Một số ứng dụng của Nhiệt lượng kế quét vi sai điều biến nhiệt (MDSC) trong dược học

Bài viết này cho thấy những khó khăn thường gặp khi phân tích đặc điểm vật liệu trong dược học khi sử dụng DSC truyền thống, và qua đó chúng ta có thể thấy ưu điểm của phân tích điều biến nhiệt (MDSC) giúp vượt qua những khó khăn trên.

Nhìn chung thì phân tích đặc tính nhiệt của các vật liệu trong dược học gặp nhiều khó khăn hơn so với các vật liệu polymer bởi những yếu tố sau:

• Các tinh thể thuốc thường tồn tại ở nhiều dạng (đa hình tinh thể) với những đặc tính vật lý, hóa học, sinh học khác nhau.
• Khi đun nóng mẫu, dạng tinh thể của thuốc có thể thay đổi cấu trúc thể rắn-rắn hoặc rắng-lỏng. Những quá trình thay đổi cấu trúc này có thể tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt.
• Không phải tinh thể thuốc nào cũng nóng chảy. Cấu trúc tinh thể có thể biến đổi trong các quá trình tách khỏi dung môi, khử nước, hay thậm chí là phân hủy thuốc.
• Thuốc dạng vô định hình có thể dễ dàng bị dẻo hóa (plasticize) bởi nước hay dung môi làm dịch chuyển giá trị T_g có thể đến 100^oC.
• Hoạt chất chính (active pharmaceutical ingredient, API) thường ở dạng nồng độ thấp (<10%) kèm theo nhiều loại tá dược khác khiến cho việc phát hiện tín hiệu của hoạt chất chính trở nên khó khăn.

Kể từ khi tính năng điều biến nhiệt của nhiệt lượng kế quét vi sai (MDSC) bắt đầu được sử dụng, nhiều chuyên gia cho rằng điều này sẽ giúp chúng ta giải quyết những vấn đề trên. Mặc dù MDSC có thể giải quyết được những vấn đề trên, việc sử dụng MDSC trong phân tích đa hình tinh thể vẫn còn bị hạn chế bởi những lý do sau:

• Rất khó để điều biến nhiệt độ vật liệu bị nóng chảy trong khoảng nhiệt độ quá hẹp. Tinh thể đa hình thường là các phân thử có độ tinh khiết rất cao nên có khoảng nhiệt độ nóng chảy chỉ vài độ ^oC, gần như không thể kiểm soát việc điều biến nhiệt độ của mẫu trong quá trình nóng chảy này (xem hình 1).

Hình 1. Không thể kiểm soát việc điều biến nhiệt độ của thuốc trong quá trình nóng chảy. Thí nghiệm được thực hiện với mẫu là 8.540 mg Tolbutamide.

• Không thể thực hiện đủ 4-5 chu trình điều biến nhiệt trong phạm vi quanh đỉnh nóng chảy. Thông thường, để tách tín hiệu dòng nhiệt tổng thành tín hiệu khả nghịch và tín hiệu không khả nghịch một cách tốt nhất thì cần tới 4-5 chu trình điều biến nhiệt trong phạm vi quanh đỉnh nóng chảy. Như trong hình 1, chúng ta thấy chỉ có khoảng 1.5 chu trình điều biến nhiệt có thể thực hiện được, mặc dù tốc độ biến nhiệt đã được đặt ở mức rất thấp (1^oC/phút).
• Tính năng điều biến nhiệt yêu cầu tốc độ gia nhiệt thấp, tức là kéo dài thời gian thí nghiệm, sẽ làm tăng rủi ro thuốc bị biến đổi cấu trúc trong quá trình gia nhiệt và giảm khả năng phân tích cấu trúc ban đầu của thuốc.

Mặc dù có những hạn chế trên, MDSC với phương hướng tiếp cận là sử dụng đồng thời 2 tốc độ gia nhiệt khác nhau lên mẫu, vẫn là một công cụ tuyệt vời giúp phân tích cấu trúc tinh thể hay vô định hình. Sử dụng MDSC đặc biệt hữu ích trong các tình huống sau:

• Cần xác định giá trị nhiệt độ chuyển tiếp T_g^’ trong dung dịch đông lạnh dùng trong quá trình đông khô.
• Phát hiện và đo lường giá trị T_g trong hệ dẫn thuốc.
• Tách tín hiệu của nhiều quá trình chồng lấp lên nhau.
• Phân tích đặc điểm hydrat hóa/solvat hóa.
• Phân tích các quá trình chuyển tiếp phức tạp.

Xác định giá trị nhiệt độ chuyển tiếp đối với dung dịch đông lạnh (T_g^’)

Lựa chọn các điều kiện nhiệt độ sấy khô đông lạnh cho quy trình đông khô yêu cần sự hiểu biết nhất định về đặc tính của vật liệu trong công thức bào chế thuốc. Trong công thức bào chế thuốc thường có các thành phần nước, chất độn, đệm pH, chất ổn định và hoạt chất chính. Chất độn ở dạng vô định hình hoặc tinh thể, đều có những tương tác với nước (chưa đông đá) và nước đá trong dung dịch, quyết định tính chất vật lý quan trọng đến sự thành công của quy trình đông khô.

Thông thường, việc xác định cấu trúc vô định hình hay cấu trúc tinh thể cũng như nhiệt độ chuyển tiếp của vật liệu là tương đối đơn giản với kỹ thuật DSC. Tuy nhiên, đối với dung dịch đông lạnh dùng trong quy trình đông khô, kỹ thuật DSC gặp nhiều khó khăn bởi có thể có nhiều hiện tượng chuyển tiếp xảy ra ở cùng một mức nhiệt độ trong khi DSC chỉ có thể đo tín hiệu nhiệt tổng hợp của các hiện tượng đó (Hình 2, đường màu xanh lá). Ta có thể thấy chỉ với tín hiệu nhiệt tổng hợp này thì không thể xác định được giá trị nhiệt độ chuyển tiếp của dung dịch đông lạnh (T_g^’). MDSC giúp chúng ta phân tách tín hiệu nhiệt tổng hợp ra thành tín hiệu nhiệt khả nghịch (Hình 2, đường màu xanh dương) và tín hiệu nhiệt không khả nghịch (Hình 2, đường màu nâu đỏ). Tín hiệu nhiệt khả nghịch (đường màu xanh dương) giúp chúng ta dễ dàng xác định được giá trị T_g^’. Ngoài ra, chúng ta còn phát hiện ra 2 hiện tượng biến đổi không khả nghịch khác (đường màu nâu đỏ), nhiều khả năng là các tín hiệu biến đổi động học hoặc tín hiệu biến đổi theo thời gian. Rõ ràng tín hiệu tổng hợp của 2 hiện tượng trên đã gây nhiễu tín hiệu chuyển tiếp T_g’ khiến phương pháp DSC truyền thống không thể xác định được giá trị nhiệt độ chuyển tiếp này.

Hình 2. DSC truyền thống chỉ có thể đo lường tín hiệu dòng nhiệt tổng hợp của các hiện tượng (đường màu xanh lá), trong khi MDSC tách tín hiệu nhiệt thành tín hiệu khả nghịch (đường màu xanh dương) và tín hiệu không khả nghịch (đường màu nâu đỏ).Thí nghiệm được thực hiện với mẫu là dung dịch đường sucrose/nước nồng độ 40% w/w.

Ngoài ra, một ưu điểm khác của MDSC ở ví dụ trong hình 2 ở trên chính là có độ nhạy cao dù tốc độ gia nhiệt rất thấp (0.5^oC). Tốc độ gia nhiệt thấp giúp giảm độ trễ nhiệt hay phát sinh gradient nhiệt độ trong mẫu, qua đó tăng độ chính xác nhiệt (đây là yếu tố đặc biệt quan trọng với các mẫu trong quy trình đông khô).

Xác định giá trị nhiệt độ chuyển tiếp (T_g) đối với hệ dẫn thuốc.

Một hệ dẫn thuốc đầy đủ thường chứa nhiều thành phần, mỗi thành phần lại có hiện tượng chuyển tiếp sinh ra bởi cấu trúc vô định hình hay tinh thể. Các quá trình chuyển tiếp của các thành phần này có thể bị chồng lấp lên nhau khiến ta rất khó để xác định giá trị T_g của hoạt chất chính. Như trong Hình 3, đường màu xanh lá là tín hiệu nhiệt tổng hợp còn đường màu xanh dương là tín hiệu nhiệt khả nghịch của hệ dẫn thuốc vô định hình bằng các hạt vi cầu polymer (polymer microsphere). Tương tự như ví dụ trước đó, chúng ta có thể thấy rất khó để xác định giá trị T_g thông qua tín hiệu nhiệt tổng hợp, nhưng lại có thể dễ dàng xác định T_g ở tín hiệu nhiệt khả nghịch. Bởi vì chỉ thu được 1 giá trị T_g và ta đã biết hệ dẫn thuốc ở dạng vô định hình, nên ta có thể kết luận thuốc đã tan (miscible) trong hệ dẫn vi cầu polymer này.

Hình 3. Tín hiệu nhiệt tổng hợp và tín hiệu nhiệt khả nghịch được tách bởi MDSC đối với hệ dẫn thuốc vi cầu polymer.

Tách tín hiệu của nhiều quá trình chồng lấp lên nhau.

Các ví dụ trên đã phần nào thể hiện khả năng của MDSC cho phép phân tách các quá trình chồng lấp lên nhau. Trong ví dụ dưới đây, chúng ta phân tích hiện tượng khác xuất hiện rất phổ biến gây chồng lấp lên các hiện tượng chuyển tiếp, đó là hiện tượng bay hơi. Hiện tượng bay hơi hay xảy ra khi mẫu được gia nhiệt trong chén đựng mẫu loại không kín hơi trong khi mẫu chứa các thành phần dễ bay hơi như nước hay các dung môi khác. Do hiện tượng bay hơi thu nhiệt mạnh nên chỉ cần lượng nhỏ bị bay hơi (khoảng 1% khối lượng mẫu) cũng đủ để che lấp tín hiệu nhiệt của các hiện tượng khác. Như trong Hình 4, tín hiệu nhiệt tổng hợp (đường xanh lá) đã được MDSC phân tách thành tín hiệu nhiệt không khả nghịch (đường nâu đỏ) của hiện tượng bay hơi và tín hiệu nhiệt khả nghịch (đường xanh dương) giúp chúng ta dễ dàng xác định giá trị nhiệt độ chuyển tiếp (T_g).

Hình 4. Tín hiệu nhiệt tổng hợp (đường xanh lá) cùng với tín hiệu nhiệt khả nghịch (đường xanh dương) và tín hiệu nhiệt không khả nghịch (đường nâu đỏ) được tách bởi MDSC giúp chúng ta xác định chuyển tiếp Tg ngay cả trong điều kiện dung môi bị bay hơi.

Phân tích đặc điểm hydrat hóa/solvat hóa.

Sự ưu việt của MDSC trong phân tích quá trình hydrat hóa/solvat hóa được thể hiện ở khả năng đo nhiệt dung (thông qua tín hiệu khả nghịch) trong các quá trình động học. Khi một quá trình khử nước / tách khỏi dung môi xảy ra thì đều có 2 tác động đồng thời đến nhiệt dung. Tác động thứ nhất là do mất nước/dung môi do bay hơi thường làm giảm 1-5% khối lượng mẫu và dẫn đến giảm 5-10% nhiệt dung. Tác động thứ hai là chuyển đổi cấu trúc từ tinh thể sang vô định hình dẫn đến tăng nhiệt dung (do nhiệt dung của cấu trúc vô định hình thường cao hơn 30-40% so với nhiệt dung của cấu trúc tinh thể). Trong khi đó hiện tượng bay hơi của nước/ dung môi tự do luôn luôn làm giảm nhiệt dung, MDSC có thể dễ dàng phân biệt được đỉnh thu nhiệt của hiện tượng bay hơi của nước/dung môi tự do với hiện tượng khử nước/tách khỏi dung môi.

Hình 5 là kết quả phân tích nhiệt trọng (TGA) của thuốc cho thấy trong thành phần thuốc có gần 5% khối lượng là nước bị bay hơi trong khoảng nhiệt độ 50-100^oC. Hình 6 là kết quả MDSC của thuốc đó cũng cho thấy đỉnh thu nhiệt mạnh trong lần gia nhiệt đầu tiên ở cùng khoảng nhiệt độ đó (tín hiệu dòng nhiệt tổng hợp). Để ý tín hiệu khả nghịch của nhiệt dung (C_p) tăng lên ở đỉnh thu nhiệt đó. Điều này cho thấy, ngoài hiện tượng bay hơi (với đỉnh thu nhiệt mạnh ở tín hiệu dòng nhiệt tổng) còn diễn ra hiện tượng thay đổi từ cấu trúc tinh thể sang cấu trúc vô định hình (tín hiệu khả nghịch). Khi nhiệt độ tiếp tục được tăng lên quá 100^oC, chúng ta thấy sau đó xuất hiện sự kết tinh lại cấu trúc tinh thể, thể hiện ở đỉnh tỏa nhiệt (tín hiệu dòng nhiệt tổng) và giảm nhiệt dung (tín hiệu khả nghịch). Sau đó mẫu bị nóng chảy, trở thàhn cấu trúc vô định hình 100%. Do đó, sau khi được làm mát và thực hiện lần gia nhiệt thứ 2 (không còn nước trong mẫu), mẫu vẫn ở dạng cấu trúc vô định hình và chúng ta chỉ quan sát thấy 1 hiện tượng chuyển tiếp Tg duy nhất.

Hình 5. Phân tích nhiệt trọng (TGA) cho thấy trong mẫu thuốc có 5% khối lượng là nước, hiện tượng bay hơi diễn ra hoàn toàn trong khoảng 50-100^oC.

Hình 6. Kết quả MDCS với tín hiệu tổng dòng nhiệt và tín hiệu nhiệt dung khả nghịch cho mẫu với lần gia nhiệt đầu tiên (đường xanh lá) bay hơi 5% khối lượng cùng hiện tượng chuyển từ cấu trúc tinh thể sang vô định hình, trong khi lần gia nhiệt thứ hai (đường xanh dương) chỉ có 1 hiện tượng chuyển tiếp (T­_g) duy nhất.

Phân tích các quá trình chuyển tiếp phức tạp.

Theo như ví dụ trên, nếu như chỉ sử dụng DSC truyền thống, rất khó có thể phân tích kết quả bởi vì hiện tượng thu nhiệt hay tỏa nhiệt có thể là do rất nhiều hiện tượng khác nhau như bay hơi, khử nước, phân hủy, biến tính, nóng chảy…

Hình 7 là kết quả DSC truyền thống của một mẫu thuốc dạng tinh thể. Lần gia nhiệt đầu tiên cho thấy 1 đỉnh thu nhiệt mạnh ở trên 100^oC, trong khi lần gia nhiệt thứ 2 chỉ có 1 tín hiểu chuyển tiếp Tg ở khoảng 10^oC. Với kết quả DSC truyền thống như vậy, nhiều người sẽ nghĩ rằng đỉnh thu nhiệt ở lần gia nhiệt đầu tiên là kết quả của sự nóng chảy khiến cấu trúc tinh thể của thuốc bị biến đổi thành cấu trúc vô định hình.

Hình 7. Kết quả DSC truyền thống của một thuốc có cấu trúc tinh thể. Lần gia nhiệt đầu tiên và lần gia nhiệt thứ hai được thực hiện trong chén đựng mẫu đậy nắp kín hơi, trong khi lần gia nhiệt thứ ba được thực hiện sau khi mẫu được sấy khô ở 150^oC.

Hình 8 là kết quả MDSC của cùng loại thuốc trên. Tín hiệu dòng nhiệt tổng hợp thu được giống hệt tín hiệu DSC truyền thống: có một đỉnh thu nhiệt mạnh ở trên 100^oC trong lần gia nhiệt đầu tiên. Tuy nhiên tín hiệu dòng nhiệt khả nghịch cho thấy sự thu nhiệt trong khoảng nhiệt độ này, chứng tỏ đây không phải là hiện tượng nóng chảy (bởi hiện tượng nóng chảy không phát sinh tín hiệu khả nghịch thu nhiệt được).

Hình 8. Kết quả MDSC cho thấy hiện tượng thu nhiệt mạnh ở trên 100^oC trong lần gia nhiệt đầu tiên không phải là sự nóng chảy.

Hình 9 là kết quả TGA của thuốc trên, cho thấy hiện tượng phân hủy thuốc trong khoảng nhiệt độ trên 100^oC. Chúng ta kết luận rằng, chính hiện tượng phân hủy do nhiệt trong lần gia nhiệt đầu tiên này đã biến đổi cấu trúc thuốc từ dạng tinh thể thành dạng vô định hình. Ví dụ này cho thấy kết quả MDSC giúp chúng ta tránh được những sai lầm như khi phân tích kết quả DSC truyền thống.

Hình 9. Kết quả TGA cho thấy thuốc bị phân hủy ở khoảng trên 100^oC.

TỔNG KẾT

Kỹ thuật MDSC là một công cụ vô cùng quý giá trong nghiên cứu dược phẩm, ưu việt hơn nhiều so với kỹ thuật DSC truyền thống.

Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật của một số cấu hình máy DSC có tính năng thực hiện kỹ thuật MDSC của TA Instruments:

●Included         ○ Optional       − Not available