Quantitative measurements of shrinkage and cracking during freeze-drying of amorphous cakes

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-07-22
Issue Year
2014
Authors
Ullrich, Sabine
Editor
Abstract

In this thesis the influence of the formulation or the process on shrinkage and cracking was studied. Methods were developed to quantify the amount of both at the end of the lyophilization process (“endpoint evaluation method”) as well as in situ during drying (”kinetic method”). The endpoint evaluation method was used to investigate an apparent correlation between the content of non-frozen water in the maximum freeze-concentrated state, w ′ , of an amorphous cake and shrinkage. Model disaccharides were D-(+)-trehalose dihydrate, D-(+)- maltose and D-(+)-sucrose having different amounts of w ′ . The results obtained confirm the assumption of a causal correlation between shrinkage and w ′. No influence on cracking was observed. A direct correlation between the value of w ′ and the amount of shrinkage which was also suggested could not be shown. The extents of shrinkage and cracking at different trehalose concentrations were investigated. A concentration dependency was found. With increasing trehalose concentration the amount of cracking increases and the amount of shrinkage decreases. This concentration dependency was found with all shelf-frozen lyophilizates, also with the kinetic method. Measurements with a texture analyzer show decreasing brittleness and increasing hardness of the lyophilizate with increase trehalose concentration. SEM-pictures and the results of mercury porosimetry gave increasing cell sizes (pore sizes) with increasing trehalose concentration. More cracking is developed at higher trehalose concentrations because the tensile fracture toughness decreases with increasing cell sizes. The surface tension and wetting results obtained based on Young’s equation indicate a positive adsorption of trehalose to the surface of the glass, despite its negative Γ at the water/air interface. An adhesive effect of the trehalose cake produced during primary drying to the inner vial wall is therefore possible. If this adhesion is high, then shrinkage of the lyophilizate mass to relax drying tensions in the cake will be hindered and lead to cracking. The extents of shrinkage and cracking determine each other. Increasing shrinkage releases drying tensions and as a result the amount of cracking is reduced. The tensile fracture toughness is then not exceeded. This is shown with the endpoint evaluation method developed in this work. It was used with different disaccharides, varying trehalose concentration, change in vial diameter and the use of Toplyo vials. Additionally the effects of slow cooling rate, as well as by the usage of a two step freezing step in combination with annealing were examined. A kinetic method was also developed to illustrate quantitatively the development of shrinkage and cracking during freeze-drying. The first occurrence of shrinkage was after 20% of primary drying, at that time point when the primary drying shelf temperature was reached. The highest extent of shrinkage and cracking was developed after the completion of sublimation. The development of shrinkage and cracking was then pronounced during the first half of secondary drying, where the rise in product temperature takes place. The extent of shrinkage is predominantly determined by processes of secondary drying, as has been suggested before. The current work gives the first quantitative evidence. The results obtained by the kinetic method show that if shrinkage is possible, then this is the dominant mechanism to relax drying tensions. Cracking then predominantly occurs in the phase after the completion of local sublimation when local the product temperature rises during primary drying and drying tensions are high. Inadequate relaxation of drying tensions by shrinkage is the cause, resulting in exceeding of the tensile fracture toughness and fracture of the lyophilizate. If complete detachment of the cake from the vial wall takes place, then relaxation of the drying tensions by cracking does not occur. With a higher adhesion of the product to the inside wall of the vial (for instance at 30% trehalose w/v), cracking is the dominant mechanism to release drying tensions. After completion of local sublimation, when the product temperature rises during primary drying, partial shrinkage is possible. Detachment of the cake from the inside wall of the vial proceeds from initial loci that then proceed. Initiated cracking may also be transferred to subjacent regions. The images showed that during secondary drying only crack expansion takes place. The crack patterns indicate that this expansion is caused by shrinkage of island cake regions. Based on µ -CT (3D analysis) slightly lower values are found for cracking compared with the endpoint evaluation method (2D analysis). These differences result from the usage of background light that visually enlarged the cracks and blurred the crack edges by cracks located in deeper product layers. The curvature of the cake is furthermore not considered at the endpoint evaluation method, which also causes enlargement of the cracks. Both methods, however, led to similar results and a 2D-analysis of cracking at the endpoint of lyophilization seems therefore to be sufficient. It could be confirmed by the 3D analysis that the usage of Toplyo vials of the inclusion of a two step freezing with additional annealing leads to a strong reduction in cracking. These methods should therefore be used for an optimization of cake appearance. Further work should be done in particular regarding a quantification of drying tensions within the cake. A resistance strain gauge would have to be wetted by the freeze-drying formulation and the frozen or dried cake must adhere to it. The use of a special coated strain gauge, which enables evaluation of drying tensions could be one approach. For correct embedding it should be considered that the drying tensions mainly occur in the direction of the diameter of the sample based on whether shrinkage occurs or the cake adheres to the inside wall of the vial. Another idea could be to spray a fine grid with ice color on the top surface of the cake at the end of freezing to measure the strain quantitatively in analogy with the “Optical Full-Field Strain Measurement” well known in the field of mechanics. With this method a quantitative measurement of shrinkage with regard to the height of the sample would also be possible.

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von verschiedenen Formulierungen und Prozesseigenschaften auf den Rissanteil einer amorphen Lyophilisatmatrix ( ” Cracking“) oder deren Schrumpfen ( ” Shrinkage “) untersucht. Es wurden Quantifizierungsmethoden einerseits in situ während der Trocknung ( ” Kinetik-Methode “), und andererseits im Endprodukt ( ” Endprodukt-Methode “) entwickelt. Die Endprodukt-Methode fand Verwendung für die Untersuchung einer postulierten Korrelation zwischen dem Anteil an unausfrierbarem Wasser eines amorphen Lyophilisates, der am Glasübergang vorliegt ( ” unfrozen water “, w ′ ), und dem Ausmaß an Shrinkage. Als Modelldisaccharide wurden D-(+)-Maltose und D-(+)-Saccharose neben D-(+)-Trehalose-Dihydrat verwendet, welche unterschiedliche Anteile an w ′ enthalten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Anteil an w ′ auch das Ausmaß an Shrinkage zunimmt. Bezüglich Cracking ist kein erkennbarer Einfluss beobachtbar. Eine Korrelation zwischen den absoluten Werten des Schrumpfens und dem Anteil an w ′ , die ebenso vorgeschlagen wurde, konnte nicht gezeigt werden. Außerdem wurden der Rissanteil und der geschrumpfte Anteil in Lyophilisaten verschiedener Trehalose-Konzentrationen untersucht. Eine Konzentrationsabhängigkeit konnte nachgewiesen werden, bei der mit zunehmender Trehalose-Konzentration ein größerer Rissanteil und ein geringeres Schrumpfen der Lyophilisatmasse auftrat. Diese Konzentrationsabhängigkeit zeigt sich bei allen Gefriertrocknungskuchen, die mittels Stellflächen im Gefriertrockner eingefroren werden (auch unter der Verwendung der Kinetik-Methode). Messungen mit einem Texturprüfgerät zeigten, dass die Sprödigkeit des Lyophilisates mit steigender Konzentration abnimmt und die Härte zunimmt. Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop und Messungen mittels Quecksilber-Porosimetrie ergaben, dass mit steigender Trehalose-Konzentration die Zellgröße (Porengröße) wächst. Bei Lyophilisaten höherer Trehalose-Konzentrationen kommt es unter geringeren Trocknungsspannungen zu Rissen, da die Zugzähigkeit eines Lyophilisates mit steigender Porengröße sinkt. Des Weiteren wurde der Einfluss der Oberflächenchemie des Vials auf das Schrumpfen der Kuchenmatrix und deren Rissanteil erforscht. Die Ergebnisse lassen anhand der Young’schen Gleichung vermuten, dass Trehalose positiv an der Glasoberfläche adsorbiert wird, obwohl Trehalose einen negativen Oberflächenexzess an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft besitzt. Daraus lässt sich eine mögliche Adhäsion des Trehalose-Lyophilisates an der Vial-Innenwand während der Trocknung annehmen. Ist diese Adhäsionkraft stark, wird das Schrumpfen der Lyophilisatmasse während des Trocknens beeinträchtigt und es kommt zu einer Rissbildung. Das Ausmaß an Shrinkage und Cracking beeinflussen sich gegenseitig. Bei einem vermehrten Auftreten von Shrinkage werden Spannungen abgebaut und es tritt weniger Cracking auf. Die Zugzähigkeit des Lyophilisatzes wird dann nicht überschritten. Dieser Zusammenhang wurde bei der Endprodukt-Methode gezeigt, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Mit dieser Methode wurden verschiedene Disaccharide, Trehalose-Lösungen verschiedener Konzentrationen, Veränderungen des Vialdurchmessers und Toplyo-Vials untersucht. Außerdem wurden der Einfluß einer geringeren Kühlrate während des Einfrierens und die Verwendung eines zweistufigen Einfrierschritts mit zusätzlichem Annealing ermittelt. Es konnte eine Kinetik-Methode entwickelt werden, um die Entwicklung des Schrumpfens der Kuchenmatrix und der Rissbildung während der Gefriertrocknung quantitativ zu verfolgen. Ein Schrumpfen der Kuchenmatrix tritt zuerst nach 20% der Primärtrocknungszeit auf, an dem Zeitpunkt, an dem die Stellfläche die Primärtrocknungstemperatur erreicht hat. Der größte Anteil an Shrinkage und Cracking während der Primärtrocknung entsteht nach Abschluss der Sublimation. In der ersten Hälfte der Sekundärtrocknung, in der die Temperaturanhebung stattfindet, wird der größte Anteil an Kuchenveränderungen in dieser Phase gebildet. Vorwiegend bestimmen Sekundärtrocknungsvorgänge das Ausmaß an Shrinkage. Dies wurde bereits vorgeschlagen. Die vorliegende Arbeit gibt allerdings die ersten quantitativen Nachweise dafür. Es konnte gezeigt werden, dass, wenn ein Schrumpfen der Lyophilisatmatrix möglich ist, dies der dominante Mechanismus ist, um Spannungen innerhalb des Lyophilisates abzubauen. Eine Rissbildung tritt dann vorwiegend auf, wenn lokal die Sublimation abgeschlossen ist und dort die Produkttemperatur zunimmt. Ursache hierfür könnte sein, dass eine Relaxation der Trocknungsspannungen durch ein Schrumpfen der Lyophilisatmatrix in dieser Phase nicht ausreicht und die Zugzähigkeit des Kuchens überschritten wird. Als Folge kommt es zum Reißen der Produktmatrix. Hat zu diesem Zeitpunkt bereits eine komplette Ablösung des Kuchens von der Vialinnenwand stattgefunden, dann ist eine Relaxation der Trocknungsspannungen durch Rissbildung nicht möglich. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass erst bei stärkerer Adhäsion des Kuchens an der Vialinnenwand (30% Trehalose w/v) die Rissbildung der dominante Mechanismus ist, um Spannungen abzubauen. Ein partielles Schrumpfen der Lyophilisatmasse ist ebenfalls dann möglich, wenn lokal die Sublimation abgeschlossen ist und die Produkttemperatur während der Primärtrocknung ansteigt. Die Ablösung des Kuchens von der Vialinnenwand geht von Startpunkten aus und breitet sich von diesen weiter nach rechts und links aus. Begonnenes Risswachstum wird ebenso auf angrenzende Regionen übertragen. Die Bildaufnahmen der Lyophilisate während der Trocknung zeigen, dass es während der Sekundärtrocknung nur zu einer Rissausweitung kommt. Das Rissmuster lässt allerdings vermuten, dass dieser Vorgang an Stellen, an denen Kuchenstücke kontaktlos vorliegen, einem Schrumpfen der Kuchenmatrix zuzuordnen ist. Bei einer Micro-CT Analyse (3D-Analyse) der Lyophilisate wurden etwas niedrigere Werte für den Rissanteil gefunden als bei der 2D-Analyse (Endprodukt-Methode). Dieser Unterschied kommt von der Verwendung von Gegenlicht, welches die Risse optisch vergrößert und Rissränder aufgrund von tiefer liegenden Rissen undeutlich macht. Bei der 2D-Analyse wurde außerdem die Krümmung der Oberfläche des Kuchens nicht berücksichtigt, die ebenfalls zu einer Vergrößerung der Risse führt. Dennoch liefern beide Methoden vergleichbare Ergebnisse und eine 2D-Quantifizierung des Rissanteils scheint im Endprodukt ausreichend zu sein. Mit Hilfe der 3D-Analyse kann bestätigt werden, dass die Verwendung von Toplyo-Vials bzw. eines zweistufigen Einfrierschritts mit integriertem Annealing zu einer starken Reduktion des Rissanteils führt. Zu Optimierung des Produktäußeren sind daher beide Methoden heranzuziehen. Zukünftige Untersuchungen sollten eine Quantifizierung der Trocknungsspannungen ermöglichen. Ein Dehnungsmesstreifen müsste von der flüssigen Formulierung ausreichend benetzt werden, und der gefrorene Kuchen bzw. das Lyophilisat müsste an diesem haften. Ein möglicher Lösungsansatz könnte die Verwendung von speziell beschichteten Dehnungsmessstreifen sein. Für eine korrekte Einbettung des Dehnungsmessstreifens sollte allerdings beachtet werden, dass die Trocknungsspannungen vorwiegend in y-Richtung der Probe auftreten, basierend auf einem Schrumpfen oder einem Anhaften des Lyophilisates an der Vialinnenwand. Ein anderer Ansatz wäre das Aufsprühen eines feinen Netzes auf die Oberfläche des Lyophilisates nach Abschluß des Einfriervorgangs mit Eisfarbe. Damit könnte die Deformation des Kuchens quantitativ in Analogie zur Optischen Dehnungsmessung der technischen Mechanik bestimmt werden. Eine quantitative Messung der Höhenänderung des Lyophilisates wäre so ebenfalls möglich.

DOI
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