Um pacote de ferramentas analíticas estabelecidas para investigar a alteração do estado sólido de excipientes à base de lipídios

Os lipídios são uma classe de materiais que contêm hidrocarbonetos alifáticos de cadeia longa e seus derivados. Abrangem uma ampla gama de estruturas químicas, incluindo ácidos graxos, acilgliceróis, esteróis e ésteres de esteróis, ceras, fosfolipídios e esfingolípidos¹. O uso de lipídios como excipientes farmacêuticos iniciou-se em 1960 para incorporação de fármacos em uma matriz de cera para fornecer formulações de liberação sustentada². Desde então, os excipientes à base de lipídios (LBEs) ganharam ampla atenção para diversas aplicações, como liberação modificada de medicamentos, mascaramento de sabor, encapsulamento de medicamentos e aumento da biodisponibilidade de medicamentos. Os LBEs podem ser aplicados em uma ampla gama de formas de dosagem farmacêutica através de processos de fabricação versáteis, a saber, revestimento a quente, secagem por pulverização, extrusão de lipídios sólidos, impressão 3D, comprimidos e homogeneização de alta pressão, entre outros. Formas de dosagem como comprimidos, filmes de desintegração oral, sistemas multiparticulados, nano e micropartículas, pellets e formas impressas em 3D são o resultado ^2,3,4.

Os LBEs possuem o status “Geral Reconhecido como Seguro”, baixa toxicidade, boa biocompatibilidade e melhor tolerância do paciente. Sua origem natural e ampla disponibilidade permitem que eles capacitem a fabricação farmacêutica verde e sustentável. No entanto, o uso de LBEs tem sido associado a formas de dosagem instáveis. Alterações nas propriedades de produtos à base de lipídios após o armazenamento têm sido amplamente relatadas. O estado sólido dos LBEs e a existência de polimorfismo lipídico são considerados os principais motivos para a instabilidade das formas de dosagem à base de lipídios 5,6,7,8.

As propriedades mecânicas e físicas dos lipídios estão intimamente relacionadas às suas propriedades de cristalização e à estrutura de sua rede cristalina, o que mostra hierarquias distintas de organização estrutural. Quando os lipídios são utilizados na fabricação de produtos farmacêuticos, a estrutura cristalina é afetada pelos parâmetros de processo aplicados, como temperatura, solventes orgânicos, cisalhamento e forças mecânicas, o que, por sua vez, afeta o desempenho do produto farmacêutico ^{5,7,9,10,11,12} . Para entender essa relação estrutura-função, é importante conhecer os fundamentos da cristalização lipídica e da estrutura cristalina e métodos analíticos para rastreá-los.

No nível molecular, a menor unidade de um cristal lipídico é denominada “célula unitária”. Uma repetição tridimensional regular de células unitárias constrói as redes cristalinas, com interações moleculares mais fortes ao lado de suas direções laterais do que as longitudinais, explicando a construção em camadas de cristais lipídicos. O empacotamento transversal repetido das cadeias de hidrocarbonetos é conhecido como subcélula 1,12,13 (Figura 1). As lamelas são o empacotamento lateral das moléculas lipídicas. No pacote de cristais, as interfaces entre diferentes lamelas são feitas de grupos finais de metila, enquanto os grupos glicerol polar são colocados nas partes internas da lamela¹⁴. Para diferenciar cada cadeia de ácidos graxos na lamela, o termo folheto é empregado, que representa uma subcamada composta de cadeias únicas de ácidos graxos. Os acilgliceróis podem ser dispostos em comprimentos de cadeia de folheto duplos (2L) ou triplos (3L)¹⁴. A energia superficial das lamelas os leva a empilhar epitaxialmente uns aos outros, para fornecer nanocristalitos. Diferentes fatores de processamento, como temperatura e taxa de resfriamento, afetam o número de lamelas empilhadas e, portanto, a espessura do cristalito (~ 10-100 nm). A agregação de cristalitos leva à formação de esferulitos em microescala, e a agregação de esferulitos fornece à rede cristalina de LBEs um comportamento macroscópico definido¹³.

As transições de estado sólido começam no nível molecular. A transição geométrica de uma subcélula para outra é chamada de polimorfismo. Três polimorfos principais de forma α, β e β são geralmente encontrados em acilgliceróis, ordenados de acordo com o aumento da estabilidade. A inclinação da lamela em relação aos grupos finais ocorre durante as transições polimórficas ^1,13. Transições polimórficas mediadas por armazenamento e fusão são experimentadas por LBEs. As transições de armazenamento ocorrem quando a forma metaestável é armazenada abaixo de sua temperatura de fusão, enquanto as transições mediadas por fusão acontecem à medida que a temperatura sobe acima do ponto de fusão de uma forma metaestável, provocando fusão e cristalização sucessiva da forma mais estável.

Além disso, a separação de fases e o crescimento de cristais também podem ocorrer. A separação de fases é impulsionada pela cristalização multifásica inicial e pelo crescimento de uma fase ou mais. Interações partícula-partícula, incluindo sinterização, interações moleculares, características microestruturais e componentes estranhos, também podem desencadear o crescimento de cristais ^1,5.

O monitoramento das transições de estado sólido dos LBEs e seu impacto no desempenho das formas de dosagem é de importância significativa. Entre outros, a calorimetria exploratória diferencial (DSC) e a difração de raios X, especificamente o espalhamento simultâneo de raios-X de pequeno e grande ângulo (SWAXS), são dois padrões ouro para avaliar o estado sólido lipídico.

O DSC é comumente usado para medir as mudanças de entalpia do material de interesse associado ao fluxo de calor em função do tempo e da temperatura. O método é amplamente utilizado para a triagem do comportamento térmico de lipídios, como possíveis vias de fusão e cristalização, temperatura e entalpia correspondentes de diferentes formas polimórficas, bem como frações menores e principais de composições lipídicas. Esses dados podem ser utilizados para descrever a heterogeneidade, as múltiplas fases e o polimorfismo lipídico ^5,7,13.

As técnicas de difração de raios X são os métodos mais poderosos para a determinação de estruturas no estado sólido. Possuindo nanoestrutura ordenada com lamelas repetidas, a reflexão do feixe de raios-X de cristais lipídicos pode ser investigada usando a lei de Bragg:

d = λ/2sinθ (Equação 1)

onde λ é o comprimento de onda de raios-X de 1,542 Å, θ é o ângulo de difração do feixe disperso e d é o espaçamento interplanar de camadas repetidas, definido como comprimento de lamela em lipídios. A região de pequeno ângulo do raio-x pode ser perfeitamente usada para detectar o padrão de espaçamento longo e calcular o comprimento da lamela (d). Quanto maior a distância repetida d, menor o ângulo de dispersão (1-15°, região de ângulo pequeno), uma vez que d é inversamente proporcional ao pecado θ. O arranjo subcelular dos lipídios pode ser caracterizado como o padrão de espaçamento curto na região grande angular da difração de raios X. Ambos os padrões de espaçamento longo e curto dos lipídios (comprimento da lamela e arranjo subcelular) podem ser usados para indicar a transformação polimórfica monotrópica. Por exemplo, a forma α (hexagonal) pode ser alterada para β (triclínica) devido a uma mudança no ângulo de inclinação das correntes, com alterações no comprimento da lamela (padrão de espaçamento longo, na região de pequeno angular, 1-15°) e no modo de empacotamento transversal (padrão de espaçamento curto, na região grande angular, 16-25°) (Figura 2).

As informações obtidas da região SAXS podem ainda ser utilizadas para investigar o crescimento do cristal medindo sua espessura (D) através da equação de Scherrer¹⁵:

D = Kλ/FWHMcosθ (Equação 2)

Onde, FWHM é a largura em radianos do máximo de difração medido a uma altura intermediária entre o fundo e o pico, geralmente conhecido como largura total a meio máximo (FWHM); θ é o ângulo de difração; λ é o comprimento de onda de raios-X (1,542 Å) e K (constante de Scherrer) é um número adimensional que fornece informações sobre a forma do cristal (no caso da ausência de informações detalhadas sobre a forma K = 0,9 é uma boa aproximação). Por favor, note que a equação de Scherrer pode ser usada para estimar tamanhos médios de cristais de até cerca de 100 nm, uma vez que o pico de alargamento é inversamente proporcional ao tamanho do cristalito. Portanto, sua aplicação é útil para determinar a espessura das nanoplaquetas e, indiretamente, o número de lamelas agregadas. Exemplos de utilização dessa conhecida abordagem para triagem das propriedades cristalinas dos lipídios no desenvolvimento da formulação farmacêutica e da correspondente instabilidade no desempenho do produto podem ser encontrados em 5,12,16,17,18.

O monitoramento do estado sólido dos LBEs dentro de cada estágio de desenvolvimento por meio de técnicas analíticas bem estabelecidas fornece uma estratégia eficaz para projetar processos de fabricação de alto desempenho e produtos farmacêuticos estáveis à base de lipídios.

Esta publicação apresenta a aplicação crítica de uma análise abrangente do estado sólido dos LBEs para monitorar as mudanças no estado sólido e sua correlação com a alteração no perfil de liberação do ingrediente farmacêutico ativo (IFA) da forma farmacêutica farmacêutica. Sistemas multiparticulados baseados em cristais API revestidos de lipídios via revestimento a quente e suspensões nanolipídicas produzidas via homogeneização de alta pressão são tomados como estudos de caso. O foco desta publicação é a aplicação da difração de raios X em pó e do DSC como ferramentas analíticas. Os dois primeiros exemplos mostram o efeito da transformação polimórfica e do crescimento de cristais, respectivamente, sobre a alteração na liberação de API de amostras revestidas. O último exemplo revela a correlação entre o estado sólido estável dos lipídios e o desempenho estável do produto farmacêutico em sistemas multiparticulados revestidos de lipídios e em suspensões nanolipídicas.