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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA EVALUACIÓN DE EXCIPIENTES (AVICEL DE HUMEDAD NORMAL: PH 101, PH 102, PH 200) EMPLEADOS COMO AGENTES DE COMPRESIÓN DIRECTA T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE QUÍMICA FARMACÉUTICA BIÓLOGA PRESENTA JANINA MARTÍNEZ BARRAGÁN MÉXICO, D. F. 2007 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Jurado asignado: Presidente Profa. Ma. Del Socorro Alpízar Ramos Vocal Prof. Francisco García Olivares Secretario Profa. Blanca Estela Rivero Cruz 1er Suplente Prof. Raúl Lugo Villegas 2do Suplente Prof. Efrén Hernández Baltazar Sitio en donde se desarrolló el tema: Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Tecnología Farmacéutica. Planta baja del Edificio “A”. Av. Universidad 3000 Col. Copilco-Universidad C.P. 04510 Del. Coyoacán, D.F. Tel: 56223733 Asesor del tema Ma. Del Socorro Alpízar Ramos Supervisor Técnico Efrén Hernández Baltazar Sustentante Janina Martínez Barragán ii “He entendido que todo lo que Dios hace será perpetuo; sobre aquello no se añadirá, ni de ello se disminuirá; y lo hace Dios, para que delante de él teman los hombres”. Eclesiastés 3:14 “Y si tuviese profecía, y entendiese todos los misterios y toda la ciencia, y si tuviese toda la fe, de tal manera que trasladase los montes, y no tengo amor, nada soy”. 1ª Corintios 13:2 iii A Andy y Boby, por amarme incondicionalmente. A M. en F. Ma. del Socorro Alpízar Ramos por compartir su experiencia de vida conmigo, y hacer del laboratorio de Tecnología Farmacéutica un segundo hogar para mí. iv A Dr. Efrén Hernández Baltazar y M. en C. Enrique Amador González por sus innumerables consejos y por su valiosa amistad. A la Facultad de Química y a la Universidad Nacional de México por equiparme con las herramientas necesarias para ser una Q.F.B. de excelencia. v ÍNDICE I. OBJETIVOS……………………………………………………………………….. 1 1.1 Objetivo general…………………………………………………………………… 2 1.2 Objetivos particulares…………………………………………………………….. 2 II. HIPÓTESIS………………………………………………………………………… 3 III. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………............. 5 IV. GENERALIDADES………………………………………………………………... 8 4.1 Tabletas…………………………………………………………………………….. 9 4.1.1 Clasificación de las tabletas……………………………………………………… 10 4.1.2 Atributos de calidad de las tabletas……………………………………………… 11 4.1.3 Formulación de las tabletas………………………………………………………. 12 4.1.4 Fabricación de las tabletas……………………………………………………….. 15 4.1.4.1 Compresión directa………………………………………………………………... 16 4.1.4.2 Equipo………………………………………………………………………………. 18 4.1.4.3 Prensa hidráulica…………………………………………………………………... 19 4.1.4.4 Fases de la compactación………………………………………………………... 20 4.1.5 Correlación de características de las tabletas con propiedades físicas del polvo o granulado…………………................................................................... 22 4.1.6 Perfiles de presión – volumen aplicado de los comprimidos…………............ 23 4.1.6.1 Ecuación de Heckel……………………………………………………………….. 24 4.1.6.2 Ecuación de Kawakita…………………………………………………………….. 27 4.1.7 Pruebas farmacopeicas a tabletas………………………………………………. 29 4.1.8 Biodisponibilidad de formas farmacéuticas sólidas……….............................. 31 4.1.8.1 Administración oral………………………………………………………………… 31 4.1.8.2 Biodisponibilidad…………………………………………………………………… 31 4.1.8.3 Formas farmacéuticas sólidas……………………………………………………. 32 4.1.8.4 Clasificación de los distintos tipos de desintegración…………………………. 34 4.1.8.5 Factores tecnológicos que influyen en la biodisponibilidad…………………... 36 4.2 Celulosa microcristalina…………………………………………………………… 41 4.2.1 Método de preparación…………………………………………………............... 41 4.2.2 Celulosa microcristalina. Excipiente de compresión directa………………...... 42 4.2.3 Celulosa microcristalina. Desintegración……………………………………….. 44 4.2.4 Celulosa microcristalina. Monografía……………………………………………. 44 4.2.4.1 Celulosa microcristalina. Avicel® PH 101……………………………………….. 50 4.2.4.2 Celulosa microcristalina Avicel® PH 102………………………………………... 51 4.2.4.3 Celulosa microcristalina Avicel® PH 200………………………………………... 52 V. DESARROLLO EXPERIMENTAL………………………………………………. 53 5.1 Metodología………………………………………………………………………… 54 5.2 Materiales…………………………………………………………………………... 62 vi 5.2.1 Avicel PH 101 (celulosa microcristalina)………………………………………… 62 5.2.2 Avicel PH 102 (celulosa microcristalina)………………………………………… 62 5.2.3 Avicel PH 200 (celulosa microcristalina)………………………………………… 62 5.2.4 Talco………………………………………………………………………………… 62 5.2.5 Estearato de magnesio……………………………………………………………. 63 5.3 Equipos……………………………………………………………………………... 63 5.3.1 Balanza Mettler Toledo……………………………………………………………. 63 5.3.2 Desintegrador Equipar…………………………………………………………….. 63 5.3.3 Determinador de densidad compactada………………………………………… 64 5.3.4 Durómetro Schleuniger……………………………………………………………. 64 5.3.5 Flujómetro…………………………………………………………………………... 64 5.3.6 Flujómetro Flodex………………………………………………………………….. 65 5.3.7 Goniómetro…………………………………………………………………………. 65 5.3.8 Prensa Hidráulica Perkin Elmer………………………………………………….. 65 5.3.9 Vernier………………………………………………………………………………. 66 5.3.10 Juego de tamices RO-TAP……………………………………………………….. 66 VI. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………... 67 6.1 Resultados reológicos…………………………………………………………….. 68 6.1.1 Distribución de tamaño de partícula……………………………………………... 68 6.1.2 Ángulo de reposo……………………………………………………………......... 71 6.1.3 Densidad Aparente (δapa), Densidad Compactada (δcomp), Índice de compresibilidad (%C), Porosidad y Densidad Verdadera (δv)………………... 72 6.1.4 Velocidad de flujo…………………………………………………………………. 75 6.1.4.1 Velocidad de flujo intrínseca……………………………………………………… 75 6.1.4.2 Velocidad de flujo dinámica………………………………………………………. 76 6.2 Resultados de las tabletas obtenidas en el proceso de compresión……….... 77 6.3 Resultados aplicando los modelos matemáticos………………………………. 82 6.3.1 Modelo empírico…………………………………………………………………… 82 6.3.2 Porosidad…………………………………………………………………………… 84 6.3.3 Modelo de Shapiro………………………………………………………………… 85 6.3.4 Modelo de Heckel………………………………………………………………….. 87 6.3.5 Modelo de Walter……………………………………………………………......... 89 6.3.6 Modelo de Kawakita – Presión…………………………………………………… 91 6.3.7 Modelo de Kawakita – Asentamientos………………………………………… 93 VII. CONCLUSIONES…………………………………………………………………. 96 VIII BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………. 99 IX. ANEXOS……………………………………………………………………………. 103 Anexo 9.0…………………………………………………………………………… 104 Anexo 9.1…………………………………………………………………………… 107 Anexo 9.2…………………………………………………………………………… 118 Anexo 9.3…………………………………………………………………………… 128 vii CAPÍTULO I OBJETIVOS CAPÍTULO I. OBJETIVOS 1.1 Objetivo general • Evaluar el comportamiento de compresión y compactación de excipientes derivados de la celulosa utilizados como agentes para compresión directa, mediante el uso de modelos matemáticosde Heckel, Kawakita, Shapiro, y Walker. 1.2 Objetivos particulares • Determinar el perfil reológico de los siguientes excipientes: Avicel PH 101, PH 102 y PH 200. • Evaluar el efecto de la presión en la reducción de volumen de diferentes celulosas microcristalinas. • Analizar el comportamiento que presentan los excipientes en estudio en la formación de comprimidos por compresión directa, mediante el empleo de los modelos matemáticos de Heckel, Kawakita, Shapiro y Walker. • Evaluar las características finales del comprimido (masa, resistencia a la ruptura, espesor y tiempo de desintegración). 2 CAPÍTULO II HIPÓTESIS CAPÍTULO II. HIPÓTESIS 2.1 Hipótesis La disminución en la porosidad del material es directamente proporcional a la fuerza de compresión, dependiendo del comportamiento de cada excipiente al ser sometido a diferentes fuerzas de compactación. 4 CAPÍTULO III INTRODUCCIÓN CAPÍTULO III. INTRODUCCIÓN Las tabletas, también denominadas comprimidos, son formas farmacéuticas sólidas que contienen principios activos o fármacos y excipientes. Dichas formas farmacéuticas se preparan por métodos de moldeo o por compresión. Cabe destacar que el uso de tabletas ha sido ampliamente difundido debido a las ventajas que ofrecen tanto al fabricante como al paciente, siendo hoy en día la forma farmacéutica dominante. Los excipientes que se incluyen en las formulaciones facilitan el manejo, mejoran el aspecto físico, brindan estabilidad al fármaco y facilitan la liberación del mismo, ya que influyen en la biodisponibilidad de los principios activos. En este marco de referencia, la celulosa microcristalina es utilizada generalmente como excipiente (diluyente, adsorbente, desintegrante) en las formulaciones de tabletas fabricadas por compresión directa. La celulosa microcristalina es un polvo de origen natural con una amplia variedad de aplicaciones alimentarias, agrícolas, farmacéuticas e industriales. La celulosa micricristalina permite obtener tabletas con buena dureza (a pesar de utilizar una baja fuerza de compresión) y con poca friabilidad. La compresión directa método consiste en compactar el material en polvo de manera directa y sin modificar su naturaleza física. Por otra parte, los polvos son sólidos heterogéneos, constituidos por partículas individuales que difieren en tamaño y forma, dispersos con espacios de aire. La compactación de polvos describe la situación en la cual estos materiales son sometidos a cierto nivel de fuerza mecánica. La compactación involucra la compresión y consolidación de un sistema de dos fases (sólido-gas). El término compresión se refiere a la reducción del volumen en el seno del material como resultado del desplazamiento de la fase gaseosa. La consolidación comprende un 6 CAPÍTULO III. INTRODUCCIÓN incremento en la fuerza mecánica del material el cual resulta de interacciones partícula- partícula. Con base en lo antes expuesto, el objetivo de este trabajo es realizar la caracterización física de los siguientes agentes de compresión Avicel PH 101, PH 102 y PH 200. Asimismo se fabricarán tabletas por compresión directa, utilizando diferentes presiones, con la finalidad de analizar el comportamiento de cada material a la luz de diversos modelos matemáticos. 7 CAPÍTULO IV GENERALIDADES CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.1 Tabletas17, 8 Los comprimidos o tabletas son preparaciones sólidas que contienen una dosis por unidad, de uno o más fármacos adicionados, o no, de aditivos y que se obtienen por compresión uniforme de las partículas o moldeo. Desde fines del siglo XIX su uso ha sido ampliamente difundido y su popularidad continúa. El término comprimido se cree que fue utilizado por primera vez por John Wyeth y Brother’s de Filadelfia. Entre las ventajas que ofrecen al fabricante se encuentran: - la simplicidad y la economía de la preparación. - la estabilidad y la conveniencia para envasar, distribuir y dispensar. Los comprimidos, como forma posológica sólida presentan muy bajo contenido acuoso y, debido a que ofrecen la posibilidad de separar materiales reactivos entre sí, constituyen la forma farmacéutica de menos incompatibilidades; o La estabilidad de las tabletas es superior a la de las formas líquidas, por lo que las fechas de vencimiento para el caso de fármacos perecederos serán más lejanas Asimismo, las ventajas que ofrecen al paciente son las siguientes: - Exactitud en la dosis. - Facilidad de transporte - Sabor suave. Diversos fármacos y excipientes poseen características peculiares y a veces desagradables a los sentidos. En los comprimidos es fácil enmascarar su olor o sabor y atenuar o anular su color mediante el empleo de diversas técnicas que en general incluyen técnicas de recubrimiento o de microencapsulación, compresión en multicapa, incluso por medio de sabores, esencias y colores pueden hacerse atractivos al consumidor. - Facilidad de administración debido a su forma, carácter compacto y tamaño reducido. Dentro de la gran diversidad de formas, el empleo de recursos 9 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES adicionales como marcas, letras, palabras, números, colores o combinaciones de éstas, permiten identificar la naturaleza y categoría del fármaco presentado. En contraste, las desventajas que presentan las tabletas son: - Los lactantes y pacientes en estado de coma no los pueden ingerir aunque queda como recurso el diluirlos en líquidos, pudiendo afectar la exactitud posológica - Para poder ejercer su efecto terapéutico los comprimidos deben disgregarse en los fluidos orgánicos y liberar los fármacos para que entonces se produzca la transferencia al medio interno. Algunos principios activos pueden tener problemas de biodisponibilidad. 4.1.1 Clasificación de las tabletas4, 5 Las tabletas se pueden clasificar de acuerdo con el proceso de manufactura en comprimidas o moldeadas. Dentro de las tabletas comprimidas se encuentran: - Tabletas recubiertas por azúcar o polímeros - Tabletas para administración oral - Tabletas para disolverse - Tabletas efervescentes - Tabletas vaginales - Tabletas bucales o sublinguales Por otro lado, de acuerdo con las características de liberación del fármaco, los comprimidos pueden clasificarse en tres tipos: de liberación inmediata, de liberación sostenida y de liberación retardada. En el caso de los comprimidos de liberación inmediata, el fármaco está destinado a liberarse rápidamente después de la administración; el comprimido se disuelve y se administra en forma de solución. 10 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Por otra parte, en los comprimidos de liberación sostenida el fármaco se libera lentamente a una velocidad casi constante. Por último, en los comprimidos de liberación retardada, el fármaco se libera del comprimido algún tiempo después de la administración. Una vez transcurrido ese periodo de tiempo, la liberación es normalmente rápida. 4.1.2 Atributos de calidad de las tabletas5 Los comprimidos deben cumplir con varias especificaciones sobre sus propiedades químicas, físicas y biológicas. Los aspectos de calidad relacionados con el producto terminado deben tenerse en cuenta desde las primeras etapas del proceso de desarrollo. Las pruebas y especificaciones de algunas de estas propiedades se encuentrandescritas en las farmacopeas. Entre las más importantes se encuentran: el contenido de la dosis y la uniformidad de la misma; la liberación del fármaco en relación con la disgregación del comprimido y la disolución del fármaco. Otra propiedad importante es la resistencia del comprimido frente al desgaste y la rotura. Los atributos de calidad que debe cumplir el comprimido se pueden resumir como sigue: 1. El comprimido debe incluir la dosis correcta del fármaco. 2. El aspecto del comprimido debe ser elegante y su peso, tamaño y aspecto deben ser homogéneos. 3. El fármaco se debe liberar del comprimido de una forma controlada y reproducible. 4. El comprimido debe ser biocompatible, es decir, debe ser libre de excipientes, contaminantes y microorganismos que pudieran provocar daños a los pacientes. 5. El comprimido debe tener una resistencia mecánica suficiente para soportar la fractura y la erosión durante su manipulación. 11 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 6. El comprimido debe ser física, química y microbiológicamente estable durante el periodo de validez del producto. 7. El comprimido debe formularse en un producto que sea aceptable para el paciente. 8. El comprimido debe conservarse de forma segura. 4.1.3 Formulación de las tabletas4, 5, 8, 17 Además del componente activo o fármaco, las tabletas contienen una cantidad de materiales inertes conocidos como aditivos o excipientes. Los excipientes se incluyen en las formulaciones para facilitar el manejo y la liberación del fármaco, mejorar el aspecto físico y la estabilidad. Estos materiales pueden clasificarse en dos grupos de acuerdo con su papel en la tableta terminada. El primer grupo contiene aquellos materiales que contribuyen a impartir características de procesamiento y compresión satisfactorias a la formulación e incluyen: los diluyentes, los aglutinantes, los deslizantes y los lubricantes. El segundo grupo ayuda a brindar las características físicas deseadas a los comprimidos terminados. En este grupo están los desintegrantes y los colorantes; los agentes saborizantes y edulcorantes en el caso de los comprimidos masticables, y los polímeros o ceras (u otros materiales que retardan la disolución) en el caso de los comprimidos de liberación controlada. a) Diluyentes. Con frecuencia la dosis única del componente activo es pequeña y el diluyente se agrega para aumentar el volumen con el propósito de que el comprimido tenga un tamaño adecuado. Los diluyentes utilizados para este propósito son sulfato de calcio, lactosa, celulosa, manitol, cloruro de sodio, almidón de maíz y azúcar en polvo. Por lo general, éstos se eligen con base en la experiencia y el costo. En la formulación de nuevos agentes terapéuticos debe considerarse la compatibilidad de los diluyentes 12 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES con el fármaco. Si el principio activo es poco soluble, se recomienda utilizar diluyentes que sean solubles, para evitar posibles problemas de biodisponibilidad. Generalmente, la celulosa microcristalina (Avicel) es utilizada como diluyente en las fórmulas de compresión directa. Sin embargo, su presencia en concentraciones del 5 al 15% en las granulaciones húmedas ha demostrado ser de beneficio en los procesos de granulación y de secado, pues minimiza el endurecimiento de la cubierta y reduce el proceso de moteado en los comprimidos De esta forma se observa que muchos componentes son utilizados para diferentes propósitos, aún, dentro de la misma formulación. b) Aglutinantes. Los aglutinantes son materiales cohesivos capaces de ligar partículas de polvo para formar gránulos cohesivos con un contenido mínimo de finos, produciendo así tabletas con una buena dureza y baja friabilidad a bajas presiones de compresión. Entre algunos de los aglutinantes más utilizados se encuentran: gelatina en solución acuosa, almidones de maíz, papa y arroz, goma acacia y goma tragacanto. c) Desintegrantes. Estos excipientes sirven como auxiliares en la fragmentación de los comprimidos después de su administración. Lo ideal es que el comprimido se fragmente en partículas individuales del fármaco para obtener la mayor superficie posible durante la disolución. El proceso de disgregación de un comprimido se produce en dos pasos. En primer lugar, el líquido humedece el sólido y penetra en los poros del comprimido para después fragmentar el comprimido en trozos más pequeños. La fragmentación real del comprimido también puede ser escalonada, es decir, el comprimido se disgrega en agregados de partículas primarias que después se desagregan en sus partículas primarias de fármaco. La disgregación directa en partículas de polvo primarias establece las condiciones de la disolución más rápida posible del fármaco. 13 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Como ejemplos de desintegrantes se tienen: almidones de maíz y de papa, almidón glicolato de sodio, celulosas microcristalinas y carboximetilcelulosa sódica. d) Lubricantes. Los lubricantes reducen la fricción y facilitan el ciclo de expulsión durante la compresión, previniendo así la adherencia del material de los comprimidos a las matrices y los punzones. Los lubricantes se clasifican en tres grupos: - Deslizantes. Permiten el flujo gránulo – gránulo facilitando que el polvo fluya en la tolva de la matriz. - Lubricantes. Reducen la fricción metal – metal entre punzones – matriz y matriz – tableta. - Antiadherentes. Disminuyen la fricción metal – tableta evitando así que la tableta se adhiera a la matriz o a los punzones. Los lubricantes más empleados son: estearato de magnesio, ácido esteárico, talco, polietilenglicoles y benzoato de sodio. e) Adsorbentes. Su función es captar por adsorción componentes líquidos o humedad. El dióxido de silicio coloidal, la celulosa microcristalina y el fosfato de calcio tribásico son ejemplos de adsorbentes. f) Colorantes. Se utilizan con la finalidad de eliminar colores desagradables, para la identificación de productos y / o para mejorar la apariencia de las tabletas 14 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES g) Saborizantes y edulcorantes. Su uso no es limitado a tabletas masticables; son materiales que se pueden incorporar en la solución aglutinante, o en seco. Los más utilizados son la sacarina y el aspartame, y en algunos casos la sacarosa. h) Humidificantes. Se utilizan para evitar un secado excesivo del granulado. El almidón es un ejemplo de agente humidificante. 4.1.4 Fabricación de tabletas6 El desarrollo de las tabletas se relaciona con la necesidad de brindar al paciente preparados farmacéuticos sólidos, dosificados y con forma. Los polvos son sólidos heterogéneos que están constituidos por partículas individuales que tienen diferentes tamaños y formas, dispersos con espacios de aire. Los primeros comprimidos fueron preparados por el químico, escritor, artista y relojero inglés William Brockedon (1843) a partir de bicarbonato de potasio, introduciéndose así el procedimiento en la Tecnología Farmacéutica como patente de Brockedon (Patente Británica #9977 para moldeado de píldoras, comprimidos y grafito por presión en matrices). Se han comprimido en tiempos posteriores muchas otras sustancias según esta patente adicionando excipientes. En Alemania, la tableta fue introducida por primera vez en 1874 por el profesor Rosenthal. A partir de este momento el desarrollo en este campo progresó muy rápidamente. La producción se realiza principalmente a escala industrialcon máquinas de alto rendimiento. 15 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES De manera general, los comprimidos se preparan por tres métodos: granulación húmeda, granulación seca y compresión directa. 4.1.4.1 Compresión directa4, 17 Es necesario hacer la distinción entre los términos compresión y consolidación. La compresión se refiere a la reducción en el volumen del seno del material (polvo) como resultado del desplazamiento de la fase gaseosa. La consolidación se refiere a un incremento en la fuerza mecánica del material el cual resulta de interacciones partícula- partícula. Así, la compactación involucra la compresión y consolidación de un sistema de dos fases (sólido-gas) debido a la aplicación de una fuerza. Los polvos voluminosos cambian su estado de empaque durante la compactación, y las partículas individuales se fracturan o se deforman. Durante este proceso, la superficie de los polvos y el compacto cambia totalmente. La compresión directa consiste en compactar los comprimidos de manera directa a partir del material en polvo sin modificar su naturaleza física. Originalmente, el método de compresión directa para la elaboración de comprimidos se reservaba para un pequeño grupo de sustancias químicas cristalinas que tenían todas las características físicas necesarias para la formación de un buen comprimido (sales de potasio, cloruro de amonio) los cuales poseen propiedades cohesivas y de fluidificación que hacen posible la compresión directa. Es necesario que el material que se va a comprimir, ya sea en polvo o en la forma cristalina, posea determinadas características físicas. Dichas características son: capacidad de fluir libremente, cohesividad y lubricación. Debido a que la mayoría de los materiales no tienen esas propiedades o a lo sumo poseen una, se han desarrollado métodos de fabricación de comprimidos para impartir estas características deseables a los materiales que se van a comprimir. 16 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Un excipiente muy estudiado como vehículo para compresión directa es la celulosa microcristalina. Esta forma no fibrosa de la celulosa se obtiene a partir de su tratamiento con ácido y su lavado y secado por rociado, asimismo, está disponible en varias graduaciones que oscilan en un promedio de tamaño de partícula de 20 a 100 µm. Es insoluble en agua, aunque el material tiene la capacidad de fluir en el interior del comprimido por acción capilar. Se hincha por contacto y de este modo actúa como agente desintegrante. El material fluye bien y tiene ciertas cualidades autolubricantes, por lo que requiere niveles más bajos de lubricantes en comparación con otros excipientes. Entre las ventajas que presenta la compresión directa se encuentran: - elimina etapas de fabricación reduciendo costos, tiempo, equipo y personal. - se suprime el calor y la humedad aumentado la estabilidad física o química del fármaco. - desintegración y disolución adecuadas. - tamaño de partícula uniforme. Por otra parte, las desventajas que presenta de la compresión directa son: - materiales costosos y disponibilidad comercial reducida. - fármacos de dosis pequeñas presentan problemas con la uniformidad de contenido. - las características reológicas del fármaco son críticas. - por diferencia de densidad, puede ocurrir segregación. - no es posible modificar la liberación del principio activo para así obtener tabletas de liberación modificada. La compresión directa se ha usado principalmente para dos tipos de fármacos, aquellos fármacos relativamente solubles que se pueden procesar como partículas groseras (para garantizar un buen deslizamiento) y fármacos relativamente potentes que se encuentran sólo en algunos miligramos en cada comprimido y que se pueden mezclar con partículas de excipiente relativamente gruesas (en este último caso, las propiedades de 17 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES deslizamiento y compactación de la formulación se controlan principalmente a través de los excipientes). 4.1.4.2 Equipo6, 15, 17, 20 La unidad básica mecánica para la compresión de los comprimidos involucra la operación de dos punzones de acero dentro de una cavidad (matriz) de acero. El punzón inferior encaja en un molde matriz en el fondo, y el punzón superior, con una cabeza de la misma forma y dimensiones, entra en la cavidad de la matriz en el tope después que ésta se llenó con el material a comprimir (Figura 1). El comprimido se forma por la presión que los punzones ejercen sobre el granulado dentro de la cavidad matriz o celda. El comprimido adquiere el tamaño y la forma de los punzones y de la matriz utilizados. Figura 1. Sistema de punzón simple.20 La capacidad del granulado para fluir libremente a la matriz es importante, para asegurar el llenado uniforme y el movimiento continuo del granulado desde la fuente de alimentación a la tolva. Si el granulado no posee propiedades cohesivas, después de la compresión éste puede deshacerse al manipularlo. El material debe tener cierta lubricación que minimice la fricción y permita la remoción de los comprimidos compactados. 18 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES En una máquina de punzón simple, la zapata de alimentación que contiene el granulado se coloca sobre la cavidad de la matriz, la cual, se llena con el material que se va a comprimir posteriormente. La zapata se retrae y se rasa todo el exceso de granulado fuera de la cavidad de la matriz. El punzón superior baja para comprimir el granulado dentro de la cavidad matriz, luego se retrae y el punzón inferior sube para expulsar el comprimido. Cuando la zapata de alimentación vuelve para llenar la cavidad matriz, empuja al comprimido y lo saca de la plataforma de la matriz (Figura 2). El peso del comprimido está determinado por el volumen de la cavidad de la matriz; el punzón inferior es ajustable para aumentar o disminuir el volumen del granulado. arriba hacia moviéndose esta punzón El arriba hacia moviéndose esta punzón El oestacionad está punzón El - ↓ ↑ Figura 2. Pasos de una tableteadora de punzón simple (excéntrica).20 Las prensas de palanca sólo son adecuadas para la producción en pequeño. Los punzones superior e inferior están unidos cada uno a una palanca por medio de la cual pueden moverse. La presión depende de la fuerza del que comprime. 4.1.4.3 Prensa hidráulica5 En este tipo de prensas (Figura 3) el movimiento de los punzones puede controlarse y modificarse bastante, por lo que los comprimidos se pueden preparar en condiciones controladas con respecto al patrón y a la velocidad de carga. Las posibles aplicaciones son la investigación de la sensibilidad de un fármaco ante tales variaciones o simular un 19 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES patrón de carga de las prensas de producción para predecir problemas de escalamiento. Esta última aplicación hace que a este tipo de prensa se le conozca como simuladora. Figura 3. Matriz y punzones de prensa hidráulica.14 4.1.4.4 Fases en la compactación2, 13, 17, 20 Como se ilustra en la Figura 4, el proceso de compactación tiene diferentes fases identificables. 20 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Figura 4. Ilustración esquemática de los procesos que se llevan a cabo durante la compresión.2 a) Fase I. Cuando los polvos se comprimen (se reduce su volumen), el primerproceso es una consolidación de los polvos. Durante esta fase de consolidación las partículas de polvo adoptan un orden de empaque más eficiente. b) Fase II. La segunda fase del proceso de compactación es una deformación elástica o reversible (Figura 5). Si durante esta fase la fuerza se eliminara, el polvo podría retomar por completo y de manera eficiente al estado del empaque. Para la mayoría de los polvos utilizados en productos farmacéuticos, esta fase dura muy poco y es muy difícil de identificar en la mayoría de los instrumentos para elaborar comprimidos. c) Fase III. La tercera fase de compactación es plástica o de deformación irreversible del lecho del polvo (Figura 5). Ésta es la fase del proceso de compactación, que es la más crítica para la formación del comprimido. Si se aplica demasiada fuerza al polvo, se producen fracturas por fragilidad. Si la fuerza se aplica con rapidez durante la relajación 21 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES de la fuerza pueden aparecer desuniones y fracturas. Si un material tiene suficiente flujo plástico durante la compresión, es más probable que pueda formar un compacto. Figura 5. Deformación elástica y deformación plástica.20 4.1.5 Correlación de características de las tabletas con propiedades físicas del polvo o granulado6, 17 Al evaluar las características de las tabletas, como el espesor o resistencia a la ruptura, se puede correlacionar dichas características con propiedades importantes del material que se comprimió, tal como la porosidad y el tipo de deformación (plástica o elástica) o fractura que sufrió el material al ser sometido a una fuerza. De esta forma, al emplear modelos matemáticos desarrollados durante la investigación en el área de desarrollo y tecnología farmacéutica, se han podido estudiar los cambios que presenta el polvo o granulado cuando se emplea para la fabricación de tabletas. Entre los cambios que se evalúan, se encuentran: 22 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES • Cambios en la densidad del lecho durante la compresión. Cuando la fuerza aplicada aumenta, se produce la deformación elástica y plástica de las partículas, lo que da como resultado un flujo plástico y una reducción de los espacios vacíos interparticulares e intraparticulares. Esto disminuye la densidad total del compacto. Para los sistemas altamente cohesivos, la reducción de los espacios vacíos puede dar un compacto con la suficiente resistencia como para poder insertarlos dentro la cubierta de una cápsula. • Cambios de superficie durante la compresión. Los polvos voluminosos cambian su estado de empaque durante la compactación y las partículas individuales se fracturan o se deforman plásticamente. Durante este proceso, la superficie de los polvos y el compacto cambia totalmente. • Determinación de la resistencia. Se utiliza el concepto de resistencia mecánica para la caracterización de la resistencia que tiene una tableta frente a la presión, golpe, torsión, rodadura, rotura, caída y otros agentes externos. La resistencia a la presión es la presión que se ejerce a lo largo de un diámetro medida en el momento de la aparición de la primera grieta o rotura. 4.1.6 Perfiles de presión – volumen aplicado de los comprimidos5 La relación entre el volumen y la presión aplicada durante la compresión es el método principal por el que se deriva la representación matemática del proceso de compresión. Hay un gran número de relaciones entre el volumen del comprimido y la presión aplicada. Además de estos dos parámetros, en algunas formulaciones se incluyen otras constantes que, a menudo, se definen en términos físicos. Sin embargo, el significado físico de estas constantes sólo se ha aceptado en algunas ecuaciones. Entre ellas, la expresión más 23 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES utilizada en ingeniería y farmacia es la función de presión aplicada a la porosidad del comprimido de Heckel. 4.1.6.1 Ecuación de Heckel2, 5, 7 La porosidad se puede medir en un comprimido expulsado o sobre una columna de polvo (tableta) bajo presión, es decir, en la matriz. Este último método es más frecuente, ya que se puede realizar rápidamente con una pequeña cantidad de polvo. El tiempo de compresión que se aplica a cada tableta puede variar con cada presión, lo cual podría afectar el perfil de compresión de los materiales que tienen un comportamiento muy dependiente del tiempo. La compresión del polvo se puede describir como una reacción de primer orden en la que los poros son los reactantes y la densificación, el producto. Según esta suposición, se obtiene la siguiente expresión: AKP Drel += − ) 1 1ln( Donde 1-Drel es la porosidad del comprimido, P es la presión aplicada, A es una constante que refleja la redistribución y fragmentación de las partículas, y K es la pendiente de la parte lineal de la relación, que parece reflejar la deformación de las partículas durante la compresión. Es frecuente calcular la inversa del valor K de la pendiente y se considera que representa la tensión de rendimiento o presión de rendimiento (Py) para las partículas, es decir: A P P D yrel += − ) 1 1ln( La presión de rendimiento se define como la tensión a la cual se inicia la deformación plástica en las partículas. Para poder usar el parámetro de presión de rendimiento de Heckel para comparar diferentes sustancias, es importante estandarizar las condiciones 24 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES experimentales como son las dimensiones del comprimido y la velocidad de compactación. La Figura 6 muestra un perfil típico de Heckel, donde es frecuente ver una curvatura inicial (fase I) que reflejaría la fragmentación y recolocación de la partícula. Después, la relación es lineal durante un intervalo sustancial de presiones aplicadas (fase II), a lo que se debe la expresión. A partir del gradiente de esta parte lineal se puede calcular la presión de rendimiento, que sería una forma de medir la plasticidad de la partícula. Por último, durante la compresión se representa la expansión de la altura del comprimido por el aumento de la porosidad del mismo (fase III). A partir de esta fase de descompresión se puede calcular la elasticidad de la partícula como el cambio relativo de la porosidad o altura del comprimido. Para las partículas porosas, es decir, gránulos y microesferas, el procedimiento de Heckel no es adecuado para determinar la deformación o resistencia del gránulo. El problema de aplicar el método de Heckel a la compresión de partículas porosas está relacionado con la necesidad de evaluar la porosidad de un sistema de poros que entra en reacción. El espacio poroso de interés en relación con la ecuación de Heckel es intergranular, no intragranular. Se han descrito tres tipos de gráficos de Heckel. - Gráfico tipo A. En la etapa inicial de compresión se observa una ligera curvatura en la gráfica formada, debido a un rearreglo de las partículas; después de dicha curvatura, la gráfica presenta líneas rectas paralelas (en el caso de que se evalúen varios materiales con dicho comportamiento). Los materiales que brindan este tipo de gráficas, presentan deformación plástica. - Gráfico tipo B. En la etapa inicial de compresión se presenta una curvatura un poco más pronunciada que en los gráficos de tipo A, y después se observan líneas que se traslapan al llegar a ciertas presiones altas. Los materiales que brindan estas curvas presentan fragmentación cuando el polvo se densifica. 25CAPÍTULO IV. GENERALIDADES - Gráfico tipo C. En la etapa inicial de compresión, se presentan pendientes pronunciadas, para después tener una región de líneas que se traslapan. Los materiales con este tipo de comportamiento no presentan un reacomodo inicial de las partículas y presentan deformación plástica. Figura 6. Tipos de gráficos de Heckel.2 26 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.1.6.2 Ecuación de Kawakita5, 7 Un método prometedor que evalúa la mecánica de compresión de los gránulos consiste en calcular la fuerza de cizallamiento durante la compresión a partir de la ecuación de Kawakita. Esta ecuación parte del supuesto de que el sistema se encuentra en equilibrio durante todas las etapas de la compresión de un polvo en un espacio cerrado, por lo que, el producto de un término de presión por un término de volumen será constante. La ecuación tiene la siguiente forma lineal: a P abC P += 1 Donde P es la presión aplicada, C es el grado de reducción de volumen y a y b son constantes. El grado de reducción de volumen se refiere a la altura inicial de la columna de polvo (h0) en relación con la altura de la columna de polvo (compacta) con una presión aplicada P (hp): 0 0 h hh C p − = La ecuación se ha aplicado principalmente a polvos de partículas sólidas pero se ha sugerido que el parámetro de compresión 1/b corresponde a la fuerza de los gránulos referida a la fuerza de compresión. Por lo tanto, el procedimiento representa una forma posible de identificar las propiedades mecánicas de los gránulos a partir de un experimento de compresión. En la Figura 7 se muestran dos gráficos característicos obtenidos mediante la ecuación de Heckel y la ecuación de Kawakita. 27 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Figura 7. Representación gráfica de modelo de Heckel (A) y Kawakita (B) para almidón pregelatinizado (----) y fosfato dicálcico (- - -).2 28 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.1.7 Pruebas farmacopeicas para tabletas4, 8 El comprimido final, después de comprobar su aspecto, requiere pasar las siguientes pruebas: identidad del o los principios activos; ensayo de las sustancias relacionadas o de degradación; uniformidad de dosis; humedad o pérdida al secado (cuando se requiera); prueba de desintegración o prueba de disolución (en los casos en que se aplique la prueba de disolución, se justifica omitir la prueba de desintegración) y valoración del o los principios activos. Descripción. Se evalúa el aspecto de las tabletas: forma, dimensiones, color, textura, olor y sabor de las tabletas. Prueba de friabilidad. Esta prueba evalúa la capacidad de un comprimido de resistir el desgaste por rozamiento durante el envasado, la manipulación y el transporte. Es la medición de la resistencia a la abrasión con escasa pérdida de material; estos datos no necesariamente guardan relación con los de dureza. Cuanto mayor sea la fuerza de unión de las partículas que conforman a la tableta, la probabilidad de que el comprimido sea más resistente aumenta. Desintegración de los comprimidos. La prueba de desintegración es una medida del tiempo necesario bajo un conjunto de condiciones para que un grupo de comprimidos se desintegren en partículas. Esta prueba es útil como una herramienta para asegurar la calidad de formas farmacéuticas convencionales (de liberación no sostenida). Las partículas son aquellas que pueden atravesar un tamiz tamaño de malla 10. La prueba provee una medida de control para asegurar que una fórmula de comprimidos dada es la misma en lo que respecta a la desintegración de un lote de producción a otro. La prueba de 29 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES desintegración se utiliza como un control de los comprimidos que se administran vía oral, excepto cuando se los va a masticar antes de deglutirlos o cuando están diseñados para liberar la droga en un periodo de tiempo. Uniformidad de contenido. Existen dos formas de acuerdo con la Farmacopea para evaluar este parámetro, y éstas son: - Variación de peso. Si el producto para analizar contiene 50mg o más de un ingrediente activo único el cual constituya el 50% o más en peso de la tableta. El procedimiento consiste en pesar individualmente una muestra de 10 tabletas y con el resultado de la variación del principio activo, calcular el contenido de esta en cada una de las tabletas, obteniendo el promedio y la desviación estándar relativa. - Uniformidad de contenido. Esta prueba aplica cuando una tableta tiene 50mg o menos del principio activo, o cuando el principio activo corresponde a menos del 50% de la masa total de la tableta. Se analizan individualmente 10 tabletas conforme a la valoración correspondiente del producto, determinando la cantidad del principio activo en cada tableta y la desviación estándar relativa. Los resultados son satisfactorios para ambos casos si el contenido de principio activo en cada una de las 10 tabletas está dentro de lo estipulado en la monografía, y la desviación estándar relativa es menor o igual al 6%. % de disolución. Consiste en someter las tabletas a condiciones específicas para evaluar la liberación del fármaco en un medio de disolución a 37±5 °C, a una velocidad y tiempo determinado. 30 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.1.8 Biodisponibilidad de formas farmacéuticas sólidas10 La acción farmacológica y/o terapéutica de un medicamento no es sólo función de sus propiedades o actividad farmacológicas intrínsecas, sino que éstas están condicionadas de manera importante a sus características físicas y fisicoquímicas y a la de la forma farmacéutica en que se administra. Para que un medicamento ejerza un efecto terapéutico o clínico, es necesario que llegue al denominado sitio de acción y alcance allí la concentración apropiada. 4.1.8.1 Administración oral1 La administración oral de un medicamento es el modo de administración más antiguo. Generalmente es el más cómodo y el que presenta los menores inconvenientes, además de ser el menos costoso. Todo esto justifica que el 80% de los medicamentos sean administrados por vía oral. La absorción del fármaco es posible a lo largo de todo el aparato digestivo, a condición de que la permanencia del principio activo sea suficiente. Esto excluye el esófago, pero incluye a la cavidad bucal, siempre y cuando el contacto con la superficie de absorción (mucosa bucal) sea prolongado. La importancia de la absorción varía según el nivel del aparato digestivo. 4.1.8.2 Biodisponibilidad1, 5, 11 La biodisponibilidad se define como la fracción de fármaco inalterado que llega a la circulación sistémica después de su administración por cualquier vía. En el caso de una dosis intravenosa del fármaco, la biodisponibilidad es igual a la unidad. En un medicamento administrado por vía oral, la biodisponibilidad puede ser menor del 100% por dos razones principales: la absorción incompleta y eliminación en el primer paso. 31 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES A. Grado de absorción Después de su administración por vía oral, es posible que un fármaco sea absorbido de manera incompleta. Si el fármaco es demasiado hidrófilo, el fármaco no puede cruzar la membrana celular lipídica y, si es demasiado lipófilo, no es tan soluble como para cruzar la capa de agua adyacentea la célula. B. Velocidad de absorción La velocidad de absorción es determinada por el sitio de administración y la formulación del fármaco. Tanto la velocidad de absorción como el grado de absorción pueden influir en la efectividad clínica de un medicamento. Las diferencias en la velocidad de disponibilidad son importantes en el caso de fármacos que se administran en dosis única. Se dice que el mecanismo de absorción es de orden cero cuando la velocidad de ésta es independiente de la cantidad de fármaco restante en el intestino, es decir, cuando es determinada por la velocidad de vaciamiento gástrico o por una formulación del fármaco de liberación controlada. En contraste, cuando la dosis completa se disuelve en los líquidos gastrointestinales, la velocidad de absorción suele ser proporcional a la concentración y se dice que es de primer orden. El tipo de forma farmacéutica y las técnicas de preparación o fabricación pueden influir sobre la biodisponibilidad. La administración de un fármaco determinado en forma de solución, suspensión o una forma farmacéutica sólida pueden influir sobre la velocidad o magnitud de absorción en el tubo digestivo. 4.1.8.3 Formas farmacéuticas sólidas1, 2 Se debe considerar el medicamento sólido desde la forma más simple a la forma más compleja de la siguiente manera: 32 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES - Un polvo se debe mojar para que el principio activo pueda disolverse. - Envasado en cápsula o en sello, la cubierta debe romperse en primer lugar. - Aglutinada o comprimida, debe existir una destrucción de la estructura coherente de la forma, una “disgregación” para alcanzar el estado de polvo. La liberación en el organismo de los principios activos contenidos en un comprimido requiere la destrucción de la estructura de éste, en la gran mayoría de los casos. Sólo ciertas formas de comprimidos de acción prolongada dejarán difundir el principio activo sin destrucción de su estructura. La compresión entrelaza fuertemente las partículas o los gránulos de la mezcla a comprimir, estableciendo enlaces de cohesión (Figura 8) que existen ya de manera más o menos laxa en la mezcla de polvos de la cual se parte, pero que han sido considerablemente reforzadas por la compresión, al poner en contacto íntimo la superficie de las partículas. Figura 8. Interacciones moleculares de sustancias polares: a) superficie seca, b) superficie seca después de una deformación plástica, c) superficie mojada. 2 33 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Es necesario considerar la desintegración sin perder de vista este mecanismo de formación de la masa coherente de partículas que forma el comprimido. Obligarlo a desintegrarse es provocar la anulación de esta energía de cohesión establecida como consecuencia del entrelazamiento íntimo de las superficies durante la compresión. En el caso de desintegración, en la que las partículas que constituyen el comprimido deben ser restituidas al máximo para favorecer la disolución del principio activo incluido; la penetración del agua, por succión o capilaridad será el factor de separación. Esta penetración del agua es el único factor primordial en la desintegración, cuanto más rápidamente y de la manera más homogénea posible pueda penetrar el agua, más rápida será la disgregación y más pequeños serán los fragmentos resultantes, lo cual permite una disolución más rápida del principio activo. El papel de un agente desintegrante es introducir el agua lo más rápidamente posible y de la forma más dispersa posible en el seno del comprimido. Esto es por lo que los desintegrantes son de naturaleza particularmente hidrófila. Algunos procedimientos tecnológicos o de formulación permiten modular el ritmo de la liberación y de la disolución del principio activo para programar la intensidad de su acción así como para prolongarla. En todo el proceso de disolución, el tamaño de las partículas a disolver tiene gran influencia sobre la velocidad del fenómeno, las más pequeñas se disuelven mucho más rápido. 4.1.8.4 Clasificación de los distintos tipos de desintegración1 a) Disgregación macrogranular. El comprimido se disgrega en grandes fragmentos que sedimentan rápidamente en el fondo del recipiente durante un ensayo de disolución in vitro (Figura 9). Aunque el tiempo de disgregación sea generalmente corto en este caso, la disolución del principio activo puede ser lenta si no hay disgregación secundaria rápida de los fragmentos grandes, pues se realizará por difusión, fuera de éstos 34 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Este tipo de disgregación puede producirse si la compresión ha sido hecha a partir de un polvo granulado en malas condiciones o, si la fuerza de compresión ha sido mal repartida en la masa del comprimido, originando zonas más duras. b) Disgregación microgranular. La disgregación en este caso se realiza en aglomerados relativamente pequeños que se dispersan y después sedimentan más o menos rápida en el recipiente de un ensayo in vitro. La disolución a partir de estos pequeños aglomerados se realizará mucho más fácilmente que en el caso de la disgregación macromolecular. Es el caso más estudiado para comprimidos en los que se pide una disolución rápida del principio activo. El comprimido explota en grandes fragmentos que se disgregan secundariamente y sedimentan in vitro, liberando una nube de partículas más finas (Figura 9). Los comprimidos efervescentes sufren este tipo de desintegración. Estos dos tipos de disgregación macro y microgranular corresponden, en general, a una restitución en una primera fase, del gránulo que ha servido para la compresión. c) Disgregación micronizada o de aspecto coloidal. El medio en el cual se realiza la disgregación llega a ser de aspecto lechoso como consecuencia de la dispersión del comprimido en partículas finas (Figura 9). La desintegración no es imprescindible para que un principio activo sea liberado y se disuelva. Si la masa del comprimido contiene una red continua de una sustancia hidrosoluble, la liberación tendrá lugar como consecuencia de una disolución más o menos rápida de esta red, que puede estar, por otra parte, constituida por el propio principio activo o por un excipiente como la lactosa. Sin embargo, la disgregación previa es un factor acelerador de importancia primordial en la rapidez de la liberación en el organismo de los principios activos incluidos en los comprimidos. 35 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Figura 9. Tipos de disgregación.1 4.1.8.5 Factores tecnológicos que influyen en la biodisponibilidad, 5 Fuerza de compresión y porosidad de la masa del comprimido Parece lógico pensar que a medida que la fuerza de compresión aumenta, las superficies de contacto establecidas entre las partículas son mayores, las superficies de adhesión interparticular serán más grandes y por tanto habrá menos espacio vacío. Esto se traducirá en una porosidad del comprimido cada vez menor, hasta un cierto límite a partir del cual toda fuerza superior ya no podrá actuar. La mezcla pulverulenta que constituye el comprimido ha alcanzado su compactación máxima. Los poros son una vía de entrada importante del agua en el seno del comprimido, por lo que el disminuir la porosidad del comprimido constituye una disminución potencial de su velocidad de disgregación y de la velocidad de disolución del principio activo. 36 CAPÍTULOIV. GENERALIDADES - Por otro lado, se ha visto que no es necesario considerar la porosidad global, pero sí el diámetro de los poros y su distribución. A porosidad igual pueden corresponder poros de diámetro más o menos pequeño irrigando más o menos completamente el comprimido y provocando una disgregación micro o macrogranular más o menos rápida. Así pues, no sólo debe medirse la porosidad global del comprimido, si se quiere estimar su biodisponibilidad, sino también la distribución de poros de diferente tamaño que podrá ser determinada por un medidor de poros de mercurio que trabaja bajo un gradiente de presión. De forma general, la disminución de la porosidad debida a un aumento de la fuerza de compresión, aumenta el tiempo de disgregación y disminuye la disolución, pero existe una zona de porosidad óptima para la cual los poros son aún suficientemente amplios como para permitir la penetración del líquido de disgregación. Esta pequeña porosidad puede permitir, a veces, una buena disgregación: el agua puede penetrar más rápidamente en un poro hidrófilo estrecho, la presión capilar es inversamente proporcional al diámetro de los poros (caso en el que un aumento de la fuerza de compresión provoca una disminución del tiempo de disgregación). Si se admite una influencia del hinchado sobre la disgregación: los poros deben ser suficientemente estrechos como para permitir que el gránulo hinchado ejerza presión. - La formulación modula la influencia de la fuerza de compresión. Los poros se podrán llenar más o menos por el líquido de disgregación. Si se encuentran tapizados por un revestimiento de sustancias hidrófilas como los gránulos de almidón, la penetración del agua será rápida. Si sus paredes son hidrófobas la penetración será lenta. La progresión del agua a través de los poros es importante, cualquier fenómeno capaz de hacerla más lenta, como la viscosidad, frenará la disgregación y la disolución. De esta manera los productos capaces de aumentar la viscosidad, como las gomas, alginato sódico, o gelatina, no provocarán generalmente disgregaciones más rápidas y no se deberán utilizar en gran cantidad. 37 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES - Una fuerza de compresión óptima. Varios autores han demostrado que si bien la velocidad de disolución disminuye con la fuerza de compresión, existe una fuerza de compresión para la que, de manera brusca aparece una mejora transitoria de la disolución. Para ciertas fuerzas de compresión existe una ruptura de los cristales, aumentando la superficie de contacto del principio activo a la disolución. Cuando la fuerza de compresión aumenta más allá del nivel que provoca la ruptura de los cristales, la disgregación y la disolución son defectuosas como consecuencia de la importancia de los enlaces interparticulares (formación de puentes interparticulares por fusión en la superficie, por ejemplo). Debe señalarse que en el caso de estructuras comprimidas hidrófilas, el aumento de la fuerza de compresión puede acelerar la velocidad de disgregación. Tipo de máquina de comprimir. La fuerza aplicada durante la compresión se encuentra mejor repartida en el comprimido obtenido con una máquina rotativa, trabajando con los dos punzones, inferior y superior, que en el caso de una máquina excéntrica que producirá comprimidos menos homogéneos, presentando zonas más duras en la cara correspondiente al punzón superior. Los lubricantes, al disminuir las fuerzas de fricción, permitirán un mejor reparto de las fuerzas en la masa a comprimir. Los comprimidos así formados serán más homogéneos desde el punto de vista de la dureza y, por consiguiente, de la porosidad y de la disolución. Métodos de fabricación. Compresión directa. El tiempo de disgregación y la velocidad de disolución dependerán de los excipientes utilizados. Estos deberán presentar propiedades de enlazantes secos y favorecer el desmoronamiento aunque algunas veces influirán sobre la rapidez de disgregación. La distribución de poros de diferente tamaño es, en 38 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES general, bastante homogénea. La disgregación será, en general, microgranular. La incorporación de derivados hidrófilos, no hidrosolubles, como los almidones o las celulosas (Avicel), que bombean el agua hacia el interior del comprimido, facilitará la liberación y la disolución de los principios activos poco hidrosolubles. Formulación. Los excipientes necesarios para la elaboración de un comprimido tienen un papel muy importante sobre la biodisponibilidad de los principios activos incluidos. Esta influencia será tanto más importante cuanto menor sea la dosis de principio activo en el comprimido y cuanto menos absorbible sea éste en estado puro. a) Diluyentes. Su naturaleza deberá ser tanto más estudiada cuando se presente el caso anteriormente citado: principio activo en muy poca cantidad y de relativamente baja absorción. Son numerosos los riesgos de absorción sobre excipientes como caolín, bentonita, hidróxido de aluminio, carbonatos de calcio o magnesio y fosfatos. En general se preferirán diluyentes hidrosolubles como la lactosa o ciertos productos de hidrólisis del almidón, sobre todo si el principio activo es de naturaleza hidrófoba. La lactosa da a menudo comprimidos duros de liberación relativamente lenta. Es además, incompatible con los principios activos que presentan en su estructura molecular grupos amino (reacción de Maillard). Debe señalarse que los diluyentes minerales algunas veces contienen, en estado impuro, trazas de iones que pueden catalizar ciertas oxidaciones, provocar ciertas reacciones coloreadas y dificultar eventualmente la acción de ciertas enzimas. b) Desintegrantes. La función de los desintegrantes es aportar agua al seno del comprimido, entre las partículas y los gránulos constitutivos, a fin de favorecer la 39 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES relajación de los enlaces de cohesión. Estos desintegrantes se pueden clasificar en tres grupos: - Aquellos que se hinchan en la presencia de agua, sin disolverse. Bombean el agua, de gránulo a gránulo. - Los que se disuelven más o menos rápido en el agua hinchándose y formando un gel; sin embargo, la viscosidad desarrollada frena la progresión del agua y por tanto la disgregación. La capa que se forma es viscosa, más o menos espesa y sólo deja atravesar lentamente y por difusión los principios activos disueltos. - Los almidones (particularmente los hidrófilos) son en la mayoría de los casos, excelentes disgregantes. La observación del efecto beneficioso de una red continua de gránulos de almidón en el seno de un comprimido, por una parte, y del hinchamiento de los comprimidos que no contienen ningún elemento capaz de hincharse, por otra, ha conducido a una hipótesis: repulsión interparticular. Así, el agua conducida y distribuida en el seno de un comprimido por una red continua hidrófila provoca la anulación de las fuerzas de cohesión interparticulares como las de Van der Waals, capilares y puentes de hidrógeno. Así, pues, se distinguen 3 tipos de desintegrantes: - Los agentes de forma globular que no se hinchan o lo hacen poco: almidones nativos, PVP reticulaza. - Los agentes de forma globular cuyas partículas se hinchan en contacto con el agua: carboximetilcelulosa. - Los agentes fibrosos: celulosas, AC DI Sol, H.P.C. de baja densidad. 40 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.2 Celulosa microcristalina.16 La celulosa microcristalina (Figura 10)recibe, entre otros, el nombre comercial de Avicel® debido a que fue la compañía American Viscose Company quien, en 1962 obtuvo celulosa microcristalina a partir de celulosa. Las siglas PH se deben a que dicha celulosa es para uso farmacéutico (pharmaceutical usage). Actualmente hay otras marcas de celulosa microcristalina disponibles comercialmente. La celulosa se encuentra presente en muchos alimentos de consumo humano, sin embargo es inerte para las enzimas digestivas, siendo así aprobada por la FDA, así como por otras agencias gubernamentales en todo el mundo. 4.2.1 Método de preparación5, 16 La pulpa de celulosa (obtenida de la madera) es purificada y despolimerizada utilizando ácido, a fin de llevar a cabo una hidrólisis ácida. Durante este proceso, sólo se cambia la forma física de la celulosa, obteniéndose así un compuesto puro en forma de polvo. Las fibras de celulosa contienen millones de microfibras de celulosa; dichas microfibras, a su vez, están constituidas tanto por fibras amorfas y flexibles, como por fibras rígidas, las cuales tienen apariencia de microcristales. Durante la hidrólisis de la celulosa, se elimina la parte amorfa y se conservan sólo los microcristales, los cuales son filtrados (a fin de eliminar los compuestos inorgánicos insolubles como sulfatos e hidróxidos) y son secados por aspersión; esto da como resultado que se formen diversos agregados de cristales, los cuales tendrán diferente tamaño de partícula. 41 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Figura 10. Fórmula estructural de la celulosa. En resumen, el proceso de obtención de celulosa microcristalina consiste en deshacer las fibras de microcelulosa a fin de liberar los microcristales que contiene, para después formar agregados o partículas de mayor tamaño a partir de dichos cristales previamente obtenidos. Es importante mencionar que además de producir Avicel® de tipo PH (de uso farmacéutico), también se puede obtener celulosa microcristalina de tipo RC/CL; para ello se sigue el mismo método antes mencionado, y antes de secar los microcristales, se le añade carboximetilcelulosa sódica. 4.2.2 Celulosa microcristalina. Excipiente de compresión directa16 Antes de que se produjera de forma comercial la celulosa microcristalina Avicel®, la lactosa obtenida mediante secado por aspersión era ampliamente utilizada como excipiente para compresión directa. Entre las ventajas que presentaba dicha lactosa era que presentaba buen flujo y relativamente una buena compresibilidad. Sin embargo, algunas de las impurezas de la lactosa reaccionaban con los grupos amino de ciertos fármacos, lo cual producía que las tabletas adquirieran una coloración café debido a la reacción entre ambos compuestos. Por otro lado, cuando se fabricaban tabletas con fármacos que tenían poca compresibilidad, la lactosa no podía compensar falta de resistencia a la ruptura que presentaban las tabletas. 42 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Así, una vez que se comercializó el Avicel®, se comenzaron a producir tabletas que contenían tanto celulosa microcristalina (la cual tiene una excelente compresibilidad) y lactosa (la cual funcionaba como lubricante y mejoraba el flujo de la mezcla de los polvos utilizados durante la compresión directa). La celulosa microcristalina puede ser comprimida, sin requerir forzosamente la presencia de un lubricante, siempre y cuando tenga una humedad menor al 55%. Cuando se tiene una mayor humedad, el material se puede adherir a la superficie de los punzones. La celulosa microcristalina ha sido clasificada, debido a sus propiedades, como un antiadherente; si bien en algunas formulaciones es necesario incluir agentes lubricantes, la proporción en la que se añaden dichos lubricantes es mucho menor en presencia de la celulosa microcristalina. Se ha visto que la celulosa microcristalina presenta relativa sensibilidad a los lubricantes, esto es, en función de la concentración de un lubricante presente en la formulación, se pueden producir tabletas de menor dureza, en comparación con tabletas que únicamente tienen celulosa microcristalina. Por otro lado, el tamaño de partícula de la celulosa microcristalina afecta la sensibilidad al lubricante. El Avicel PH 200 tiene un tamaño de partícula de 180 µm en tanto que el Avicel PH 101 tiene un tamaño de partícula de 50 µm. Si una formulación incluye un lubricante como estearato de magnesio, una misma concentración del agente lubricante podrá recubrir mejor la superficie de partículas más grandes como las de Avicel PH 200, que las de Avicel PH 101, obteniendo así, en el primer caso, tabletas con menor resistencia a la ruptura. Durante el proceso de compresión, la celulosa microcristalina presenta deformación plástica. La resistencia a la ruptura que presentan las tabletas se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre las superficies grandes deformadas de la celulosa. De hecho, una tableta de celulosa microcristalina se puede considerar como una fibra de celulosa en la cual los microcristales están tan juntos entre sí, que la formación de puentes de hidrógeno es completamente viable. 43 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES La celulosa microcristalina es considerada como el agente de mejor compresibilidad, y por lo tanto, a bajas presiones se pueden obtener tabletas con la dureza requerida. 4.2.3 Celulosa microcristalina. Desintegración16 Cuando se coloca una tableta de celulosa microcristalina en agua, ésta se expande (se hincha) y se desintegra. Aunque la celulosa microcristalina no presenta una buena desintegración (en comparación con el almidón de maíz), debido al gran hinchamiento que presenta la celulosa microcristalina, ésta ha sido utilizada como agente desintegrante en algunas formulaciones. El hinchamiento y la desintegración de las tabletas de celulosa se han atribuido a la penetración del agua por capilaridad en el interior de la matriz de celulosa a través de los pequeños poros que están en la superficie de la tableta. Una vez que el agua está en contacto con la celulosa, se rompen los puentes de hidrógeno, y por consiguiente, la tableta se desintegra. La compactabilidad de la celulosa microcristalina se ve afectada por la cantidad de humedad presente en el material. A una humedad de aproximadamente 5%, se ha establecido que el agua se encuentra en los poros de las partículas, formando puentes de hidrógeno con los grupos –OH de la celulosa microcristalina. Se ha determinado también que una humedad de 7.3% produce tabletas con mayor dureza, en tanto que a humedades más bajas (por debajo del 5%) se obtienen tabletas que presentan menor resistencia a la ruptura. 4.2.4 Celulosa microcristalina – Monografía15, 16 • Nombres comunes. Celulosa microcristalina (BP, JP y USP). • Nombre químico y Número de CAS. Celulosa [9004-34-6]. 44 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES • Fórmula empírica y peso molecular. (C6H10O5)n n ≈ 220 PM ~ 36 000 • Categoría funcional. Adsorbente, agente suspensor, diluente en cápsulas y tabletas, desintegrante (tabletas). • Aplicaciones en formulaciones farmacéuticas. La celulosa microcristalina se utiliza ampliamente en productos farmacéuticos, principalmente como agente aglutinante y diluyente en formulaciones de tabletas orales y cápsulas; se emplea tanto en granulación vía húmeda como en compresión directa. La celulosa microcristalina también tiene propiedades como lubricante y desintegrante, lascuales le hacen muy útil durante el proceso de compresión. La Tabla 1 resume los principales usos de la celulosa microcristalina. La celulosa microcristalina también se empela en cosméticos y alimentos. Uso Concentración (%) Adsorbente 20–90 Antiadherente 5–20 Diluyente / aglutinante en cápsulas 20–90 Desintegrante en tabletas 5–15 Diluyente/aglutinante en tabletas 20–90 Tabla 1. Usos de la celulosa microcristalina en formulaciones farmacéuticas. • Descripción. La celulosa microcristalina es celulosa purificada, parcialmente despolimerizada, que se presenta como un polvo cristalino, blanco, sin sabor y sin olor, compuesto por partículas porosas. Esta disponible de forma comercial en diferentes tamaños de partícula y con diferentes grados de humedad; dichas 45 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES características le brindan diferentes propiedades, y por consiguiente, tiene diversas aplicaciones. • Propiedades típicas. En las Tablas 2 y 3 se resumen las propiedades típicas de los diferentes grados de celulosa microcristalina. Propiedad Descripción Ángulo de reposo 49° (Ceolus KG) 34.4° (Emcocel 90M) Densidad aparente 0.337 g/cm3 0.32 g/cm3 (Avicel PH-101) Densidad compactada 0.478 g/cm3 0.45 g/cm3 (Avicel PH-101) Densidad verdadera 1.512–1.668 g/cm3 Velocidad de flujo 1.41 g/s (Emcocel 90M) Punto de fusión 260 – 270 °C Contenido de humedad La celulosa microcristalina es higroscópica. En general, tiene ≤5% de humedad. Se tienen diferentes grados de humedad (ver Tabla 3). Tamaño de partícula 20-200 µm (Tabla 3). Solubilidad Ligeramente soluble en solución NaOH 5% w/v. Insoluble en agua, en ácidos diluidos y en la mayoría de disolventes orgánicos. Área superficial específica 1.06–1.12 m2/g (Avicel PH-101) 1.21–1.30 m2/g (Avicel PH-102) 0.78–1.18 m2/g (Avicel PH-200) Tabla 2. Propiedades típicas de la celulosa microcristalina 46 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES Análisis de tamaño de partícula Grado Tamaño de partícula promedio (µm) Tamaño de malla Cantidad retenida (%) Contenido de humedad (%) 60 ≤1.0 Avicel PH-101 50 200 ≤30.0 ≤5.0 60 ≤8.0 Avicel PH-102 100 200 ≥45.0 ≤5.0 60 ≤1.0 Avicel PH-103 50 200 ≤30.0 ≤3.0 Avicel PH-112 100 60 ≤8.0 ≤1.5 60 ≥10.0 Avicel PH-200 180 100 ≥50.0 ≤5.0 60 ≤8.0 Emcocel 90M 91 200 ≥45.0 ≤5.0 Tabla 3. Propiedades de diferentes grados comercialmente disponibles de celulosa microcristalina. 47 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES • Estabilidad y condiciones de almacenamiento. La celulosa microcristalina es un material estable, aunque higroscópico. Se debe mantener almacenado en un contenedor bien cerrado, y en un lugar fresco y seco. • Incompatibilidades. La celulosa microcristalina es incompatible con agentes oxidantes fuertes. • Compresibilidad. El comportamiento que presenta la celulosa microcristalina cuando es sometida a diferentes fuerzas de compresión se puede evaluar mediante sus perfiles de compresión. Para ello se pueden emplear diversos modelos matemáticos que permiten caracterizar el material. En la Figura 11 se muestra la correlación entre el espesor de tabletas de polvo de celulosa con respecto a la fuerza de compresión a la cual fueron fabricadas, y la resistencia a la ruptura que presentan dichas tabletas. Figura 11. Características de compresión de polvo de celulosa. 15 (Solka-Flok Fine Granular, Lote No. 9-10-8). Peso de la tableta: 502mg Fuerza de compresión y de compactación mínima: 4.9kN Fuerza de compresión de laminado resultante: <29.4kN 48 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES • Seguridad. La celulosa microcristalina se usa ampliamente en formulaciones farmacéuticas y en productos alimenticios; es considerada como relativamente no tóxica y como un material no irritante. La celulosa microcristalina no se absorbe vía sistémica después de que se ha administrado por vía oral, por lo tanto, tiene un bajo potencial tóxico. El consumo de grandes cantidades de celulosa puede tener un efecto laxante, aunque esto es muy poco probable cuando la celulosa se emplea como excipiente en formulaciones farmacéuticas. • Precauciones de manejo. Puede ser irritante a los ojos. Es recomendable utilizar protección para los ojos, guantes y una mascarilla para polvo durante la manipulación de la celulosa microcristalina. 49 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.2.4.1 Celulosa microcristalina Avicel® PH 10116 La celulosa microcristalina de grado Avicel PH 101 (Figura 12) se utiliza ampliamente en los procesos de compresión directa, granulación húmeda y esferonización. También se utiliza en los procesos de llenado de cápsulas, especialmente en aquellos que requieren asentamientos como parte de la consolidación. Figura 12. Microscopía electrónica de celulosa microcristalina Avicel® PH 101. 16 50 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.2.4.2 Celulosa microcristalina Avicel® PH 10216 La celulosa microcristalina Avicel PH 102 (Figura 13) se emplea en los procesos de compresión directa, granulación húmeda y esferonización. Su tamaño de partícula (100 µm) mejora el flujo de polvos finos. Figura 13. Microscopía electrónica de celulosa microcristalina Avicel® PH 102. 16 51 CAPÍTULO IV. GENERALIDADES 4.2.4.3 Celulosa microcristalina Avicel® PH 20016 La celulosa microcristalina Avicel PH 200 (Figura 14) tiene un tamaño de partícula de 180 µm, lo cual mejora el flujo del polvo. Se emplea para reducir la variación de peso y mejor la uniformidad de contenido en formulaciones de compresión directa. También se utiliza en formulaciones para granulación húmeda (se añade en la mezcla final). Figura 14. Microscopía electrónica de celulosa microcristalina Avicel® PH 200. 16 52 CAPÍTULO V DESARROLLO EXPERIMENTAL CAPÍTULO V. DESARROLLO EXPERIMENTAL 5.1 Metodología Diagrama general de trabajo: Caracterización reológica de los excipientes: distribución del tamaño de partícula, ángulo de reposo, densidad aparente, densidad compactada, índice de compresibilidad, velocidad de flujo. Cinética de consolidación de los excipientes. Establecimiento de las condiciones de trabajo: masa de los comprimidos, niveles de fuerza de compresión, tiempo de compresión. Fabricación de lotes de tabletas de Avicel PH 101, PH 102 y PH 200. Análisis físico de los comprimidos: descripción, masa, altura, resistencia a la ruptura, tiempo de desintegración. Análisis de resultados con los modelos matemáticos. WalkerShapiroKawakitaHeckel 54 CAPÍTULO V. DESARROLLO EXPERIMENTAL Características reológicas o estudios de preformulación. a) Distribución del tamaño de partícula por el método de mallas. Material: - Juego de tamices de acero inoxidable del No 20, 35, 60, 80, 100 y 200 - RO-TAP - Balanza analítica - Cronómetro Se utiliza un equipo RO-TAP con mallas del número 20, 35, 60, 80, 100 y 200, base y tapa, colocadas en forma descendente de abertura. Procedimiento. Se colocan alrededor de 75 g de la muestra en la malla 20, se tapa y se acomoda el juego de tamices
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