Изучение процесса гелеобразования при масштабировании технологии получения лекарственной формы «Агсулар® гель 1.5%»

Abstract

Методом фазовой реологии изучен процесс гелеобразования в полярной дисперсной системе, представляющей собой водно-глицериновый раствор фармацевтической субстанции Агсулар^® и консерванта Нипагин^® М натрия, при загущении ее аэросилом в возрастающей концентрации. Методом электрофоретического рассеяния света на основании данных о величине ζ-потенциала дисперсной системы изучена физическая стабильность геля. За счет изменения последовательности и количества ввода ингредиентов оптимизирована технология получения лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» при масштабировании производственного процесса.

Full Text

В медицинской практике для наружного применения широко используются мягкие лекарственные формы в виде гелей. Использование в качестве гелеобразователя коллоидного диоксида кремния (аэросила),¹ относящегося к неорганическим полимерам, является перспективным в связи с его уникальным строением и свойствами [1, 2]. Одним из важных свойств аэросила является его загущающая способность [повышение вязкости дисперсии за счет образования водородных связей между силаноловыми группами аэросила и функциональными группами дисперсионной среды (например, гидроксильными) с образованием золя или геля]. Аэросил в концентрации до 3–4% образует устойчивые золи в полярных жидкостях [3–5], дальнейшее увеличение его концентрации приводит к золь-гель переходу и изменению структуры дисперсии [6–8]. Образующиеся при этом аэросилсодержащие гели обладают коллоидной стабильностью при повышенной (40°С) и высокой температуре, сохраняя свою консистенцию без изменения даже при 100°С [9, 10]. Аэросилсодержащие гели при наружном применении не оказывают раздражающего и общетоксического действия, а также не нарушают кожный обмен [2, 11].

Нами разработан аэросилсодержащий гель, представляющий собой водно-аэросил-глицеринсодержащую дисперсию (в соотношении компонентов 1:2:13 соответственно) с добавлением консерванта Нипагин^® М натрия (0.1%). Данный гель использован в качестве гидрофильной основы в фармацевтической технологии получения лекарственной формы для наружного применения «Агсулар^® гель 1.5%» [12], действующим веществом которой является фармацевтическая субстанция Агсулар^®, обладающая гиполипидемической и антикоагулянтной активностью [13]. Агсулар^® представляет собой сульфатированный арабиногалактан в виде калиевой соли (I), структурная организация и основные физико-химические свойства которого схожи с исходным полисахаридом — арабиногалактаном [14]. Агсулар^®, так же как и арабиногалактан, является водорастворимым биополимером со сферической формой частиц и средневесовой молекулярной массой (26.0–28.0 кДa), динамическая вязкость (η) его водных растворов имеет низкие значения [(1–2)·10^–3 Па·с], не зависящие от концентрации биополимера [15].

(I)

Лабораторный способ приготовления лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» традиционен, но оказался трудновоспроизводимым при масштабировании процесса производства. Так, согласно разработанной прописи в состав лекарственной формы глицерин входит в виде 90%-ного водного раствора. Однако с технологической точки зрения приготовление данной концентрации неводного растворителя является отдельной трудоемкой производственной операцией. Поэтому для масштабирования процесса произвели пересчет 90%-ного водного раствора глицерина на глицерин дистиллированный (100%). Изменившееся при этом соотношение компонентов основы геля (вода–аэросил–глицерин) составило 1:1:5.9 соответственно. Кроме того, при введении водных растворов фармацевтической субстанции Агсулар^® и Нипагин^® М натрия в готовый аэросилсодержащий гель (согласно традиционным стадиям приготовления фармацевтических гелей²) при масштабировании возникли сложности с перемешиванием и равномерным распределением вводимых ингредиентов ввиду высокой вязкости исходной дисперсии, что привело к производственному браку.

Таким образом, изменение количественного соотношения ингредиентов лекарственной формы при масштабировании процесса производства потребовало изменения технологии получения геля, в связи с чем необходимо оптимизировать технологический процесс гелеобразования.

Цель работы — оптимизация технологического процесса гелеобразования в водно-глицериновом растворе фармацевтической субстанции Агсулар^® и консерванта Нипагин^® М натрия при возрастающей концентрации загустителя (аэросила).

Экспериментальная часть

В работе использованы: фармацевтическая субстанция Агсулар^®, полученная на основе арабиногалактана (ЗАО «Аметис») согласно методике [16] с чистотой 98%, и вспомогательные вещества, разрешенные к применению в медицинской практике: аэросил (AEROSIL^® 200 Pharma, Evonik Degussa); вода очищенная, полученная методом дистилляции; глицерин (ч., ЗАО «Реактив»); Нипагин^® М натрия (метил-4-гидроксибензоата натриевая соль; Sigma-Aldrich, кат. номер 225-714-1).

Процесс загущения основы геля аэросилом изучали методом динамической фазовой реологии в соответствии с фармакопейными требованиями³ на ротационном вискозиметре BROOKFIELD DV-II+Pro с адаптером малой пробы и шпинделем SC4-27 в режиме контролируемой скорости сдвига, которую изменяли в пределах 0.1–70 с^–1. Расчеты проводили при помощи программного обеспечения WINGATHER32.

Точку образования геля определяли как структурирование дисперсной системы при добавлении определенной концентрации загустителя (с*), при которой исследуемый раствор массой 1·10^–3 кг прекращал течь при переворачивании флакона диаметром 1 см под действием собственного веса [17].

Физическую стабильность геля оценивали по величине ζ-потенциала (ζ) дисперсной системы, полученного методом электрофоретического рассеяния света с использованием анализатора Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments). Измерения проводили в стеклянных кюветах (1 × 1 см) с квадратной горловиной для неводных образцов с использованием универсальных электродов погружного типа. Результаты обрабатывали с помощью программного обеспечения Dispersion technology Zetasizer family software v7.01 (Malvern Instruments).

Значение ζ-потенциала, равное ±30 мВ (характерное значение для условного разделения низкозаряженных поверхностей и высокозаряженных поверхностей), считали порогом для стабильных систем.⁴

Размер частиц в гелях определяли методом оптической микроскопии в соответствии с фармакопейными требованиями⁵ на прямом оптическом микроскопе BX 53M (Olympus). Их размер не должен превышать 100 мкм.

Лабораторный способ получения лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%». К 8·10^–2 кг 90%-ного водного раствора глицерина добавляли 12.2·10^–3 кг аэросила, перемешивание производили стеклянной палочкой до получения прозрачного геля. В полученный гель приливали 6·10^–3 л 25%-ного водного раствора фармацевтической субстанции Агсулар^® и 2·10^–4 л 50%-ного водного раствора Нипагин^® М натрия, гомогенизировали растиранием стеклянной палочкой до получения однородного прозрачного геля светло-желтого цвета.

Масштабирование (5-кратное) технологии получения лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%». Приготовление основы геля: в смесителе объемом 1 л к 367.75·10^–3 кг глицерина дистиллированного (100%) при постоянном перемешивании якорной мешалкой с частотой вращения (n) не более 3 об·мин^–1 (во избежание аэрации основы) приливали по очереди 61.25·10^–3 л 12.25%-ного водного раствора фармацевтической субстанции Агсулар^® и 1·10^–3 л 50%-ного водного раствора Нипагин^® М натрия. Полученную основу гомогенизировали при постоянном перемешивании якорной мешалкой с частотой вращения (n) 1 об·мин^–1 в течение 15 мин.

Приготовление геля: готовую основу загущали добавлением при постоянном перемешивании якорной мешалкой (n ≤ 1 об·мин^–1 во избежание аэрации геля) 62·10^–3 кг аэросила. Загрузка аэросила в смеситель осуществлялась равными порциями (до 4) с интервалом не менее 5 мин до получения геля. Последующая экспозиция в течение 0.5 ч приводит к полному структурированию и получению однородного прозрачного геля светло-желтого цвета.

Обсуждение результатов

Для трансфера технологии производства лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» при масштабировании процесса необходимо оптимизировать технологический процесс гелеобразования в полярной дисперсной системе, представляющей собой водно-глицериновый раствор фармацевтической субстанции Агсулар^® и Нипагин^® М натрия, при загущении ее аэросилом в возрастающей концентрации.

Исходная динамическая вязкость (η) дисперсной системы минимальна (η₀ = 1·10^–3 Па·с). При равномерно увеличивающейся концентрации (с) аэросила (до 4%) η дисперсной системы возрастает (η₀ = 1·10^–3 Па·с → η₄ = 4·10^–2 Па·с) за счет формирования устойчивого золя (ζ₄ = –30.6 мВ), хотя и не имеет каких-либо значимо видимых изменений (рис. 1). Затем в диапазоне концентраций 5.0–9.6% аэросила происходит видимое увеличение η дисперсной системы (η₅ = 1.43 Па·с → η_9.6 = 3.21 Па·с), что свидетельствует о ее структурировании.

Рис. 1. Зависимость динамической вязкости от концентрации загустителя (аэросила) при формировании in situ лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» (T = 20°С).

с* — гель-точка.

При этом увеличивающаяся величина ζ-потенциала (рис. 2) (ζ₀ = –11.6 мВ → ζ_9.6 = –226 мВ) свидетельствует о нарастании процесса микрофазового разделения в дисперсной системе, которое происходит вследствие образования локальных гетерогенностей в ее объеме (электрически стабилизированных микрогелей, ζ ≤ –30 мВ) вплоть до формирования макрогеля в гель-точке.

Рис. 2. Усредненная кривая зависимости ζ-потенциала дисперсной системы от концентрации загустителя (аэросила) при формировании in situ лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» (T = 20°С).

Поскольку гель-точка — это некоторый предел структурирования дисперсной системы, при котором ее η → ∞, золь-гель переход в водно-глицериновом растворе фармацевтической субстанции Агсулар^® и Нипагин^® М натрия начинается после добавления к нему более 10% аэросила (рис. 1). Это предположение подтверждено экспериментально: гель-точка при формировании in situ лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» соответствует концентрации аэросила 12.4%.

Процесс микрогелеобразования в водно-глицериновом растворе фармацевтической субстанции Агсулар^® и Нипагин^® М натрия при загущении аэросилом проявляется наличием изломов на кривой зависимости динамической вязкости от концентрации загустителя (рис. 3). Это свидетельствует о наличии структурных перестроек и изменении механизма течения в дисперсной системе и полностью согласуется с теорией Айлера [9].

Рис. 3. Зависимость динамической вязкости (η) от концентрации (c) загустителя (аэросила) при формировании in situ лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» (T = 20°С).

Так, при концентрации до 3.5% аэросила в дисперсной системе (c_мг1 на рис. 3) происходит агрегация частиц дисперсной фазы, дальнейшее увеличение содержания аэросила (до 5.5%) приводит к образованию областей микрогеля в дисперсной системе (c_мг2 на рис. 3). Далее (с момента второго излома c_мг2) концентрация областей микрогелей достигает критического значения, после чего начинается процесс формирования макрогеля (c_н* = 10% аэросила на рис. 3). Полученные данные также хорошо коррелируют с данными зависимости динамической вязкости от концентрации загустителя (аэросила) в традиционных координатах (рис. 1).

В результате был получен однородный по внешнему виду и содержанию действующего вещества гель (рис. 4, а), размер частиц в котором не превышает 100 мкм (рис. 4, б), что полностью соответствует нормативным требованиям.⁶

Рис. 4. Внешний вид (а) и размер частиц (б) лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%».

Полученные данные положены в основу разработки нормативной документации на опытно-промышленное производство лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%», согласно которой была проведена оценка качества гелей, полученных лабораторным и масштабированными способами (см. таблицу).

Спецификация к проекту нормативной документации на лекарственную форму «Агсулар^® гель 1.5%»

Показатель	Метод	Норма	«Агсулар® гель 1.5%»
			лабораторный способ получения	масштабированный способ получения
Описание	Визуальный	Однородный прозрачный гель светло-желтого цвета	Соответствует	Соответствует
Подлинность	1. Реакция метахромазии	При добавлении 0.005% раствора толуидинового синего наблюдается изменение окраски раствора красителя с синей на сиреневую	Реакция метахромазии положительна	Реакция метахромазии положительна
	2. Ионы калия (реакция Б)7	При добавлении разведенной уксусной кислоты и раствора натрия кобальтинитрита образуется желтый кристаллический осадок	Качественная реакция на K+ положительна	Качественная реакция на K+ положительна
рН	Потенциометрический8	5.25 ± 5% (4.99–5.51)	5.42 ± 0.05	5.50 ± 0.02
Размер частиц	Оптическая микроскопия9	Размер частиц не должен превышать 100 мкм	Соответствует	Соответствует
Количественное определение	Спектрофотометрический10	Содержание ФС Агсулар® в 100.0 г геля должно быть от 1.425 до 1.575 г (1.5 г ± 5%)	1.496 ± 0.023	1.557 ± 0.012
Микробиологическая чистота	Микробиологический11	Категория 2 Общее число аэробных бактерий и дрожжевых и плесневых грибов (суммарно) не более 102 КОЕ в 1 г (мл) Отсутствие Pseudomonas aeruginosa в 1 г (мл) Отсутствие Staphylococcus aureus в 1 г (мл)	Соответствует	Соответствует

Таким образом, гели, полученные лабораторным и масштабированным способами, полностью соответствуют проекту нормативной документации на лекарственную форму «Агсулар^® гель 1.5%», что подтверждает рациональность изменения количественного соотношения и порядка ввода ингредиентов в лекарственную форму при масштабировании технологического процесса производства. Необходимо добавлять загуститель в подготовленную основу, содержащую действующие и вспомогательные вещества, соответственно выявленным точкам микрогелеобразования, т. е. кратно 3–4 этапам загрузки аэросила по 3.1–4.13% каждый.

Выводы

В результате экспериментального изучения процесса гелеобразования в полярной дисперсной системе, представляющей собой водно-глицериновый раствор фармацевтической субстанции Агсулар^® и консерванта Нипагин^® М натрия, при загущении ее аэросилом в возрастающей концентрации было показано, что структурирование дисперсной системы происходит согласно классическим канонам теории Айлера. Поэтому технологию получения лекарственной формы «Агсулар^® гель 1.5%» при масштабировании процесса производства можно оптимизировать, заменив 90%-ный водный раствор глицерина на глицерин дистиллированный (100%) и изменив порядок ввода ингредиентов.

Благодарности

Основные экспериментальные данные получены с использованием материально-технической базы Байкальского аналитического центра коллективного пользования СО РАН и научно-исследовательской лаборатории катализа и органического синтеза ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (ИрНИТУ).

Автор выражает благодарность А. С. Солдатенко (Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского СО РАН) и В.О. Страхову (ИрНИТУ) за помощь в выполнении данной работы.

Финансирование работы

Работа выполнена согласно планам НИР (государственное задание) по приоритетному направлению 1.4.1.4. Новые полимерные, композитные, нано- и сверхтвердые материалы (2021–2025 гг.). Проект 0276-2021-0007. Развитие глубокой переработки возобновляемого сырья: синтез новых функционализированных биополимеров, нанобиокомпозитов на их основе, а также многокомпонентных наноразмерных катализаторов для биомедицины и критических технологий.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

¹ ГОСТ 14922–77. Аэросил. Технические условия.

² Меньшутина Н. В., Мишина Ю. В., Алвес С. В. Инновационные технологии и оборудование фармацевтического производства / Под ред. Н. В. Меньшутиной. М.: Изд-во БИНОМ, 2012. Т. 1. С. 215–218.

³ ОФС.1.2.1.0015. Вязкость. Государственная фармакопея Российской Федерации. XV изд. М., 2023.

⁴ ГОСТ Р 8.887–2015. Потенциал электрокинетический (дзета-потенциал) частиц в коллоидных системах.

⁵ ОФС.1.2.1.0009. Оптическая микроскопия. Государственная фармакопея Российской Федерации. XV изд. М., 2023.

⁶ ОФС.1.4.1.0008. Мягкие лекарственные формы. Государственная фармакопея Российской Федерации. XV изд. М., 2023.

⁷ ОФС.1.2.2.0001. Общие реакции на подлинность. Государственная фармакопея Российской Федерации. XV изд. М., 2023.

⁸ ОФС.1.2.1.0004. Ионометрия. Государственная фармакопея Российской Федерации. XV изд. М., 2023.

⁹ ОФС.1.2.1.0009. Оптическая микроскопия. Государственная фармакопея Российской Федерации. XV изд. М., 2023.

¹⁰ ОФС.1.2.1.1.0003. Спектрофотометрия в ультрафиолетовой и видимой областях. Государственная фармакопея Российской Федерации. XV изд. М., 2023.

¹¹ ОФС.1.2.4.0002.18. Микробиологическая чистота. Государственная фармакопея Российской Федерации. XIV изд. М., 2018.