Trägerlyophilisate für die Augenheilkunde : Entwicklung einer neuen Gefriertrocknungstechnik und in-vitro Tests

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Gefriertrocknungstechnik für die Herstellung von Trägerlyophilisaten (Ophthalmic Lyophilisate Carrier System, OLCS) entwickelt und das Konzept erfolgreich an zwei Laborprototypen getestet. Das Prinzip der neuen Gefriertrocknungstechnik basierte auf der Einzelherstellung der Lyophilisate unter genau kontrollierten Herstellungsbedingungen. Während der Herstellung wurden Kammerdruck, Kern- und Oberflächentemperatur bzw. Restwassergehalt kontrolliert. Die Messung der Kerntemperatur des Tropfens erfolgte mit einem Thermoelement und wurde für die Prozessentwicklung eingesetzt. Die Oberflächentemperatur des Tropfens wurde unter Produktionsbedingungen mittels eines außerhalb der Trockenkammer eingebrachten IR-Thermometers überwacht. Für die Kontrolle des Restwassergehaltes wurde NIRS in einem Transmissionsmodus mit einer Halogenlampe, die gleichzeitig als NIR-Lichtquelle und als Energiequelle in der Trocknung eingesetzt wurde, verwendet. Das Einfrieren der Probe erfolgte vakuuminduziert und die Einfriergeschwindigkeit wurde durch die Stellung des Feinvakuumventils reguliert. Um die Trocknung zu beschleunigen, wurden folgende technische Besonderheiten eingeführt: •Kleines Volumen der Trockenkammer •Energiezufuhr durch Strahlung •Trocknung im Feinvakuum, •Kurzer Abstand und extreme Temperaturgradienten zwischen der Probe und dem Kondensator. Durch mechanische Enteisung des Kondensators wurde der Prozess quasi-kontinuierlich gestaltet. Der Laborprototyp und eine konzipierte Produktionsanlage unterscheiden sich in der Anzahl der Trockenkammern, im Automatisierungsgrad und in den Maßnahmen zur Sicherstellung der mikrobiologischen Qualität. Ist der Prozess für eine Trockenkammereinheit entwickelt, kann er auch auf die anderen direkt ohne Scale up übertragen werden. Der letzte Laborprototyp der Anlage hatte zwei Trockenkammereinheiten mit separaten Kühlsystemen und einem gemeinsamen Vakuumbelüftungssystem. Der Prozessablauf wurde automatisch gesteuert. Die Qualitätsparameter von OLCS hängen von physikalisch-chemischen Eigenschaften der Inhaltsstoffe, sowie von den Herstellungsbedingungen ab und wurden an zwei Rezepturen HPMC/Fluorescein (HF-)- und Natriumhyaluronat/Dextran (NaHD-) - OLCS untersucht. Für die bequeme Applikation sind die Haftfestigkeit der Lyophilisate auf der Trägermembran, Strukturfestigkeit und die Form des Tropfens sehr wichtig. Am letzten Prototyp der Anlage wurden die Haftfestigkeit und Strukturfestigkeit von OLCS im Rahmen eines 33-Faktorenversuchsplanes in Abhängigkeit von der Konzentration der Inhaltsstoffe und der Einfriergeschwindigkeit untersucht. Sowohl die Haftfestigkeit als auch die Strukturfestigkeit wurden bei beiden Rezepturen signifikant durch den Feststoffgehalt und einige Wechselwirkungen der Faktoren beeinflusst. Die Haftfestigkeit der NaHD-OLCS war durchschnittlich geringer als die von HF-OLCS, weil diese Lyophilisate signifikant größere Kontaktwinkel mit der Trägermembran hatten und damit auch geringere Kontaktflächen. Die Einfriergeschwindigkeit hatte nur beim Prototyp I einen signifikanten Einfluss auf die Haftfestigkeit von HF-OLCS. Bei diesem Prototyp konnten die Niveaus der Evakuiergeschwindigkeit und damit auch der Einfriergeschwindigkeit breiter ausgewählt werden, weil die Trockenkammereinheit ohne Sterilgasfilter ein kleineres Volumen hatte. Um die Haftfestigkeit zu reduzieren und dabei den Lotuseffekt zu nutzen, wurde auf die Trägermembran eine Mikrostruktur durch Prägung aufgebracht. Die NaHD-OLCS zeigten keinen signifikanten Unterschied in der Haftfestigkeit zwischen geprägten und nicht geprägten Trägermembranen, die HF-OLCS sogar eine signifikant höhere Haftfestigkeit für geprägte Membranen. Die Sorptionsisothermen zeigten, dass die Wasseraufnahme aus der Atmosphäre für die Lyophilisate nicht kritisch ist, aber die Lagerung der OLCS in einer wasserdampfdichten Verpackung erfolgen sollte. Die Struktur der Lyophilisate auf der Oberfläche, im Inneren und auf der Rückseite war sowohl von der Einfriergeschwindigkeit als auch vom Feststoffgehalt abhängig. Die Haftfestigkeit und Strukturfestigkeit der OLCS müssen für jede Rezeptur unter Berücksichtigung des Anlagedesigns individuell optimiert werden. Ophthalmic Lyophilisate Carrier System The goal of this work was to develop a new freeze-drying technique for the production of Ophthalmic Lyophilizate Carrier Systems (OLCS). The new lyophilisation technique was successfully tested on two laboratory prototypes. The main principle of the new technique is to produce lyophilisates individually in small drying chambers under well controlled operating conditions. The chamber pressure, core and surface temperatures or residual water content were controlled during the whole freeze drying cycle. The core temperature of the drop was measured by a thermocouple and was used for the process development. The surface temperature of the drop was monitored by an infrared thermometer placed outside the drying chamber. The residual water content was monitored by the NIRS in the transmission mode. A halogen lamp was used simultaneously as a NIR light source and an energy supply for drying. The OLCS were frozen by snap-freezing and the freezing rate was controlled by setting a vacuum needle valve. To accelerate the drying rate the following technical features were implemented: •Small volume of drying chamber •Energy supply by radiation •Drying in a fine vacuum (under 0.01 mbar) •Short distance and extreme temperature difference between the drop and condenser. By mechanical removal of ice from the condenser, the process can be carried out quasi-continuously. The laboratory prototype differs from a future production prototype only in the number of drying chambers. If the process is developed for one chamber, no scale-up is needed. The last prototype had two drying chambers with separate cooling systems and common vacuum-back filling system. The freeze drying cycle was controlled by software. The quality parameters of OLCS depend on the physical-chemical properties of the ingredients and operating conditions. They were tested on two formulations: HPMC/Fluorescein (HF) and Natriumhyaluronat/Dextran (NaHD). For the convenient application the adhesion force between the carrier membrane and the drop, the structural strength and the shape of the drop are important. With a last prototype of freeze dryer a 33-factorial design was used to study the influence of the concentration of active ingredients and freezing rate on adhesion force and structural strength. Both adhesion force and structural strength are significantly affected by ingredient concentration and some the interaction of some factors. On the average the adhesion force of NaHD-OLCS was less than of HF-OLCS because the contact angle between the carrier membrane and the drop of NaHD-OLCS was significantly higher and the contact area lower. The freezing rate affected the adhesion force of HF-OLCS produced by laboratory prototype I. The levels in the evacuation rate and therefore in the freezing rate were wider with this prototype because the volume of the drying chamber without a sterile gas filter is smaller. To reduce the adhesion force by using the lotus effect, the carrier membrane was impressed with a microstructure. The NaHD-OLCS showed no significant difference between carrier membranes with and without microstructure. The HF-OLCS had even higher adhesion force with a microstructed carrier membrane. The water absorption from the atmosphere was not critical for OLCS formulation either, but lyophilisates should be stored in a water-vapour-tight packaging. The structure of the surface as well as the structure inside the drops and on the bottom of the drops was affected by the freezing rate and the concentration of ingredients. The adhesion force and structural strength should be optimized for each formulation individually in consideration to the design of the freeze dryer