키워드: 분말 유변학, 벽면 마찰, CMC, 수분, 접착력
RH129-KO
초록
분말 유변학은 제약 정제의 제 및 공정 조건 최적화 시 유용한 도구입니다. 벽면 마찰각은 분말과 정제 펀치 물질 사이에 존재하는 접착력을 측정하는 데 사용할 수 있으며, 각도가 클수록 벽면 마찰 및 접착력이 높아집니다. 이러한 접착력은 정제의 고착을 유발할 수 있으며, 벽면 마찰력의 측정은 제형 또는 환경 조건이 고착에 미치는 영향을 파악하는 데 이용할 수 있습니다. 본 연구에서는 정제 제형에서 부형제로 사용되는 카복시메틸 셀룰로오스 분말의 벽면 마찰에 수분 함량과 피착재가 미치는 영향에 관하여 조사합니다.
서론
정제 고착 현상은 제약 업계에서 가장 흔한 제조상의 난관 중 하나입니다. 입자와 펀치면 사이의 접착력이 분말의 입자 간 응집력보다 클 때 발생하며, 그 결과 분말이 정제 펀치에 달라붙게 됩니다. 과립이 펀치에 달라붙으면 그 후 제작되는 정제에 결함이 발생하며, 해당 문제를 해결하느라 생산에 지장이 생기게 됩니다. 고착 현상은 제조 조건, 정제 디자인, 제형을 포함하는 다양한 요인에 영향을 받습니다[1] [2]. 부형제 분말은 고착의 원인이 될 수 있으므로 고착을 줄이기 위해 제형을 최적화해야 합니다. 연구자와 제조업체는 분말 유변학 측정법이 고착 및 이를 최소화하기 위한 제형을 파악하는 데 유용한 도구라는 사실을 알게 되었습니다[2] [3].
분말 유변학은 물질의 전단 및 유동 특성을 측정합니다. 전단 측정법은 분말의 응집력을 측정하는 데 사용할 수 있는 반면 벽면 마찰각은 피착재에 대한 분말의 접착력에 관한 통찰력을 제공합니다. 벽면 마찰각이 감소하면 표면에 대한 접착력이 감소합니다. 이전 연구에서 일반적으로 사용되는 부형제인 카복시메틸 셀룰로오스(CMC)의 응집력에 수분이 미치는 영향을 조사했습니다[4]. CMC는 자체의 흡습성으로 인해 주변 환경에서 수분을 흡수하여 정제 고착에 영향을 미칠 수 있습니다[5]. 전단 측정을 통해 수분 함량이 증가하면 응집력도 증가한다는 사실을 발견했습니다. 본 연구에서는 그림 1에 나타나 바와 같이 TA Instruments의 Discovery 하이브리드 레오미터용 분말 부속품을 이용하여 수분이 CMC 분말의 벽면 마찰력에 미치는 영향을 연구했습니다.
실험
Deiman USA에서 제조한 상업용 CMC 분말을 수령한 그대로 습도 챔버에서 컨디셔닝한 후 테스트했습니다. 수분 함량은 열중량 분석(TGA)을 통해 파악했습니다. 백금 팬의 질소 하에 램프 속도 20 °C/분으로 TA Instruments Discovery TGA 5500를 사용하여 중복 측정을 수행했습니다. 수분 함량을 파악하기 위해 225 °C에서 중량 감소를 확인했습니다.
샘플의 분말 유변학 측정을 위해 상온 조건에서 TA Instruments Discovery HR30를 사용했습니다. 벽면 마찰용 부속품을 분말 전단 셀과 함께 사용했습니다. 교체 가능 플레이트를 사용하면 다양한 물질에 대한 벽면 마찰력을 측정할 수 있습니다. 본 연구에서는 제약 공정용 장비에 가장 흔히 사용되는 소재인 표준 스테인리스 플레이트를 사용하여 벽면 마찰력 측정을 수행했습니다[6]. 또한 피착재 소재가 벽면 마찰에 미치는 영향을 조사하기 위해 맞춤형 아세탈 플라스틱 플레이트를 사용하여 테스트를 진행했습니다. 샘플을 셀에 로딩한 후 9 kPa에서 성형하고 트리밍했습니다. 로딩 및 트리밍 절차에 관한 자세한 내용은 이전 연구에서 확인할 수 있습니다[7]. 샘플 성형 과정을 포함한 벽면 마찰력 측정용 TRIOS 프로그래밍은 그림 2에 나와 있습니다.
벽면 마찰각은 TRIOS 분말 소프트웨어를 사용하여 측정합니다. 절차의 사전 전단 및 전단 단계에 정상 응력 분석을 적용해, 각 단계 종료 시의 응력값을 생성합니다. 그 후 테스트 지점이 벽면 마찰력 요약에 컴파일됩니다. 이러한 데이터 포인트를 사용해 응력 대비 수직 응력 그래프를 생성합니다. 벽면 항복 궤적 분석을 통해 그림 3과 같이 가장 적합한 선을 생성합니다. 벽면 마찰각은 항목 궤적선과 x축 사이의 각도입니다.
결과 및 논의
TGA로 수행한 분석 결과 표 1과 같이 수령한 분말의 수분 함량은 9.3%이며 습도 조건 하 분말의 수분 함량은 22.3%이었습니다.
CMC의 벽면 마찰 결과는 그림 4에 표시되어 있으며, 표 2에 벽면 마찰각으로 요약되어 있습니다.
표 1. 수분 컨디셔닝 유무에 따른 CMC 분말의 TGA 분석 결과.
| 받은 그대로의 수분 함량(%) | 컨디셔닝 수분 함량(%) | |
|---|---|---|
| 1 | 9.24 | 22.66 |
| 2 | 9.28 | 21.95 |
| 평균 | 9.26 ± 0.02 | 22.31 ± 0.36 |
수분 함량이 9.3% 및 22.3%인 두 CMC 모두 벽면 마찰각은 아세탈이 높고 스테인리스 스틸이 더 낮았으며, 이는 아세탈 소재에 대한 분말의 접착력이 더 높다는 사실을 의미합니다. 수분 함량이 높으면 아세탈 소재와 스테인리스 스틸 모두 벽면 마찰각이 커집니다. CMC 샘플 간 차이는 아세탈 소재의 각도가 약 0.6°, 스테인리스 스틸 소재의 각도가 약 3.1° 차이가 있으며, 이는 아세탈의 수분에 대한 민감도가 전반적으로 낮은 것을 나타냅니다. 스테인리스 스틸의 낮은 벽면 마찰각은 CMC 분말이 아세탈 소재에 비해 스테인리스 스틸 소재에 덜 달라붙는다는 사실을 의미하며, 스테인리스 스틸에 대한 접착력이 수분에 더욱 민감합니다. 건조 분말용으로 스테인리스 스틸을 이용한 공정을 설정한 경우, 수분에 추가로 노출된 배치에서 고착 현상이 일어날 수 있으므로 습도 제어가 중요할 것입니다. 아세탈 소재는 벽면 마찰이 덜 민감하여 아세탈 장비를 사용하면 습식 및 건조 분말 공정 시 일관성을 높일 수 있지만, 시스템 전반에 걸쳐 벽면 고착 현상이 더 많이 발생하는 경향이 있으므로 시험 실행을 통해 고착 현상의 영향이 없는 것을 확인해야 합니다.
표 2. 아세탈(플라스틱) 및 스테인리스 스틸(SST) 부착으로 측정한 수분 함유 9.3% 및 23.3%인 CMC 분말의 벽면 마찰각 결과.
| 9.3% | 22.3% | |||
|---|---|---|---|---|
| 플라스틱 (°) | SST (°) | 플라스틱 (°) | SST (°) | |
| 1 | 14.6 | 8.4 | 14.7 | 11.9 |
| 2 | 14.1 | 8.2 | 15.0 | 11.3 |
| 3 | 14.0 | 8.7 | 14.8 | 11.4 |
| 평균 | 14.2 ± 0.3 | 8.4 ± 0.2 | 14.8 ± 0.1 | 11.5 ± 0.3 |
결론
교체 가능한 스테인리스 스틸 및 아세탈 플레이트와 TA Instruments 분말 유변학 벽면 마찰용 부속품을 이용하여 수분 컨디셔닝 유무에 따른 CMC 분말을 테스트했습니다. 결과는 공정 조건, 분말 배치 간 품질 관리에 도움이 될 수 있는 통찰력을 제공하고 제형의 차이에 대한 민감도를 감지합니다. 벽면 마찰각 측정을 통해, 두 가지 분말 모두 아세탈 소재의 경우 각이 더 크고 스테인리스 스틸 소재의 경우 각이 작다는 사실을 발견했습니다. 수분 함량이 높으면 아세탈 소재와 스테인리스 스틸 측정 결과 모두에서 벽면 마찰각이 커졌습니다. 스테인리스 스틸의 측정값은 수분에 더 민감했으므로, 환경 조건이 잘 제어되지 않거나 분말 배치의 수분 함량이 다를 경우 생산 중 접착 특성이 변화할 수 있습니다.
참고문헌
- B. V. Parekh, J. S. Saddik, D. B. Patel and R. H. Dave, “Evaluating the effect of glidants on tablet sticking propensity of ketoprofen using powder rheology,” International Journal of Pharmaceutics, vol. 635, 2023.
- C. Lanzerstorfer, C. Forisch and D. Heim, “Reduction of Wall Friction of Fine Powders by Use of Wall Surface Coatings,” Coatings, vol. 427, 2021.
- J. S. Saddick and R. H. Dave, “Evaluation of powder rheology as a potential tool to predict tablet sticking,” Powder Technology, vol. 386, pp. 298-306, 2021.
- J. R. Vail, K. Dennis and T. Chen, “Effect of Moisture on Cohesion Strength of,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- D. Z. L. Ng, A. Z. Nelson, G. Ward, D. Lai, P. S. Doyle and S.A. Khan, “Control of Drug-Excipient Particle Attributes with Droplet Microfluidic-based Extractive Solidification Enables Improved Powder Rheology,” Pharmaceutical Research, vol. 39, pp. 411-421, 2022.
- B. C. Hancock, “The Wall Friction Properties of Pharmaceutical Powders, Blends, and Granulations,” vol. 108, pp. 457-463, 2019.
- J. R. Vail and S. Cotts, “Powder Rheology of Lactose: Impacts of powder morphology on performance of pharmaceutical excipients,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
감사의 말
이 문서는 TA Instruments의 Kimberly Dennis 박사와 Jennifer Vail 박사가 작성했으며 Gray Slough 박사가 열 관련 지원을 제공했습니다.
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