Aplicações do DSC

O entendimento da natureza cristalina e amorfa de fármacos e excipientes é crítico para os cientistas farmacêuticos. No caso de formulação de fármacos cristalinas, algumas conversões para a forma amorfa podem ocorrer durante processos, tais como: granulação úmida, moagem e compactação. Isto pode ter um importante impacto nas formas de dosagem, em termos da estabilidade tanto química quanto física dos compostos. No DSC, a cristalização pode ser observada como uma transição exotérmica e amostras que sofrem cristalização durante aquecimento necessariamente têm algum conteúdo amorfo (CLÃS et al, 1999).

A quantidade de energia liberada na cristalização é relacionada à energia do látice do composto cristalino, e assim o DSC pode ser usado para quantificar a cristalinidade de compostos farmacêuticos liofilizados (CLÃS et al, 1999).

Macêdo et al (2002) demonstraram a aplicação da análise térmica nos estudos de compatibilidade e estabilidade térmica do propranolol, misturas binárias e comprimidos A e B. As técnicas térmicas diferenciaram as preparações de propranolol demonstrando sua importância no desenvolvimento de formas farmacêuticas sólidas.

Souza et al (2003) determinaram a estabilidade do fármaco metronidazol e três formulações. Os resultados do DSC mostraram interações do fármaco com excipientes em algumas formulações, sugerido por alterações do ponto de fusão.

Costa et al (2002) estudaram a caracterização térmica da quercetina e rutina por TG e DSC e observaram que os dados de DSC revelaram a presença de várias transições de fase para os dois compostos. Também foi visto através do DSC acoplado ao sistema fotovisual a decomposição e processos polimórficos para a quercetina e rutina respectivamente, de acordo com dados da literatura.

Macêdo et al (2000) fizeram um estudo comparativo de DSC, e métodos convencionais para determinação de pureza de alguns fármacos anti-hipertensivos. Os resultados revelaram que os dados obtidos por DSC foram semelhantes aos dados obtidos pelos métodos convencionais. Assim o DSC pode ser uma ferramenta, limpa, rápida e de baixo custo para a determinação de pureza de matérias-primas farmacêuticas.

Posteriormente Simões et al (2003) avaliaram o comportamento de fármacos anti-hipertensivos em biofluidos submetidos a estudos de congelamento- descongelamento, utilizando DSC-Cooling como ferramenta analítica. Os resultados mostraram que a mistura captopril-plasma apresentou alterações calorimétricas e revelou interações consideráveis frente ao processo de congelamento-descongelamento, porém a presença de ácido ascórbico pode estabilizar o analito em plasma. O propranolol-plasma apresentou redução na entalpia de transição de fase quando comparado ao plasma desnaturado com ácido perclórico nos ciclos de congelamento. Os dados de DSC- Cooling demonstraram grande potencialidade para os estudos de congelamento- descongelamento de fármacos em biofluidos.

Simões et al (2003) verificaram o comportamneto do fármaco ampicilina em plasma utilizando DSC-Cooling como ferramenta analítica. O fármaco ampicilina em água não mostrou mudanças nos parâmetros térmicos, mas em plasma mostrou aumento das temperaturas onset de cristalização e fusão. Assim, a análise dos dados cinéticos mostrou que o comportamento da água de cristalização nas amostras de água pura,

plasma, água e plasma contendo ampicilina varia com os processos de congelamento- descongelamento, com a ampicilina e com o tipo de matriz.

Transformações polimórficas no fluconazol foram estudadas utilizando as técnicas de DSC, difração de raios-X e infravermelho por Desai et al (2003). O fluconazol exibiu um ponto de fusão em 138,4 ºC. Após resfriamento e reaquecimento observou-se um pico de pequena intensidade em 81 ºC e outro pico em 135,3ºC, além de um pico ainda menor em 31 ºC, que pode ser atribuído a uma transição vítrea. Conclui- se que após a fusão do fluconazol I formou-se uma massa amorfa, que após reaquecimento acima de 81ºC transformou-se em fluconazol II, que subseqüentemente mudou para o fluconazol I na fusão.

Os estudos de compatibilidade realizados por Souza et al (2002), sobre misturas de fármacos, pré-formulados e comprimidos de cimetidina por TG e DSC acoplado ao sistema fotovisual, mostraram que os excipientes, microcel e explocel, não produzem mudanças no comportamento térmico da cimetidina. Este fato foi confirmado por DSC acoplado ao sistema fotovisual.

Estudos de compatibilidade térmica também foram realizados por Desai et al (2003), no qual avaliaram a compatibilidade química dos fármacos etamisilato e fluconazol com lactose por DSC e difração de raios-X. Os estudos mostraram que tanto a mistura etamisilato-lactose como fluconazol-lactose são imcompatíveis a altas temperaturas. E os perfis de difração de raios-X dos fármacos e da lactose e das misturas preparadas à temperatura ambiente também mostraram incompatibilidade de ambos os fármacos com lactose.

Medeiros et al (2001) usaram DSC para determinar os parâmetros térmicos da prednisona e comprimidos. A análise dos dados de DSC sugere interações químicas entre prednisona e os excipientes dos comprimidos A e B, adquiridos no comércio local, devido alterações na temperatura de fusão da prednisona.

Devireddy et al (2002) determinaram experimentalmente a magnitude e dinâmica do calor latente durante refrigeração de 14 diferentes sistemas aquosos carregados de solutos pré-nucleados usando a calorimetria exploratória diferencial. Os experimentos de DSC foram realizados em 1, 5 e 20 ºC/min. para determinar a cinética de cristalização no gelo. A magnitude total do calor latente de fusão é encontrada por ser independente da razão de resfriamento.

Van Der Mooter et al (2001) determinaram a estabilidade física de cetoconazol amorfo em dispersões sólidas com PVPK25, usando DSC. Eles concluíram que o mecanismo do efeito protetor não é causado por interações fármaco-polímero, mas devido a efeito do polímero antiplastificante, assim aumentando a viscosidade do sistema binário e diminuindo a difusão das moléculas do fármaco necessário para formar um retículo.

Segundo Marciniec et al (2004) utilizando DSC, foi possível perceber diminuições na temperatura de fusão e valor de entalpia do miconazol e fluconazol, entre outros fármacos antifúngicos, após serem submetidos à irradiação. O objetivo deste trabalho foi determinar quais substâncias podem ser submetidas à irradiação como processo de esterilização sem perda da sua estabilidade.

Outros trabalhos utilizaram a calorimetria exploratória diferencial para caracterização de complexos entre cetoconazol e ciclodextrina e sua influência nas propriedades físico-químicas e biofarmacêuticas (TANERI et al, 2002,2003).

Mudanças nas propriedades físico-químicas do cetoconazol, seguidos por mudanças polimórficas causadas por processos de fusão-resfriamento ou por recristalização em solventes comumente usados na indústria farmacêutica, foram medidas por DSC, infravermelho, difração de raios-X e HPLC. Os resultados mostraram mudanças na temperatura de pico das diferentes recristalizações e mudanças nos seus perfis de difração de raios-X. HPLC mostrou uma diminuição na solubilidade das diferentes recristalizações (VISERAS et al, 1995).

1.4.2 Termogravimetria

É uma técnica térmica que examina mudanças de massa da amostra como uma função da temperatura ou tempo (HATAKEYAMA, 1997).

Termogravimetria provê informações sobre uma variedade de investigações químicas, incluindo: (KEATTCH & DOLLIMORE, 1975)

♦ Calcinação;

♦ Atividade catalítica;

♦ Decomposição;

♦ Avaliação de precipitados gravimétricos;

♦ Higroscopicidade;

♦ Identificação;

♦ Cinética;

♦ Estabilidade oxidativa e redutora;

♦ Pureza;

♦ Reações no estado sólido;

♦ Absorção (e desorção);

♦ Sublimação;

♦ Estabilidade térmica;

♦ Vaporização.

Fatores tais como massa da amostra, volume e forma física, o tamanho e a natureza da amostra, a natureza e a pressão da atmosfera em que estará a amostra e a razão de aquecimento, tem influência importante nas características da curva termogravimétrica registrada (KEATTCH & DOLLIMORE, 1975).

Estabelecer condições ótimas para análise termogravimétrica freqüentemente requer muitos testes preliminares. É essencial para um trabalho correto de termogravimetria que as condições experimentais sejam registradas e que dentro de um dado grupo de amostras as condições ótimas sejam padronizadas e mantidas no curso dos experimentos. Somente assim, as curvas termogravimétricas de diferentes experimentos podem ser comparadas de um modo significativo (HATAKEYAMA, 1997).

As curvas termogravimétricas são normalmente apresentadas como uma mudança de massa (∆m) expressa com uma percentagem no eixo vertical e temperatura (T) ou tempo (t) no eixo horizontal. Uma representação esquemática de uma reação num único estágio é observada na figura 01.

Figura 01 – Curva termogravimétrica dinâmica numa única etapa.

A reação é caracterizada por duas temperaturas, Ti e Tf, temperatura inicial ou

temperatura de decomposição e temperatura final, respectivamente.

Instrumentos modernos de uso comercial de termogravimetria consistem de:

♦ Uma balança analítica sensível – vários modelos de microbalanças estão disponíveis comercialmente incluindo suporte, espiral, em balanço e balanças de torsão (HATAKEYAMA, 1997). Fornecem informações quantitativas sobre a variação de massa da amostra de 1mg-100g, sendo que o tipo mais comum de balança mede de 05 a 20mg (SKOOG, 1998). A maioria das balanças se baseia no princípio da balança do nulo, operando continuamente em equilíbrio, pois os eventuais deslocamentos do travessão são detectados por um arranjo do feixe luminoso e o restabelecimento ocorre através da força de um motor de torque magnético (HATAKEYAMA, 1997).

♦ Um forno - a variação de temperatura para muitos fornos da TG é da temperatura ambiente a 1500 ºC. Porém existem outros fornos que podem operar entre 1600- 2400 ºC. A temperatura do forno e da amostra é determinada através de um par termoelétrico e o sensor deve estar localizado próximo da amostra (HATAKEYAMA, 1997). Isolamento e resfriamento do exterior do forno é requerido para evitar transferência de calor para a balança (SKOOG, 1998).

Tinicial

♦ Um sistema de gás de purga para promover uma atmosfera inerte - a atmosfera que circunda a amostra pode ser controlada, possibilitando trabalhar com atmosfera estática ou dinâmica à pressão ambiente, sob pressão ou a vácuo. Os gases utilizados podem ser inertes (nitrogênio, argônio), oxidantes (oxigênio) ou corrosivos (YOSHIDA, 1993).

♦ Um microcomputador/microprocessador para controle instrumental e aquisição de dados e exposição – a temperatura registrada na curva termogravimétrica é idealmente a temperatura atual da amostra.

Os métodos termogravimétricos são classificados em: dinâmico, isotérmico e quase-isotérmico.

♦ Dinâmico – neste método a perda de massa é registrada continuamente a medida em que a temperatura aumenta. Este método tem sido muito utilizado para o estudo de decomposição térmica (MEDEIROS, 2001).

♦ Isotérmico – neste método a variação de massa da amostra é registrada em função do tempo, mantendo-se as temperaturas constantes, sendo utilizado em trabalhos cinéticos (YOSHIDA, 1993).

♦ Quase-isotérmico – a partir do momento em que se começa à perda de massa da amostra (∆m≠0), a temperatura é mantida constante até que a massa se estabilize novamente (∆m = 0), assim recomeça-se o aquecimento e este procedimento pode ser repetido em cada etapa de decomposição (CONCEIÇÃO, 2000).

1.4.2.1 Aplicações da termogravimetria

A termogravimetria, por exemplo, é utilizada para determinar a estabilidade dos medicamentos, determinar a cinética de decomposição de sólidos, além de propor o tempo de vida útil de formas farmacêuticas a partir da velocidade média de degradação para cada temperatura experimental.

Macedo (1996) definiu a termogravimetria como um método analítico, quantitativo e comparativo, capaz de produzir resultados rápidos e reprodutíveis podendo ser utilizada no controle de qualidade de medicamentos, visando à análise global da qualidade do produto final e na determinação de parâmetros de qualidade tecnológico de medicamentos.

Medeiros (2001) determinou as constantes de decomposição do acetaminofen utilizando os dados da termogravimetria isotérmica, revelando que a técnica pode ser aplicada nos estudos de estabilidade.

Macêdo & Nascimento (2002) observaram o comportamento térmico de pré- formulado de tiabendazol e comprimidos por TG e DSC acoplado ao sistema fotovisual. Os estudos de estabilidade térmica mostraram que os comprimidos de tiabendazol apresentaram menor estabilidade do que a matéria-prima do tiabendazol. Os dados revelaram que o tiabendazol sofre decomposição térmica a temperaturas mais baixas do que o ponto de fusão. Este fato foi confirmado por DSC acoplado ao sistema fotovisual.

Macêdo & Nascimento (2001), estudaram a caracterização térmica do lapachol por meio de TG e DSC acoplado ao sistema fotovisual. Os dados de DSC demonstraram boa compatibilidade entre o lapachol e excipientes no lapachol formulado, não revelando impurezas de produtos secundários e processos de recristalização. Estes dados foram confirmados por DSC acoplado ao sistema fotovisual.

Souza, F. S., Macedo, R.O. e Veras, J. W. E. (2002) estudaram a compatibilidade de misturas pré-formuladas fármaco-excipiente e comprimidos de cimetida por TG e verificaram que os excipientes microcel e explocel não produziram mudanças no comportamento térmico da cimetidina. Este fato foi confirmado pelo sistema de DSC fotovisual.

Gomes et al (2002) mostraram através dos dados termogravimétricos que o processo de decomposição da ampicilina é de ordem zero. Neste trabalho foram avaliados o fármaco ampicilina e três formulações obtidas no comércio local, no qual observou-se que as constantes a 30 ºC mostraram a seguinte ordem de estabilidade: Produto C > Produto D > Fármaco > Produto A.

Han, J. e Suryanarayanan, R. (1999) desenvolveram um método cinético simples para avaliar rapidamente a estabilidade física de hidratos farmacêuticos. Termogravimetria e difração de raios-X foram usadas para estudar a desidratação da amoxicilina triidratada. A relação entre a constante de velocidade de desidratação, k, e a pressão de vapor da água, p, foi descrita pela equação: k = k0 x (1 – p/pt), onde k0 é a

constante de velocidade na qual a pressão de vapor da água é 0Torr e pt é a pressão de

vapor de transição da água na temperatura estudada.

Yamamura et al (2002) prepararam precipitados amorfos de sistemas binários de cimetidina e diflunisal e estudaram suas propriedades físico-químicas por RMN e TG-

DTA. O sistema binário de cimetidina e diflunisal foi encontrado por ser amorfo em precipitados obtidos de solução de etanol, sem aquecer ou fundir. Os dados de TG-DTA equipado com espectômetro de massa mostraram descarboxilação do diflunisal acima da temperatura de fusão. As mudanças nos deslocamentos químicos de RMN sugerem que foi formado um sal entre cimetidina e diflunisal, cuja solubilidade é maior que os fármacos intactos.

Huang et al (2001) realizaram um estudo de análise térmica do fármaco captopril usando uma unidade simultânea de TG-DTA. Os autores realizaram experimentos isotérmicos e não-isotérmicos a fim de investigar o processo de degradação térmica do captopril. Os dados mostraram que o captopril fundiu a 106 ºC seguido por decomposição. Os dados cinéticos para o método de ajuste mostraram que o processo de primeira ordem dá uma boa correlação para a equação de Arrhenius em condições experimentais específicas (pouca quantidade de amostra). Entretanto, um processo de segunda ordem seguido por uma reação de primeira ordem para o processo de decomposição principal do captopril mostrou um ajuste bem melhor dos experimentos.

Há alguns anos se procurou demonstrar e validar métodos para medir pressão de vapor. Estes métodos incluem medidas diretas como o manômetro (MCDOWELL, 1972), o uso de espectrometria de massa para monitorar a concentração de fase gasosa de espécies voláteis (RIBEIRO da SILVA et al, 1990), medir volatilização de amostras por difusão a vácuo numa célula de Knudsen e determinação do ponto de ebulição sob pressões reduzidas (GOODRUM e SIESEL, 1996).

Recentemente, Prices e Hawkins (1998) mostraram as características de evaporação de tinturas usando TG. Os autores determinaram as curvas de pressão de vapor das tinturas, utilizando a equação de Langmuir.

Evaporação pode ser definida como uma transição da fase líquida para a fase de vapor, sem mudança na composição química. Fatores tais como a pressão de vapor de uma substância, peso molecular, quantidade de área de superfície exposta, etc. podem alterar o perfil de evaporação. O fator primário que influencia, entretanto, são as condições de aumento da temperatura na qual a amostra é submetida. Os parâmetros de evaporação podem ser determinados pela razão de perda de massa como uma substância sofre uma transição de fase de líquido para vapor. Isto pode ser alcançado com o programa de aumento da temperatura na análise termogravimétrica (HAINES, 1995).

Chartejee et al (2001) desenvolveram um método para avaliar as características de evaporação de um ingrediente na formulação através do método termogravimétrico, usando a equação de Antonie como ferramenta analítica.

As curvas de pressão de vapor por termogravimetria foi utilizada como método conveniente e rápido na caracterização de outros sólidos farmacêuticos. Os compostos estudados por Chartejee et al (2002) foram o orto-, meta- e para-derivados dos ácidos hidróxi- e amino- benzóico.

Menon et al (2002) estudaram o fenômeno de sublimação do ácido nicotínico, no qual utilizando a equação de Langmuir foi construída as curvas de pressão. Três diferentes aproximações foram usadas para calcular os valores de pressão. Na primeira aproximação, o termo ‘k’ da equação de Langmuir foi eliminado para comparar a amostra com o composto referência. Na segunda aproximação, o valor atual do termo ‘k’ foi usado e na terceira aproximação, o termo ‘k’ foi mantido constante. Os resultados mostraram que as curvas de pressão com o valor de ‘k’ da primeira e segunda aproximação foram próximos, logo não se pode assumir um valor de ‘k’ constante neste caso.

Burnham et al (2001) demonstraram as características de evaporação para o fármaco alopurinol. Eles verificaram que o alopurinol sublima quando submetido a termogravimetria em atmosfera de nitrogênio. O processo é de ordem zero e o gráfico de lnK versus 1/T(K) dar um valor de energia de ativação de 132.64KJ mol-1.

O comportamento térmico da acetanilida e dois de seus análogos, chamados de para-etoxiacetanilida e para-bromoacetanilida, que são usados como analgésicos na indústria farmacêutica foram estudados com uma unidade simultânea de TG/DSC. Os dados de DSC mostraram dois picos endotérmicos referentes à fusão e vaporização. O valor de k da acetanilida foi determinado através da equação de Antonie. Assim, determinaram-se às curvas de pressão de vapor dos análogos para-etoxiacetanilida e para-bromoacetanilida (STEFANO et al, 2004).

As propriedades de evaporação do ácido adípico, trietanolamina e ácido glicólico foram estudados por análise térmica. O ácido benzóico foi usado para calcular a constante de calibração que pode ser inserida na equação de Langmuir modificada para determinar as curvas de pressão de vapor para ácido adípico, trietanolamina e ácido glicólico (WRINGT et al, 2004).

As técnicas térmicas também são importantes na determinação da pressão de vapor e entalpia de vaporização de componente de fragrância, como o álcool de cinamil (SOROKINA et al, 2002), e na caracterização de óleos essenciais e seus componentes chave (HAZRA et al, 2004).

As principais vantagens do método termogravimétrico usado para construir às curvas de pressão de vapor são: (CHARTTERJEE, K.; DOLLIMORE, D. e ALEXANDER, K., 2001)

1. Quantidades pequenas de amostras, normalmente entre 05-10mg. 2. O tempo de experimento efetivo é relativamente curto.

3. A validação com os resultados experimentais atuais calculados através de métodos tradicionais é bastante preciso.

O método para construção das curvas de pressão de vapor usando TG é somente válido para processos de ordem zero. Assim, é possível determinar a ordem para a cinética de reação de evaporação para ordem zero utilizando a equação de Arrhenius (HAZRA et al, 2004) que segue:

kvap = Ae-Evap/RT (2)

em que Evap é a energia de vaporização, A é o fator pré-exponencial, R é a

constante universal dos gases, T é a temperatura absoluta e kvap é o coeficiente de

evaporação.

A determinação dos valores da pressão de vapor para um sistema de componente simples é validada com o uso de duas equações, de Antoine e de Langmuir.

A equação de Antoine (HAZRA et al, 2004) é apresentada como se segue:

logP = A – B ( T + C ) (3)

em que P é a pressão de vapor, em Pa, T é a temperatura absoluta, em Kelvin, e

A, B e C são as constantes empíricas de Antoine, sob um dado intervalo de temperatura

presentes no Handbook of the Thermodynamics of Organic Compounds (STEPHENSON E MALAMOWSKI, 1987). As constantes de Antoine são empíricas e

nenhum significado físico pode ser atribuído aos dados dela, mas podem ser usadas para definir a pressão de vapor num intervalo de temperatura especificado.

Nem sempre se têm as constantes de Antonie para todos os compostos, desta forma é possível utilizar um composto cujas constantes já são bem definidas e utilizá-lo para calibração. Isto é feito construindo às curvas de pressão do composto utilizando as constantes de Antonie e determinando o valor de ‘k’ da equação de Langmuir que é apresentada a seguir: (HAZRA et al, 2004)

dm/dt = Pα (M/2πRT) (4)

em que (dm/dt) é a velocidade de perda de massa por unidade de área, P é a pressão de vapor, α é a constante de vaporização e M é a massa molar do vapor de vaporização.

A equação de Langmuir pode ser modificada para obter os valores de pressão de vapor de vários componentes simples.

A seguinte modificação pode ser feita: (HAZRA et al, 2004)

P = [α -1(2πR)1/2] . [(T/M)1/2(dm/dt)] = k.υ (5)

em que k = α -1(2πR)1/2 e υ = (T/M)1/2(dm/dt) (6) e (7)

O valor de k é considerado constante num determinado intervalo de temperatura pois π e R são constantes, bem como α que é uma constante e que define o comportamento de vaporização, independente do material utilizado. Já υ não é constante pois apresenta os valores de T que corresponde a um intervalo crescente de temperatura e M que corresponde a massa em mg a ser vaporizada no respectivo intervalo de temperatura, apesar de dm/dt definir a variação de perda de massa num intervalo específico que é considerado constante.

A partir desta conclusão é possível obter os dados para o padrão nas várias condições ambientais e utilizar os dados de perda de massa de um intervalo específico de temperatura, adicionar na equação modificada e construir os gráficos de P versus υ, cuja equação da reta dá o valor de k. O valor de k define um comportamento constante atribuído ao padrão num intervalo específico que apresenta uma característica de perda