel is en bestand is tegen onnauwkeurige metingen als gevolg van besmetting, een bijzondere zwakte van de gekoelde spiegelsensor. De resistieve elektrolytische sensor kan het hoogste niveau van nauwkeurigheid en precisie bereiken zonder onderhoud en zelden kalibratie, waardoor het ideaal is voor farmaceutische tests.
Wateractiviteit is een intensieve eigenschap die de energie van het water in een systeem beschrijft, terwijl vochtgehalte een uitgebreide eigenschap is die de hoeveelheid vocht in een product bepaalt. Hoewel gerelateerd, zijn wateractiviteit en vochtgehalte niet hetzelfde: vochtgehalte wordt meestal bepaald via verlies bij drogen of chemische titratie; hoewel nuttig als meting van zuiverheid en als standaard van identiteit, correleert vochtgehalte niet zo goed als wateractiviteit met microbiële groei, chemische stabiliteit of fysieke stabiliteit. Wateractiviteit en vochtgehalte zijn gerelateerd via de vochtabsorptie-isotherm.
Regelgevende informatie
USP <922> Aanbevelingen voor het bepalen van de wateractiviteit worden uiteengezet in USP <922> Wateractiviteit. Deze methode wordt officieel in mei 2021 en biedt richtlijnen voor het meten van de wateractiviteit. Het bevat een korte uitleg van de theoretische achtergrond en bespreekt enkele factoren die de wateractiviteit beïnvloeden, waaronder opgeloste concentratie en temperatuur.
Sensorsoorten en kalibratie: USP <922> geeft ook een korte samenvatting van de verschillende soorten sensoren die beschikbaar zijn voor het meten van wateractiviteit en benadrukt de sterke punten van elk ervan. Het geeft richtlijnen voor de kwalificatie van instrumenten met wateractiviteitsinstrumenten ingedeeld als Groep B-instrumenten. Het benadrukt dat wateractiviteitsmeters moeten worden gekalibreerd met behulp van standaardoplossingen en dit moet minimaal jaarlijks of telkens wanneer een kalibratiecontrole mislukt worden uitgevoerd. Kalibratiecontroles moeten dagelijks worden uitgevoerd op basis van de instructies van de instrumentfabrikant en met gebruik van minimaal twee standaarden die het typische bereik van de wateractiviteit afdekken. Het aantal replicaten dat wordt gebruikt voor een kalibratiecontrole moet overeenkomen met het aantal replicaten dat wordt gebruikt voor monsteronderzoek.
Monsterneming: Voor monsterneming wordt richtlijn gegeven om de blootstelling van het monster aan omgevingsomstandigheden te beperken door gebruik te maken van afgesloten containers met beperkte ruimte boven het monster. Het wordt afgeraden om monsters over te brengen vanuit extreme temperaturen vanwege het potentieel voor condensatievorming in de containers. Wateractiviteitsmetingen moeten worden uitgevoerd volgens de instructies van de fabrikant en moeten samen met de temperatuur worden gerapporteerd.
Toepassingen: Wat betreft voorgestelde toepassingen voor wateractiviteit, gaat USP <922> verder dan de gebruiksrichtlijnen van USP <1112> en omvat onder andere: • Het selecteren van isolatie van ingrediënten en productieprocesomstandigheden om aw onder de kritische drempel te houden om thermodynamische controle van de gewenste vaste vorm te verkrijgen (bijv. hydraat versus anhydraat) • Het selecteren van hulpstoffen waarvoor aw hun materiaalstroom, compressie-eigenschappen, hardheid en prestatiekenmerken (bijv. desintegratie en oplossing) van doseringsvormen kan beïnvloeden • Het optimaliseren van processen voor drogen in fluidized bed • Het verminderen van de afbraak van actieve ingrediënten binnen productformuleringen (bijv. die vatbaar zijn voor chemische hydrolyse) • Het vaststellen van het beschermingsniveau voor productformuleringen tegen vocht door primaire verpakkingsmaterialen tijdens hun houdbaarheid • Het optimaliseren van de houdbaarheid van probiotica • Het bieden van een aanvullende methode voor het bewaken van veranderingen in watergehalte • Het beheersen en bewaken van fysieke, chemische en microbiële productstabiliteit • Het optimaliseren van formuleringen om de antimicrobiële effectiviteit van conserveermiddelsystemen te verbeteren • Het verminderen van de gevoeligheid van formuleringen voor microbiële besmetting • Het bieden van een instrument om de vermindering van microbiële tests van niet-steriele geneesmiddelen- en voedingssupplementenformuleringen te rechtvaardigen (zie Toepassing van de bepaling van de wateractiviteit op niet-steriele farmaceutische producten 1112). Laten we eens kijken naar elk van deze toepassingen.
Kritieke wateractiviteit voor kristallijne hulpstoffen
Hulpstoffen, onder vele functies, fungeren als vulmiddelen en beschermen Actieve Farmaceutische Ingrediënten (API) in vaste farmaceutische doseringsproducten. Over het algemeen bestaat de matrix van deze hulpstoffen uit ofwel kristallijne of amorfe stoffen.
Voor kristallijne hulpstoffen kan de toevoeging of verwijdering van water van hydratatie of deliquescence resulteren in ongewenste veranderingen in de productkwaliteit, zoals wijziging van oplossingseigenschappen of vermindering van de werkzaamheid van de API. Deze veranderingsprocessen worden thermodynamisch gecontroleerd en zijn daarom gerelateerd aan de wateractiviteit.
De vochtopname-isotherm, die de relatie beschrijft tussen het vochtgehalte en de wateractiviteit van een kristallijn materiaal, zal duidelijk de winst en het verlies van water van hydratatie tonen als een abrupte toename van het vochtgehalte naarmate de wateractiviteit toeneemt, en een abrupt verlies van vocht naarmate de wateractiviteit afneemt (Figuur 1).
Vervloeiing van het kristallijne materiaal wordt aangegeven op de vochtopname-isotherm door een scherpe bocht van 90 graden in de isotherm (Figuur 2).
De wateractiviteit waar deze veranderingen optreden, wordt “kritische wateractiviteit” genoemd. De sleutel tot het vermijden van problemen met een kristallijne hulpstof is om te specificeren dat de wateractiviteit binnen een veilig bereik moet liggen op basis van de kritische wateractiviteiten die zijn geïdentificeerd via de vochtopname-isotherm. Elke inkomende levering van hulpstoffen moet vervolgens worden gecontroleerd op wateractiviteit om ervoor te zorgen dat aan deze specificatie wordt voldaan.
Kritieke wateractiviteit voor amorfe hulpstoffen
Amorfe hulpstoffen zijn doorgaans weinig vochtig en bevinden zich in een meta-stabiele glastoestand. Hun vermogen om bescherming te bieden aan de API hangt af van het behouden van de glastoestand gedurende de levensduur van het product. Een overgang van de hulpstofmatrix van de glastoestand naar de rubberachtige toestand, die een “glasovergang” wordt genoemd, zal resulteren in structurele instorting, verhoogde mobiliteit, veranderingen in oplossing en verhoogde gevoeligheid voor klontering en kristallisatie. Als gevolg daarvan zal het product niet goed vloeien, samendrukken of tabletteren, en kan de oplossing vroegtijdig plaatsvinden.
Een glasovergang kan worden veroorzaakt door een verandering in temperatuur of een verandering in wateractiviteit. De wateractiviteit waar een glasovergang optreedt voor een product wordt de “kritische wateractiviteit” genoemd en kan worden geïdentificeerd als een scherpe knik in de vochtopname-isotherm (Figuur 3).
Om de functionaliteit van amorfe hulpstoffen te behouden, is het belangrijk om hun kritische wateractiviteit te bepalen en maatregelen te nemen om ervoor te zorgen dat de wateractiviteit van het product gedurende de levensduur van het product onder die kritische wateractiviteit blijft.
Wateractiviteit en microbiële veiligheid
Micro-organismen hebben toegang tot water met voldoende energie nodig om water in de cel te laten bewegen. Dit water is cruciaal voor het handhaven van turgordruk en normale metabolische activiteit. De energie van het water rondom het micro-organisme wordt beschreven door de wateractiviteit, en voor water om in het micro-organisme te bewegen, moet de interne wateractiviteit van het organisme lager zijn dan de wateractiviteit van zijn omgeving. Met andere woorden, wateractiviteit is niet het water dat beschikbaar is voor micro-organismen om te groeien; het is de energie van het water die bepaalt of water in of uit de cel kan bewegen. Wanneer een micro-organisme een omgeving tegenkomt met een lagere wateractiviteit dan zijn interne wateractiviteit, ervaart het osmotische stress en verlaat water de cel, waardoor de turgordruk daalt en de metabolische activiteit stopt (Figuur 4).
Als reactie zal het organisme proberen zijn interne wateractiviteit te regelen door de concentratie van opgeloste stoffen. Het vermogen om de interne wateractiviteit te verlagen, is uniek voor elk organisme, wat verklaart waarom verschillende micro-organismen verschillende minimale groeilimieten voor wateractiviteit hebben (Tabel 1).
Merk op dat vochtgehalte niet is genoemd als een factor die van invloed is op de groei van micro-organismen omdat het niet de hoeveelheid water is die bepaalt of een micro-organisme er toegang toe heeft, maar de wateractiviteit (energie) in vergelijking met de interne wateractiviteit van het organisme. Daarom moeten alle inspanningen om controlelimieten vast te stellen voor het risico van microbiële besmetting, en een bijbehorende vermindering van microbiële limiettests, gebaseerd zijn op wateractiviteitsmetingen en niet op vochtgehalte.
Wateractiviteit en afbraak van actieve ingrediënten
De wateractiviteit van vaste farmaceutische doseringsvormen zal typisch minder zijn dan 0,70 aw, wat aangeeft dat microbiële groei niet waarschijnlijk is. Desondanks hebben producten in dit bereik geen onbeperkte houdbaarheid. Voor deze producten in het bereik van 0,40-0,70 aw is chemische degradatie van het API een sterke kandidaat voor de faalmodus omdat reactiesnelheden maximaal zijn.
Over het algemeen nemen reactiesnelheden toe naarmate de wateractiviteit toeneemt. Er is echter een unieke eigenschap met betrekking tot lipidoxidatie, waarbij de reactiesnelheid ook toeneemt bij zeer lage wateractiviteit (Figuur 5).
De meest voorkomende reactie die kan leiden tot degradatie van API’s is hydrolyse, hoewel lipidoxidatie (ranzigheid) en enzymatische reacties ook een rol kunnen spelen bij het verlies van actieve ingrediënten.
De meest effectieve manier om te voorkomen dat deze reacties resulteren in een aanzienlijk verlies van het API, is om ze te verwerken tot een lage wateractiviteit waarbij reacties tot een minimum worden beperkt, en vervolgens de juiste hulpstof te kiezen die de wateractiviteit het beste kan handhaven. Zoals uitgelegd in de eerdere secties over hulpstoffen, is het handhaven van een wateractiviteit onder de kritische wateractiviteit de beste manier om stabiliteit te behouden, omdat een glasovergang ook resulteert in een aanzienlijke toename van de reactiesnelheid. Daarom is de sleutel tot het voorkomen van verlies van de werkzaamheid van API om de wateractiviteit van het API op een niveau te houden dat de snelheid van degradatiereacties minimaliseert.
Wateractiviteit en houdbaarheidsstabiliteit
Wanneer chemische reacties die het API ineffectief maken de modus van falen zijn, zal de tijd die nodig is voor de reactie om te zijn voortgeschreden tot het punt van onaanvaardbaarheid bij een gegeven wateractiviteit en temperatuur de houdbaarheid van het product zijn. Als de reactieconstanten voor deze reacties bij verschillende opslagcondities worden bepaald, kan een voorspellend model worden gebruikt om de benodigde tijd te schatten voor de reactie om zich tot een onaanvaardbaar niveau te ontwikkelen onder alle opslagcondities. Hiervoor moet de voortgang van de reactie worden gevolgd met behulp van een of andere kwantitatieve beoordeling.
Hoewel er voorbeelden zijn van modellen voor de houdbaarheid in de literatuur, is het enige fundamentele model dat zowel wateractiviteit als temperatuur omvat, de hygrothermische tijd. Deze maatregel is afgeleid van een vorm van de Eyring-vergelijking voor snelheidsverandering, met de Gibbs-vergelijking voor vrije energie die als volgt wordt vervangen:
waarbij T de temperatuur (K) is, R de gasconstante (J mol−1 K−1) is, Ea de activeringsenergie (J mol−1) is, B de molecuulvolume-verhouding is, aw de wateractiviteit is en r0 de snelheid is bij de standaardstaat. In de praktijk zullen de waarden voor B, Ea/R en r0 uniek zijn voor elke situatie en worden empirisch afgeleid via iteratieve kleinste kwadraten. Zodra de constanten bekend zijn, kan het hygrothermische tijdmodel worden gebruikt met elke temperatuur en wateractiviteit om de snelheid van oxidatie onder die omstandigheden te bepalen; vandaar de houdbaarheid van het product dat acceptabel zal blijven voor de consument (Figuur 6).
Vochtverandering volgen met wateractiviteit
Zoals getoond door de vocht-sorptie-isotherm, gaat een toename in wateractiviteit gepaard met een daaropvolgende toename in vocht; echter, de relatie is niet-lineair en uniek voor elk product. Een toename van de helling van de isotherm geeft een toename van hygroscopie aan, wat de verandering in wateractiviteit beperkt terwijl vocht wordt geabsorbeerd. Dit is vaak een wenselijke eigenschap bij excipiënten omdat het het product in staat stelt vocht op te nemen terwijl de wateractiviteit van het API op niveaus blijft die de snelheid van degradatiereacties beperken, zoals eerder getoond.
Een andere manier waarop de wateractiviteit van een API tot onveilige niveaus kan stijgen, is door vochtmigratie in meercomponentenfarmaceutica zoals capsules. Als de componenten verschillende wateractiviteiten hebben, zal water zich tussen de componenten verplaatsen, ongeacht hun vochtgehalte. Water beweegt van hoge wateractiviteit (energie) naar lage wateractiviteit en niet van hoog naar laag waterconcentratie. Vocht zal blijven bewegen tussen de componenten totdat een evenwichtige wateractiviteit is bereikt, die wordt bepaald door de vocht-sorptie-isothermen van elke component en niet het middelpunt is tussen de oorspronkelijke wateractiviteiten (figuur 7).
Als de wateractiviteit van het API stijgt naar de evenwichtige wateractiviteit, kan deze mogelijk hoog genoeg zijn om degradatie te versnellen. Om dit probleem te vermijden, moeten de componenten zo worden ontworpen dat ze dezelfde wateractiviteit hebben. Als componenten wel op verschillende niveaus van wateractiviteit moeten worden gecombineerd, kan een model worden gebruikt om de uiteindelijke evenwichtige wateractiviteit te voorspellen en kan worden bepaald of de stabiliteit van het API op dat uiteindelijke wateractiviteitniveau zal worden aangetast.
Wateractiviteit en verpakkingsselectie
Zodra de ideale wateractiviteit is vastgesteld, is het van cruciaal belang dat het product tijdens transport en opslag op die wateractiviteit blijft. Veranderingen in wateractiviteit kunnen optreden door blootstelling aan de omgevingsluchtvochtigheid. Zoals eerder beschreven in de theoretische sectie, is wateractiviteit ook gerelateerd aan het evenwichtsrelatieve vochtigheid en aan de opslagvochtigheid. Als een product met een wateractiviteit van 0,40 aw wordt blootgesteld aan een opslag-luchtvochtigheid van 60%, zal het product water uit de omgeving opnemen totdat de wateractiviteit is geëgaliseerd tot 0,60 aw. Dit proces kost natuurlijk tijd. Als het product echter niet wordt beschermd, zal de wateractiviteit van het product buiten het ideale bereik toenemen en stabiliteit verliezen. Het plaatsen van het product in verpakkingen met vochtbarrière vertraagt de verandering in wateractiviteit.
De vochtbarrière-eigenschappen van verpakkingen worden meestal gerapporteerd als waterdamptransmissiesnelheden (WVTR) en moeten beschikbaar zijn voor elk verpakkingsmateriaal van de fabrikant (Figuur 8). Hoewel het zeker belangrijk is om verpakkingen te gebruiken met een lage WVTR-waarde om veranderingen in wateractiviteit te voorkomen, is het ook mogelijk om te veel te verpakken, wat resulteert in onnodige kosten. De snelheid van verandering in wateractiviteit binnen een verpakking met bekende WVTR kan worden gemodelleerd met behulp van Fickiaanse diffusie, evenals de vereiste verpakkingsdoorlaatbaarheid om een gewenste houdbaarheid te bereiken.
Conclusie
Wateractiviteit wordt soms als een over het hoofd gezien en onderschatte parameter beschouwd in de farmaceutische kwaliteit en formulering. Samen met vochtabsorptie-isothermen biedt het echter cruciale informatie voor het optimaliseren van de productstabiliteit. Problemen met deliquescence, klontering en klontervorming, oplossen, vatbaarheid voor micro-organismen, afbraak van API, enzovoort, kunnen worden opgelost door het ideale wateractiviteitsbereik voor het product te identificeren en wateractiviteitsmetingen als een routinematige parameter voor batchvrijgave te implementeren.
Wateractiviteitsexperts bij Pedak staan klaar om je te helpen bij het bepalen van het ideale wateractiviteitsbereik voor jouw farmaceutisch product. Zodra je deze kennis hebt, kunnen enorme voordelen en winstgevende rendementen worden gerealiseerd door eenvoudig wateractiviteitstests uit te voeren volgens USP <922>.
Neem contact met ons op om meer te weten te komen
over wateractiviteit oplossingen.