Productos farmacéuticos Caracterización de partículas mediante el análisis dinámico de imágenes

Mayor resolución, mejor sensibilidad y excelente reproducibilidad: así es como el análisis dinámico de imágenes (DIA) mejora la caracterización de polvos y granulados, tanto en el control de calidad como en I+D. En este informe técnico se describe la forma de determinar la distribución del tamaño y la forma de las partículas mediante el DIA, con ejemplos de aplicación del sector farmacéutico que demuestran la superioridad de este método frente al análisis por tamizado y la difracción láser.

Las técnicas tradicionales en el análisis de la distribución granulométrica de muestras farmacéuticas son el análisis por tamizado, la microscopía o la difracción láser. Estos métodos están establecidos en la farmacopea y se utilizan en laboratorios farmacéuticos de todo el mundo.

Con la introducción del análisis dinámico de imágenes (DIA) como método alternativo, ahora se puede medir el tamaño y la forma de las partículas en polvos, granulados, gránulos y suspensiones de >1 μm. Diversos ensayos demuestran claramente las ventajas del DIA en comparación con los métodos tradicionales de granulometría. Muchas compañías farmacéuticas ya han reconocido el potencial de este método y han incorporado esta tecnología a sus laboratorios de investigación y control de calidad. Ejemplos habituales de aplicación:

Excipientes y principios activos (PA) micronizados
Granulados farmacéuticos (p. ej., mezclas para prensado de comprimidos)
Tamaño y forma de los gránulos
Control de los procesos de recubrimiento
Caracterización de excipientes y PA cristalinos

Ventajas del análisis dinámico de imágenes (DIA)

Al igual que los microscopios, los analizadores DIA constan de una unidad de iluminación, objetivos y un sistema de cámara. Las partículas suelen detectarse en la luz transmitida y las imágenes contienen proyecciones de sombras de las partículas. Sin embargo, a diferencia de la microscopía, el objetivo del DIA es detectar y evaluar un gran número de partículas en un tiempo de análisis muy corto. Esto se consigue generando un flujo de partículas que se fotografía con cámaras de alta velocidad (fig. 1). El flujo de partículas puede ser en caída libre si hablamos de sólidos que sean vertibles, en un flujo de aire generado por una boquilla Venturi para polvos aglomerados, o incluso en una suspensión líquida. Dependiendo del instrumento y la aplicación, se obtienen y analizan entre 60 y 320 imágenes en tiempo real.

Un microscopio automatizado suele requerir entre 30 y 60 minutos para captar suficientes partículas y calcular una distribución de tamaño significativa. Los sistemas DIA evalúan cientos de miles o hasta millones de partículas en cuestión de minutos. Por lo tanto, la distribución de tamaño resultante se apoya en una base mucho mayor, sin errores derivados del muestreo y las estadísticas deficientes. Además, el rango de medición de un sistema DIA es superior en más de 10 veces que el de un microscopio, una ventaja significativa, ya que muchas muestras contienen partículas que van del rango micrométrico al milimétrico.

^{Fig. 1. Dos instrumentos DIA de última generación: CAMSIZER P4 (izquierda) y CAMSIZER X2 (derecha). El P4 está optimizado para realizar un análisis rápido de materiales vertibles a granel en un rango de tamaño de 20 μm a 30 mm, mientras que el modelo X2 trabaja en un rango de tamaño de 0,8 μm a 8 mm. El X2 cuenta con varias opciones para la dispersión de la muestra, como la boquilla de chorro de aire con presión ajustable y una unidad de dispersión húmeda.}

Análisis de imagen: lo que se ve es lo que se obtiene

Las técnicas de análisis de imágenes son un método directo para llevar a cabo el análisis granulométrico. La idea básica es simple: lo que se ve es lo que se obtiene. A partir de imágenes de partículas individuales, los algoritmos automáticos del software determinan el tamaño y la morfología. Tal y como se muestra en la fig. 2, se puede acceder directamente a la longitud y el ancho de las partículas. Esto demuestra la versatilidad del DIA, especialmente en combinación con el análisis de la forma, que se ejecuta a la vez que la medición del tamaño. Algunos parámetros de forma se explican en la fig. 3.

^{Fig. 2 Selección de los parámetros de tamaño básicos utilizados en el análisis de imágenes. Las distribuciones del tamaño se basan en el ancho (curva roja), la longitud (curva azul) o el diámetro del área equivalente (curva verde).}

^{Fig. 3 Selección de los parámetros de forma básicos utilizados en el análisis de imágenes.}

Ejemplo 1: detección de aglomerados en la producción de microgránulos

La producción de microgránulos farmacéuticos suele hacerse mediante granulación, recubrimiento o extrusión con esferización posterior. El resultado deseado es una distribución granulométrica estrecha y homogénea de partículas redondas. En los procesos de granulación y recubrimiento, la formación de aglomerados es un efecto secundario no deseado. Los aglomerados pueden afectar negativamente a las propiedades del producto, provocando, por ejemplo, cambios en la solubilidad o la velocidad de liberación de los principios activos. Por lo tanto, la cantidad de aglomerados suele controlarse de manera estricta en cada lote de producto. El CAMSIZER detecta porcentajes mínimos de aglomerados hasta un 0,05 %. Ni la difracción láser ni el análisis por tamizado son métodos adecuados para detectar con fiabilidad porcentajes tan bajos. Debido al propio principio de medición, los analizadores láser de partículas requieren una concentración mínima del 2 % para detectar aglomerados o partículas de pequeño tamaño, como las fracciones de polvo. Simplemente, el software ignora esos valores inferiores. La forma de las partículas también es un factor importante en este contexto. Las partículas alargadas, por ejemplo, no se pueden detectar ni con la difracción láser ni con el análisis por tamizado.

^{Fig. 4 Detección fiable de aglomerados de gran tamaño con el CAMSIZER P4: se añadió aproximadamente 0,21 g de aglomerados varias veces, equivalentes a unas 10 partículas, a una muestra de 21 g para obtener mezclas en un rango del 1 % al 11 %. El porcentaje de partículas de gran tamaño a 0,7 mm coincide exactamente con los porcentajes calculados de la mezcla.}

Ejemplo 2: medición del espesor del recubrimiento

Las distintas etapas de recubrimiento en la producción de microgránulos requieren un análisis preciso del espesor de las capas aplicadas. La dosis total de la capa del fármaco se define por su espesor; el espesor de otras capas funcionales puede controlar la velocidad de liberación del fármaco y el proceso de disolución. La liberación del fármaco es inversamente proporcional al espesor de las capas de la membrana polimérica y al área superficial de las partículas. Con el análisis dinámico de imágenes es posible determinar de manera fiable las variaciones en el espesor del recubrimiento inferiores a 1 micra. El método combina alta resolución y excelentes estadísticas, ya que se analizan un gran número de partículas en muy poco tiempo. Sin embargo, el análisis por tamizado ofrece una resolución baja, ya que suele haber muy pocos tamaños de tamiz disponibles que se ajusten al tamaño de rango estrecho de los gránulos con recubrimiento. Las tecnologías convencionales con microscopios, como el SEM o la microscopía de luz estática, ofrecen una resolución excelente, pero solamente para muy pocas partículas^{[2] [3] [4]}.

^{Fig. 5. Distribuciones granulométricas después de las diferentes etapas del proceso de recubrimiento, desde los pequeños sustratos iniciales de los microgránulos hasta el producto final tras recubrirse con el polímero. La detección de los cambios ínfimos en el diámetro medio de partícula permite medir con precisión el espesor del recubrimiento. La amplitud de las distribuciones del tamaño sirve para caracterizar la homogeneidad del proceso de recubrimiento.}

Ejemplo 3: mezcla para prensado de comprimidos

En el prensado de comprimidos, el objetivo suele ser generar un producto con baja friabilidad y alta resistencia a la tracción^[5]. Con el análisis de la distribución del tamaño es posible predecir la idoneidad de una mezcla para prensado de comprimidos. Los productos de partida suelen ser granulados con una distribución de tamaño amplia y una forma de partícula irregular. Ambas propiedades favorecen la compactabilidad e influyen en las propiedades mecánicas de la mezcla. Por ese motivo, el análisis dinámico de imágenes, además del tamaño de las partículas, aporta información de valor para caracterizar un material a granel y relacionarlo con sus propiedades mecánicas. Tenga en cuenta que, en el siguiente ejemplo, el resultado del DIA coincide en gran medida con el análisis por tamizado. Por lo tanto, es posible (y recomendable) sustituir el método de tamizado impreciso, lento y de baja resolución por una técnica más rápida, precisa y mucho más automatizada. Esta mezcla presenta una distribución de tamaño de 10 μm a 1,5 mm y el analizador CAMSIZER X2 DIA puede determinar la distribución completa sin necesidad de cambiar de equipo. El examen posterior de las partículas individuales proporciona una relación completa del material en cuestión.

^{Fig. 6 Distribución del tamaño de una mezcla para prensado de comprimidos. El análisis con el CAMSIZER X2 (curva roja) y el análisis por tamizado (curva negra*) generan resultados comparables. Algunas imágenes del ejemplo de la derecha muestran que la forma de las partículas es irregular.}

Ejemplo 4: análisis del tamaño y la forma del almidón

El almidón es un excipiente habitual en aplicaciones farmacéuticas. Procede de diversas fuentes vegetales y se presenta en varios rangos de tamaño. En el ejemplo se indican los resultados de dos muestras de almidón diferentes. La distribución es ligeramente distinta, pero el valor de la mediana (d50) es casi idéntico. Atendiendo a la forma de las partículas, es evidente que la muestra 1 está formado por granos redondos y compactos, mientras que la muestra 2 contiene una cantidad significativa de fibras.

^{Fig. 7 Distribución del tamaño de dos muestras de almidón con el CAMSIZER X2. Ambas distribuciones tienen la misma mediana de 41 μm.}

^{Fig. 8. Análisis de la forma de las partículas con el CAMSIZER X2 de las dos muestras de almidón con diferencias significativas.}

Una técnica habitual para analizar partículas es la difracción láser. Este método es rápido, fiable y adecuado para realizar análisis rutinarios. Sin embargo, el mayor inconveniente es que no tiene en cuenta la geometría real de las partículas, sino que relaciona cada señal de medición con el diámetro de una esfera equivalente. Y, por tanto, ignora totalmente la forma de las partículas. Otro inconveniente es que la difracción láser evalúa un patrón de dispersión generado simultáneamente por un conjunto de partículas. Se pierden pequeñas cantidades de partículas de gran tamaño y poco tamaño a causa de la baja sensibilidad del método. En la Fig. 9 se muestra que el resultado del análisis por difracción láser se correlaciona con el área «x» de definición de tamaño del análisis por imagen digital.

Ejemplo 5: principios activos (PA) que no se pueden tamizar

El análisis granulométrico de PA micronizados puede ser una pesadilla para cualquier técnico de laboratorio, ya que estos polvos presentan propiedades desfavorables: el material puede ser pegajoso, cohesivo, estar cargado o ser muy aglomerado. Todo ello hace prácticamente imposible realizar un tamizado eficaz. Además, la resolución y la precisión por debajo de los 100 μm son limitadas. El tamizado vibratorio convencional no puede emplearse en este caso y aunque el tamizado por chorro de aire resulta adecuado, solo proporciona fracciones de tamiz. Los analizadores DIA como el CAMSIZER X2 cuentan con sistemas de dispersión eficientes para manipular muestras problemáticas.

^{Fig. 10 Opciones de dispersión del CAMSIZER X2. Arriba: módulo X-Jet para dispersión en seco en un flujo de aire. La presión de dispersión se puede ajustar de 20 kPa a 460 kPa. Abajo: dispersión líquida con el módulo X-Flow. La unidad admite agua, alcohol, disolventes orgánicos no polares y aceite vegetal.}

El polvo se suspende en el líquido que corresponda (agua, alcohol, disolvente orgánico no polar o aceite vegetal) o las partículas se separan con un flujo de aire generado por una boquilla Venturi. La presión de la dispersión se puede ajustar para conseguir una separación eficiente de las partículas, sin ningún efecto de molienda indeseado.

^{Fig. 11. PA aglomerado en un tamiz de 63 μm al cabo de 2 minutos de tamizado por chorro de aire (foto). Debido a su naturaleza cohesiva, la muestra no se puede tamizar. Con la dispersión por chorro de aire del CAMSIZER X2 se consigue lograr la separación de partículas. Cuanto mayor es la presión, más fino será el resultado. La dispersión perfecta se establece a 200 kPa. El CAMSIZER X2 genera resultados a 30 kPa (curva naranja), 80 kPa (curva roja), 150 kPa (curva azul), 200 kPa (curva marrón) y 300 kPa (curva verde).}

Una técnica habitual para analizar partículas es la difracción láser. Este método es rápido, fiable y adecuado para realizar análisis rutinarios. Sin embargo, el mayor inconveniente es que no tiene en cuenta la geometría real de las partículas, sino que relaciona cada señal de medición con el diámetro de una esfera equivalente. Y, por tanto, ignora totalmente la forma de las partículas. Otro inconveniente es que la difracción láser evalúa un patrón de dispersión generado simultáneamente por un conjunto de partículas. Se pierden pequeñas cantidades de partículas de gran tamaño y poco tamaño a causa de la baja sensibilidad del método. En la Fig. 9 se muestra que el resultado del análisis por difracción láser se correlaciona con el área «x» de definición de tamaño del análisis por imagen digital.

Conclusión

Los analizadores DIA modernos, como el CAMSIZER P4 o el CAMSIZER X2, no solo pueden sustituir a las técnicas convencionales de granulometría como es el análisis por tamizado o la difracción láser, sino que también proporcionan una gran cantidad de información extra de la que carecen otros métodos. Si se selecciona la definición correcta del tamaño, los resultados son prácticamente idénticos y las especificaciones del producto permanecen inalteradas. Los usuarios del DIA se benefician de la máxima reproducibilidad, una mejor precisión y sensibilidad, así como de un tiempo reducido de análisis e información adicional sobre la forma.

Referencias:

Cornelia Krüger, Markus Thommes, Peter Kleinebudde, «Spheronization mechanism of MCC II-based pellets», Powder Technology, 238:176-187, abril de 2013
Grant Heinicke y Joseph B. Schwartz, «Particle Size Distribution of Inert Spheres and Pelletized Pharmaceutical Products by Image», Pharmaceutical Development and Technology Vol. 9, n.º 4, págs. 359-367, 2004
Grant Heinicke, Frank Matthews, Joseph B. Schwartz, «The Effects of Substrate Size, Surface Area, and Density on Coat Thickness of Multi-Particulate Dosage Forms», Pharmaceutical Development and Technology, 1:85-96, 2005
Grant Heinicke, Joseph B. Schwartz, «Assessment of Dynamic Image Analysis as a Surrogate Dissolution Test for a Coated Multiparticulate Product», Pharmaceutical Development and Technology, 11:403-408, 2006
Carl Moritz Wagner, Miriam Pein, Jörg Breitkreutz, «Roll compaction of mannitol: Compactability study of crystalline and spray-dried grades», International Journal of Pharmaceutics, 453(2), junio de 2013