JATKUVATOIMISEN TABLETINVALMISTUKSEN REAALIAIKAINEN LAADUNVARMISTUS
– NIR-spektroskopian soveltaminen rullapuristuksen monitoroinnissa
Kalle Puranen
Proviisorin koulutusohjelma Itä-Suomen yliopisto
Terveystieteiden tiedekunta
Farmasian laitos/farmasian teknologia 19.3.2021
Itä-Suomen yliopisto, Terveystieteiden tiedekunta Farmasian laitos
Proviisorin koulutusohjelma
Puranen, Kalle E.: Jatkuvatoimisen tabletinvalmistuksen reaaliaikainen laadunvarmistus – NIR-spektro- skopian soveltaminen rullapuristuksen monitoroinnissa
Opinnäytetutkielma, 112 sivua, 6 liitettä (6 sivua)
Tutkielman ohjaajat: tutkijatohtori Tuomas Ervasti, nuorempi tutkija Jenna Lyytikäinen Maaliskuu 2021
Asiasanat: rullapuristus, lähi-infrapunaspektroskopia, jatkuvatoiminen valmistus, tabletti, rakeistus
Viimeisten vuosikymmenten aikana jatkuvatoiminen valmistus on useiden etujensa, kuten joustavuu- tensa, säästöjen ja tehokkuutensa, ansiosta noussut yhä suositummaksi vaihtoehdoksi eräkohtaiselle valmistukselle myös lääketeollisuudessa. Jatkuvatoimisessa valmistusprosessissa tuotteen laadusta tu- lee varmistua jo valmistusprosessin aikana reaaliaikaisia laadunvarmistusmenetelmiä, kuten NIR-spekt- roskopiaa, käyttämällä. Myös kuivarakeistusmenetelmänä käytetyn rullapuristuksen monitorointi on tärkeää, sillä rakeiden laatu määrittää usein niistä puristettavien tablettien laadun.
Tutkielman kirjallisessa osiossa käsitellään jatkuvatoimista valmistusta ja perehdytään NIR-spektrosko- pian teoriaan sekä sen soveltamiseen tabletinvalmistuksen monitoroinnissa. Kokeellisessa osiossa ta- voitteena oli integroida in-line-NIR-mittapää rullapuristimen sisään, ja selvittää, voidaanko sillä havaita erot puristettujen nauhojen tiheydessä ja lääkeainepitoisuudessa PCA- ja PLS-kalibraatiomalleja käyt- tämällä. Työssä suoritettiin pelkästä apuaineesta koostuville sekä parasetamolia sisältäneille (5, 10 ja 20 m/m-%) jauheseoksille rullapuristusajot, joissa puristettavan nauhan tiheyttä säädeltiin syöttöruu- vin pyörimisnopeutta muuttamalla.
Työssä käytetty nauhaa anturia vasten painanut ohjain ja in-line-NIR-menetelmä todettiin toimiviksi nauhan tiheyden ja pitoisuuden kuvaamisessa rullapuristusprosessin aikana. Kuitenkin erityisesti suu- remmilla puristusvoimilla PLS-mallilla määritetyissä arvoissa havaittiin hajontaa mahdollisesti mit- tausetäisyyden vaihtelun ja valon sironnan kasvamisen seurauksena. Mittausetäisyys tulisi pyrkiä pitä-
mään vakiona ja puristamattoman jauheen virtaus rullavälin läpi tulisi minimoida, jotta riittävän laa- dukkaasta spektridatasta, ja siten laadukkaasti toimivasta mallista voitaisiin varmistua. Työn tulosten perusteella NIR-spektroskopia on lupaava menetelmä rullapuristusprosessin monitorointiin.
University of Eastern Finland, Faculty of Health Sciences School of Pharmacy
Master of Science in Pharmacy program
Puranen, Kalle E: Real-time quality assurance in continuous tablet manufacturing – NIR spectroscopy in monitoring of roller compaction process
Thesis, 112 p, 6 appendices (6 p.)
Supervisors: Postdoctoral researcher Tuomas Ervasti, Early stage researcher Jenna Lyytikäinen March 2021
Keywords: roller compaction, near-infrared spectroscopy, continuous manufacturing, tablet, granula- tion
Over the last few decades, continuous manufacturing has appeared as a popular alternative to tradi- tional batch-based manufacturing also in pharmaceutical industry due to its improved flexibility, cost- savings and efficiency. Product quality must be assured already during the manufacturing process by using real-time quality assurance methods, such as near-infrared spectroscopy. Monitoring of a dry granulation method like roller compaction is also important, since the quality of the granules often determines the quality of the tablets compressed from them.
The literature review of this thesis discusses continuous manufacturing and covers the theory of NIR spectroscopy, and its applications in monitoring tablet manufacturing. The aim of the experimental part of this thesis was to integrate an in-line-NIR-probe into a roller compactor, and to determine whether it can be used to detect differences in density or API content of the ribbon by using PCA and PLS calibration models. Roller compaction runs were performed on powder mixtures containing pure excipients only, and to mixtures containing paracetamol (5, 10, and 20 w/w-%), and the density was adjusted by changing the feed screw speed.
The controller which directed the ribbon against the NIR probe and the in-line NIR method were found to function with good predictive power with ribbon density and API content during the roller compaction process. However, especially at higher compaction pressures some deviations from values predicted by the PLS models were observed, possibly due to varying measurement distance and in-
creased light scattering. The measurement distance should be held constant, and the flow of uncom- pressed powder should be minimized to ensure that the spectral data is of sufficient quality, and therefore to ensure a high quality, functioning model. Based on the results of the thesis, NIR spectros- copy is a promising method in monitoring roller compaction process.
Esipuhe
Tämä opinnäytetyö on tehty Itä-Suomen yliopiston Farmasian laitokselle farmasian teknologian oppi- aineelle syksyn 2020–talven 2021 aikana. Farmasian teknologian oppiaineesta haluan kiittää ohjaajiani Tuomas Ervastia ja Jenna Lyytikäistä, jotka olivat paikalla erikoistyöosiota tehdessäni, ja jotka tarkoilla ja motivoivilla kommenteillaan auttoivat minua edistymään tekstini kirjoittamisessa.
Kiitokset kuuluvat myös puolisolleni Marille, joka auttoi minua jaksamaan etäopiskelupainotteisen tal- ven yli.
Leppävirralla maaliskuussa 2021 Kalle Puranen
Lyhenteet
CPP Kriittinen prosessiparametri CQA Kriittinen laatuominaisuus
FDA Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (Food and Drug Administration) FT-NIR Fourier-muunnokseen pohjautuva lähi-infrapunaspektroskopia
HPLC Korkean erotuskyvyn nestekromatografia (High Performance Liquid Chromatography) MgSt Magnesiumstearaatti
MLR Multilineaarinen regressioanalyysi
MSC Multiplikatiivinen sironnankorjaus (Multiplicative Scatter Correction) NIR Lähi-infrapunaspektroskopia (Near-infrared Spectroscopy)
NIR-CI Lähi-infrapuna kemiallinen kuvantaminen PAT Prosessianalyyttiset teknologiat
PbS Lyijysulfidi
PCA Pääkomponenttianalyysi (Principal Component Analysis) PCR Pääkomponenttiregressioanalyysi
PK Pääkomponentti pääkomponenttianalyysissa
PLS Osittaisen pienimmän neliösumman menetelmä (Partial Least Squares) QbD Quality by design
R2 Korrelaatiokertoimen neliö
RMSEC Kalibraatiosuoran keskineliövirheen neliöjuuri RMSECV Ristivalidaatiosuoran keskineliövirheen neliöjuuri RPM Kierrosta minuutissa
RTD Viipymäaikajakauma (Residence Time Distribution) SIMCA Soft Independent Modelling of Class Analogy SNV Standard Normal Variate -normalisaatiomenetelmä UV/Vis Ultravioletti/näkyvän valon aallonpituusalue
Sisällys
I Kirjallinen osio ... 11
1 Johdanto ... 11
2 Jatkuvatoiminen lääkkeenvalmistus ... 13
2.1 Eräkohtaisesta jatkuvatoimiseen valmistukseen ... 13
2.2 Jatkuvatoimisen valmistuksen edut ja haasteet... 14
2.3 Yksikköprosessit tabletinvalmistuksessa ... 15
2.3.1 Sekoitus ... 15
2.3.2 Märkärakeistus ... 16
2.3.3 Märkärakeistettujen rakeiden kuivaus ... 17
2.3.4 Rullapuristus ... 17
2.3.5 Tabletointi ja päällystäminen ... 20
2.4 Laaduntarkkailu, Quality-by-Design (QbD) ja prosessianalyyttiset teknologiat (PAT) ... 21
2.5 Kontrollistrategia ... 22
3 Lähi-infrapunaspektroskopia ... 24
3.1 Teoria ... 24
3.1.1 Harmoninen ja epäharmoninen oskillaattori ... 24
3.1.2 Fermi- ja Darling-Dennison resonanssit ... 26
3.2 Laitteisto ... 26
3.2.1 Dispersiivinen NIR-laitteisto ... 27
3.2.2 FT-NIR ... 28
3.3 NIR-laitteisto farmaseuttisessa analyysissa ... 30
3.4 Kemometriset menetelmät ... 31
3.4.1 Datan esikäsittely ... 31
3.4.2 Monimuuttujamenetelmät ... 31
4 Lähi-infrapunaspektroskopia tabletinvalmistuksessa ... 33
4.1 Lähi-infrapunaspektroskopian edut ja heikkoudet farmaseuttisessa tuotannossa ... 33
4.2 NIR-spektroskopia yksikköprosessien monitoroinnissa ... 34
4.2.1 Sekoitusprosessi ... 34
4.2.2 Märkärakeistus ja rakeiden kuivaus ... 35
4.2.3 Kuivarakeistus ... 38
4.2.4 Tablettien analyysi ... 40
4.2.5 Päällystäminen ... 42
4.3 NIR-analyysi jatkuvatoimisessa valmistuksessa ... 42
II Kokeellinen osio ... 46
5 Tutkimuksen tavoitteet ... 46
6 Materiaalit ja menetelmät ... 47
6.1 Materiaalit ... 47
6.2 Rullapuristus ja jauheseosten valmistus ... 47
6.3 NIR ... 49
6.4 Tiheysmääritykset ... 52
6.5 Pitoisuusmääritykset ... 53
6.5.1 Standardisuoran määrittäminen ja UV/Vis-mittausasetukset ... 53
6.5.2 Pitoisuuden ja massaosuuden määrittäminen ... 53
6.6 Tiheyden ja lääkeainepitoisuuden määritys NIR:lla ... 54
6.6.1 Spektrinkäsittely ... 54
6.6.2 Pääkomponenttianalyysi (PCA) ja kaavioiden tulkinta ... 55
6.6.3 PCA-mallien muodostaminen ... 56
6.6.4 PLS-mallien muodostaminen ... 56
6.6.5 Best-fit-mallien muodostaminen ... 57
7 Tulokset ja tulosten tarkastelu ... 58
7.1 Esikokeet ... 58
7.1.1 Spektridatan esikäsittely ... 58
7.1.2 Mittaukset kahdella puristusvoimalla valmistetuille nauhoille ... 59
7.2 Mittaukset kolmella tavoitepuristusvoimalla valmistetuille nauhanäytteille ... 61
7.2.1 Paikallaan suoritetut mittaukset ... 61
7.2.2 Simuloidun liikkeen mittaukset ... 62
7.2.3 PCA-projektiot ... 63
7.2.4 Paksuusmittaukset ... 64
7.3 Mittaukset kolmella eri syöttöruuvin pyörimisnopeudella valmistetuille nauhoille ... 66
7.3.1 Paikallaan suoritetut mittaukset ... 66
7.3.2 In-line- ja simuloidun liikkeen mittaukset ... 67
7.3.3 PCA-projektiot ... 69
7.4 Mittaukset kolmella eri lääkeainepitoisuudella valmistetuille nauhoille ... 71
7.4.1 Paikallaan suoritetut mittaukset ... 71
7.4.2 In-line- ja simuloidun liikkeen mittaukset ... 73
7.4.3 PCA-projektiot ... 74
7.5 Tiheysmittaukset ja tiheyttä kuvaavat PLS-kalibraatiomallit ... 75
7.5.1 Näytepaloista määritetyt tiheydet ... 76
7.5.2 In-line-datasta määritetyt tiheydet ... 77
7.5.3 Paksuuden määrittäminen PLS-kalibraatiomallilla ... 82
7.6 Spektrien kulmakertoimet suhteellisen tiheyden määrittämisessä ... 83
7.7 Pitoisuusmääritykset ja massaosuutta kuvaavat PLS-kalibraatiomallit ... 85
7.7.1 Näytepaloista määritetyt massaosuudet ... 86
7.7.2 In-line-datasta määritetyt massaosuudet ... 89
7.8 Modifioitu NIR-mittapää ja ohjain tiheyden in-line-määrityksessä ... 95
8 Johtopäätökset ja pohdinta ... 98
I Kirjallinen osio 1 Johdanto
Lääkkeenvalmistus on perinteisesti tapahtunut eräkohtaisesti, jolloin valmistusprosessissa raaka-aineet tuodaan systeemiin prosessin alussa, ja lopulta koko erä otetaan prosessista pois yhtenä kokonaisuu- tena (Lee ym. 2015). Eräkohtaisessa lääkkeenvalmistuksessa valmistusprosessit ovat kuitenkin usein hieman tehottomia, eikä niitä ymmärretä yhtä hyvin kuin esimerkiksi kemianteollisuudessa. Yhdysval- tain elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) tunnisti 2000-luvun alkupuolella lääketeollisuuden valmistuspro- sessien kehityksen ja tehokkuuden jääneen vajaaksi, minkä seurauksena lääkkeiden saatavuus ja laatu voivat vaarantua (FDA 2004a). FDA julkaisikin sarjan aloitteita, joissa se kannusti riskienhallinnan, laatu- järjestelmien ja innovaatioiden kehittämiseen (FDA 2004a, FDA 2004b). Yhtenä näistä innovaatioista voidaan pitää jatkuvatoimista valmistusta, joka voi parantaa lääkkeiden tuotannon joustavuutta ja luo- tettavuutta (Lee ym. 2015). Periaatteellinen ero jatkuvatoimisen ja eräkohtaisen valmistuksen välillä on siinä, että jatkuvatoimisessa valmistusprosessissa raaka-aineita ladataan ja tuotetta poistetaan järjes- telmästä samalla nopeudella koko prosessin ajan.
Tabletinvalmistus sisältää yleensä viisi eri vaihetta: jauheiden sekoittamisen, rakeistamisen, rakeiden kuivauksen, tabletoinnin ja tablettien päällystämisen. Jatkuvatoimisessa valmistuksessa jokainen val- mistusvaihe voidaan yhdistää toisiinsa, jolloin jokaisen prosessivaiheen välituote siirtyy suoraan ja jat- kuvasti seuraavaan vaiheeseen. Siten jokaisen valmistusvaiheen täytyy luotettavasti tuottaa vaatimuk- set täyttävää tuotetta. Reaaliaikainen prosessin monitorointi ja hallinta ovatkin olennainen osa jatku- vatoimista valmistusta.
Viime aikoina prosessianalysaattoreiden, jotka tuottavat monimuuttujadataa prosessoitavan materiaa- lin kemiallista ja fysikaalisista ominaisuuksista, käyttö farmaseuttisessa teollisuudessa ja tutkimuksessa on yleistynyt. Esimerkiksi Raman- ja lähi-infrapuna (NIR) -spektrometrit voidaan liittää optisilla kuitu- kaapeleilla mittapäähän, joka voidaan implementoida suoraan prosessivirtaan mahdollistaen proses- sinaikaiset mittaukset. NIR-spektroskopia on useiden etujensa ansiosta ollut lukuisien tutkimusten mielenkiinnon kohteena yksikköprosessien monitoroinnissa, ja sitä on sovellettu myös jatkuvatoimis- ten valmistusprosessien monitoroinnissa. Rullapuristus on kuivarakeistusmenetelmä, joka tarjoaa vaih-
toehdon rakeistukseen esimerkiksi kosteusherkille materiaaleille (Samanta ym. 2013). NIR-spektrosko- pialla on mahdollista monitoroida myös rullapuristusprosessia, mutta käytännön ongelmat, kuten nau- han (ribbon) liikkeen ja heikon laadun aiheuttamat häiriöt mitattuun spektriin, ovat rajoittaneet mene- telmän käyttöä.
Tämän työn kirjallisuuskatsauksessa perehdytään jatkuvatoimiseen lääkkeenvalmistukseen ja sen etui- hin verrattuna eräkohtaiseen lääkkeenvalmistukseen. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa tutustutaan lähi- infrapunaspektroskopian perusteisiin ja sen sovellutuksiin tabletinvalmistusprosessien monitoroin- nissa. Kokeellisessa osiossa NIR-mittapää pyrittiin asentamaan rullapuristimen sisään siten, että sillä kyettäisiin mittaamaan nauhan tiheyttä ja lääkeainepitoisuutta luotettavasti rullapuristusprosessin ai- kana.
2 Jatkuvatoiminen lääkkeenvalmistus
2.1 Eräkohtaisesta jatkuvatoimiseen valmistukseen
Lääketeollisuus on siirtymätilassa eräkohtaisesta lääkkeenvalmistuksesta kohti jatkuvatoimista lääk- keenvalmistusta (De Beer ym. 2011). Erä- ja jatkuvatoimisen valmistusprosessin kaavakuva on esitetty Kuvassa 1. Perinteisessä eräkohtaisessa valmistuksessa kunkin välivaiheen raaka-aineet ja välituotteet testataan ns. off-line-menetelmillä ja välituotteita joudutaan usein varastoimaan ennen kuin ne voi- daan siirtää valmistusprosessin seuraavaan vaiheeseen (Lee ym. 2015). Jos materiaali ei täytä laatuvaa- timuksia, se voidaan hylätä tai joutua joissain tapauksissa uudelleenprosessoimaan. Tyypillisesti erä- kohtaisessa valmistuksessa voi olla 10–30 valmistusvaihetta, minkä seurauksena erän valmistus voi kestää useista viikoista jopa vuoteen (Khinast ja Bresciani 2017). Jatkuvatoimisessa valmistusproses- sissa laadusta tulee varmistua jo prosessin aikana, ja valmistusprosessi kestää usein vain tunteja tai päiviä, ollen siten usein huomattavasti lyhytkestoisempi kuin eräkohtainen valmistusprosessi.
Kuva 1. Kaavakuva eräkohtaisesta (a) ja jatkuvatoimisesta (b) valmistusprosessista (mukailtu Lee ym.
2015).
2.2 Jatkuvatoimisen valmistuksen edut ja haasteet
Jatkuvatoimisella valmistuksella on useita etuja verrattuna perinteiseen eräkohtaiseen valmistukseen (Fonteyne ym. 2015, Lee ym. 2015, Khinast ja Bresciani 2017). Joustavuus on yksi jatkuvatoimisen val- mistuksen eduista. Jatkuvatoiminen tuotantolinjasto pystyy joustamaan tuotantomäärissä, joita pysty- tään tarpeen tullen laskemaan tai nostamaan. Esimerkiksi pandemiatilanteen aiheuttamaan tarpeeseen voidaan reagoida nopeammin. Jatkuvatoiminen valmistaminen mahdollistaa myös toimitusketjun no- peuttamisen, joka eräkohtaisessa valmistuksessa voi joskus venyä jopa yli vuoden pituiseksi, kun eri välituotteita kuljetetaan valmistuslaitoksesta toiseen ja jopa eri maahan. Valmistuslinjastot, jotka sisäl- tävät kaikki valmistusvaiheet vaikuttavan aineen synteesistä alkaen, voivat lyhentää toimitusketjua huomattavasti, ja vähentää varastointi- ja toimituskuluja. Ympäristön vaikutuksille alttiit lääkeaineet tai lääkevalmisteet hyötyvät myös lyhyemmistä varastointiajoista, jolloin riski tuotteen hajoamiselle pie- nenee ja siten laatu paranee.
Tuotantomittakaavan kasvattaminen on usein haastavaa, sillä se vie paljon aikaa, ja laitteiston vaihtu- essa prosessiasetukset tulee optimoida tarkasti (Raval ym. 2018). Jatkuvatoiminen valmistus mahdollis- taa tuotantomittakaavan kasvattamisen ilman siihen liittyviä tavanomaisia ongelmia, sillä ideaalitilan- teessa samaa laitteistoa voidaan käyttää tuotekehityksessä, kliinisissä tutkimuksissa sekä täydessä kau- pallisessa tuotannossa (Fonteyne ym. 2015, Lee ym. 2015, Khinast ja Bresciani 2017). Aikaa vieviä tuo- tantomittakaavan kasvattamisen mahdollistavia tutkimuksia ei siten tarvita, minkä ansiosta kehitysaika lyhentyy huomattavasti ja tuote voidaan saada nopeammin markkinoille (Fonteyne ym. 2015). Jatkuva- toimiset valmistusprosessit ovat yleensä tehokkaampia kuin vastaavat eräkohtaiset prosessit. Lisäksi jatkuvatoiminen linjasto ja laadunhallintajärjestelmä voidaan koota yhteen tilaan, minkä seurauksena linjaston vaatima tila voi olla jopa 80 % pienempi kuin eräkohtaisessa valmistuksessa käytettävien lait- teiden viemä tila (Khinast ja Bresciani 2017). Pienemmän tilantarpeen ja laitteiston koon ansiosta in- vestointi- ja operointikulut ovat yleensä pienempiä (Fonteyne ym. 2015, Lee ym. 2015). Lisäksi myös valmistusturvallisuus parantuu, kun eri prosessivaiheiden välillä on vähemmän ihmisen tekemää käsit- telyä. Jatkuvatoimisessa valmistuksessa on useista eduista huolimatta myös haasteita (Fonteyne ym.
2015). Automatisoidussa laadunvarmistuksessa prosessin tulee kyetä ohjaamaan poikkeava välituote ulos prosessista. Jatkuvatoimisten prosessien täytyykin havaita luotettavasti muutokset välituotteen
laadussa, ja niiden tulee kyetä korjaamaan tilanne esimerkiksi prosessiparametrejä muuttamalla nope- asti, ettei tuotetta mene suuria määriä hukkaan. Suurimpia syitä lääketeollisuuden hitaalle jatkuvatoi- misen valmistuksen käyttöön ottamiselle on haasteet sääntelyn kanssa. Esimerkiksi jatkuvatoimisen linjaston adaptointi jo lisensoitujen tuotteiden valmistukseen vaatii viranomaisten uudelleenarvioinnin.
Erän määritystä on pidetty yhtenä haasteena, mutta siihen on kuitenkin esitetty erilaisia ratkaisuja (Lee ym. 2015). Erä voidaan määritellä esimerkiksi tiettynä ajanjaksona kerätyn lopputuotteen perusteella tai valmistamiseen käytetyn raaka-aine-erän perusteella, mikä vaatii materiaalin valmistuksen aikaista jäljittämistä.
2.3 Yksikköprosessit tabletinvalmistuksessa
2.3.1 Sekoitus
Suurin osa farmaseuttisista tuotteista koostuu useammasta kuin yhdestä komponentista, joiden tar- koitus on yhdessä varmistaa antotavan toimivan oikealla tavalla (Twitchell 2013). Riittävä sekoitus val- mistusprosessissa on tarpeen tuotteen koostuessa useammasta kuin yhdestä komponentista, ja siten sekoitusprosessin kontrollointi on kriittistä lääkkeenvalmistuksessa. Farmaseuttiset jauheet ovat neut- raaleja seoksia, jotka eivät sekoitu tai erotu spontaanisti ilman järjestelmään tuotua energiaa. Jauheet voivat sekoittua kolmella eri mekanismilla; konvektiivisella, leikkaavalla ja diffusiivisella sekoituksella.
Konvektiivisessa sekoituksessa iso määrä partikkeleita siirtyy toiseen osaan jauheseosta, esimerkiksi sekoitinlavan liikkuessa seoksen läpi. Leikkaavassa sekoituksessa jauheseoksen eri tasot liikkuvat toi- siinsa nähden eri nopeuksilla johtaen sekoittumiseen. Diffusiivisessa sekoituksessa yksittäiset partikke- lit vaihtavat paikkaa esimerkiksi täyttämällä tyhjiä ilma-aukkoja, jotka ovat syntyneet painovoiman vai- kutuksesta sekoituksen aikana. Konttisekoittimet, joita ovat esimerkiksi kaksoiskartion ja V:n muotoiset sekoittimet, ovat yleisimmin tabletinvalmistuksessa käytettyjä sekoittimia. Muita sekoituksessa käytet- tyjä laitteita ovat esimerkiksi planetaari- ja nauhasekoittimet. Myös märkärakeistuslaitteita, kuten high- shear- ja leijupetirakeistimia, käytetään kuivan jauheseoksen sekoittamiseen ennen rakeistusta (Aulton ja Summers 2013).
2.3.2 Märkärakeistus
Jauheseokset voivat usein olla helposti erottuvia tai huonosti valuvia (Aulton ja Summers 2013). Kes- keisimmät syyt jauheseoksen rakeistukselle ovat valuvuuden parantaminen, erottumisen vähentämi- nen ja puristusominaisuuksien parantaminen. Rakeistusmenetelmät voidaan jakaa kuiva- ja märkära- keistusmenetelmiin. Märkärakeistuksessa kuiva jauhemassa sekoitetaan rakeistusnesteen kanssa. Tyy- pillisesti rakeistusneste koostuu vedestä ja jostain sidosaineesta. Vesi on suosittu ainesosa rakeistus- nesteessä taloudellisuutensa ja ympäristöystävällisyytensä takia. High-shear- ja leijupetirakeistimet ovat yleisimmin käytettyjä rakeistintyyppejä farmaseuttisessa rakeistuksessa. High-shear-rakeistin koostuu teräksisestä sekoituskulhosta, jonka sisällä on kolmeteräinen juoksupyörä, joka pyörii horison- taalisesti, sekä apuhakkuri. Kuten on jo aiemmin mainittu, high-shear-rakeistinta voidaan käyttää myös materiaalien sekoittamiseen, jolloin jauhe sijoitetaan kulhoon ja sitä sekoitetaan muutaman minuutin ajan ennen rakeistusnesteen lisäämistä. Pyörivä juoksupyörä sekoittaa jauheen nesteeseen, minkä jäl- keen apuhakkuri hajottaa mahdollisesti syntyvät paakut. Välituotteena saatava raemassa voidaan seu- loa, jolloin isoimmat rakeet saadaan hajotettua pienimmiksi rakeiksi.
Leijupetirakeistuksessa lämmitettyä ja suodatettua ilmaa puhalletaan sekoittamattoman jauheen läpi, jolloin jauhe sekoittuu fluidisoituessaan. Fluidisaatiossa raemateriaali muuttuu staattisesta kiinteästä tilasta dynaamiseen nestemäiseen tilaan, kun lämmin ilmavirta kulkee raemateriaalin läpi. Tämän jäl- keen rakeistusnestettä sumutetaan yhdestä tai useammasta suuttimesta, minkä seurauksena jauhepar- tikkelit kostuvat ja tarttuvat toisiinsa muodostaen rakeita. Riittävän raekoon saavutettua rakeistusnes- teen sumuttaminen lopetetaan.
Rakeiden halutut ominaisuudet vaikuttavat rakeistusmenetelmän valintaan (Morin ja Briens 2014).
High-shear-rakeistimella valmistetut rakeet ovat yleensä tiheitä ja pyöreän muotoisia, kun taas leijupe- tirakeistimella valmistetut rakeet ovat huokoisempia ja epäsäännöllisen muotoisia. Leijupetirakeistuk- sen etuna on pienempi määrä tarvittavaa laitteistoa, kun taas high-shear-rakeistuksen etuja ovat esi- merkiksi lyhyt prosessiaika ja toistettavampi partikkelikokojakauma (Gokhale ja Rivedi 2010, Morin ja Briens 2014).
2.3.3 Märkärakeistettujen rakeiden kuivaus
Märkärakeistetut rakeet tulee kuivata ennen kuin niistä voidaan puristaa tabletteja, joten kuivaus on tärkeä vaihe tabletinvalmistuksessa (Aulton 2013) Kuivausmenetelmän valintaan vaikuttavat kuivatta- van materiaalin ominaisuudet, kuten lämpöherkkyys ja fyysiset ominaisuudet. Leijupetirakeistuksessa rakeiden kuivaus tapahtuu samassa laitteistossa (Aulton ja Summers 2013). High-shear-rakeistuksessa taas rakeet täytyy kuivata erillisessä laitteistossa, kuten leijupetikuivaimessa. Konvektiivisista kuivai- mista leijupetikuivaimen kuivausteho perustuukin kuivattavan materiaalin fluidisaatioon. Leijupeti- kuivaimen ilmavirta voi kuitenkin vaurioittaa kuivattavia rakeita ja muodostaa pölyä. Lämpöherkkien materiaalien kuivamiseen soveltuu esimerkiksi vakuumiuunikuivain. Lisäksi myös mikroaaltojen kui- vausvaikutukseen perustuvia kuivaimia voidaan käyttää, jolloin kuivuminen voidaan saavuttaa nopeasti suhteellisen matalassa lämpötilassa.
2.3.4 Rullapuristus
Vaikuttava lääkeaine altistuu vedelle märkärakeistuksen aikana, minkä seurauksena sen rakenne saat- taa muuttua tai hajoamistuotteiden määrä kasvaa (Miller 2010). Yhä useampi uusista lääkeaineista on herkkä kostealle valmistusympäristölle. Tämän vuoksi kuivarakeistusta käytetään märkärakeistuksen sijaan valuvuusominaisuuksien ja puristettavuuden parantamisessa. Rullapuristus on kuivarakeistusme- netelmä, jossa jauhemateriaalia syötetään painovoiman tai ruuvin avulla kahden vastakkaisiin suuntiin pyörivien rullien väliin (Guigon ja Simon 2003). Materiaalin ja rullan pinnan välinen kitka tuo jauheen rullien väliseen rakoon, jossa jauhe tiivistyy nauhaksi, joka sen jälkeen jauhetaan rakeiksi. Rullapuris- tuksella on kostean ympäristön välttämisen lisäksi myös muita etuja verrattuna märkärakeistukseen (Miller 2010). Siinä ei ole tarvetta kuivaukselle, joten se sopii myös lämpöherkille tai matalissa lämpöti- loissa sulaville materiaaleille. Tyypillisesti rullapuristuksessa tarvitaan vähemmän laitteita märkärakeis- tuksessa ja siten tarve valmistustilalle on pienempi. Rullapuristuksessa käytetty laitteisto ja operointi- kustannukset ovat usein edullisempia kuin märkärakeistuksessa. Näiden lisäksi myös tuotantomitta- kaavan kasvattaminen on huomattavasti yksinkertaisempaa, sillä rullapuristuksessa ei ole välttämä- töntä kasvattaa laitteiston kokoa, vaan voidaan pidentää jatkuvatoimisen valmistusprosessin kestoa.
Menetelmällä on kuitenkin joitain rajoitteita, ja niitä käsitellään myöhemmin tekstissä.
Kaupallisia rullapuristimia on olemassa useita erilaisia konfiguraatioita, joissa rullat on aseteltu hori- sontaaliseen, vertikaaliseen tai kaltevaan kulmaan (Kuva 2) (Guigon ja Simon 2003). Valmistettavien rakeiden homogeenisyyden kannalta on tärkeää, että materiaali virtaa rullien väliin jatkuvasti ja tasai- sesti. Rullapuristuksessa käytetään kahta erilaista syöttöjärjestelmää riippuen jauheen valumisominai- suuksia. Painovoimasyötintä käytetään vapaasti valuville jauheille, kun taas pakkosyötintä, joka koos- tuu yhdestä tai useammasta ruuvista, käytetään heikommin valuville jauheille. Yleisimmin farmaseutti- sessa teollisuudessa käytetään sileitä tai urallisia rullia (Teng ym. 2009). Sileät rullat voivat vähentää jauheen tarttumista rullan pintaan ja siten vähentää liukuaineen tarvetta. Kun puristuksen aikaansaa- miseksi vaaditaan jauheen parempaa tarttumista rulliin, voidaan käyttää myös urapintaisia rullia.
Kuva 2. Erilaisia rullapuristinkonfiguraatioita (Guigon ja Simon 2003).
Rullapuristusprosessi perustuu hiukkasten välisten sidosten muodostumiseen (Miller 2010). Rakeiden muodostuminen koostuu neljästä eri vaiheesta: hiukkasten uudelleenjärjestäytymisestä, deformaati- osta, fragmentaatiosta ja sitoutumisesta. Jauheeseen kohdistuvan puristuksen seurauksena partikkelit uudelleenjärjestyvät siirtyen lähemmäksi toisiaan. Puristusvoiman kasvaessa partikkelit alkavat defor- moitumaan plastisesti sekä sen jälkeen fragmentoitumaan muodostaen uusia hiukkasten välisiä sidos- pintoja. Kasvaneen kontaktipinta-alan seurauksena partikkelit muodostavat keskenään sidoksia esi- merkiksi van der Waalsin voimien, mekaanisen lukkiutumisen ja kiinteiden siltojen avulla.
Rullapuristimen rullien välissä oleva tila voidaan jakaa kolmeen alueeseen sen mukaan, missä eri sitou- tumiseen johtavat vaiheet tapahtuvat (Kuva 3) (Bindhumadhavan ym. 2005). Liukuma-alueella jauhe liukuu rullan pintaa pitkin, ja sen tiivistyminen aiheutuu pääasiassa partikkelien uudelleenjärjestäytymi- sestä. Liukuma-alueen alun määrittää tulokulma, joka riippuu seinän ja partikkelien välisestä kitkasta.
Liukuma- ja tarttuma-alueen rajaa kutsutaan tarttumakulmaksi. Tarttuma-alueella jauhe liikkuu rullan seinämän kanssa samalla nopeudella, kun jauhe ”tarttuu” rullaan. Tarttuma-alueella puristusvoima saa
aikaan partikkelien plastisen deformoitumisen tai fragmentoitumisen (Guigon ja Simon 2003). Vapau- tumisalueella puristusvoimaa ei kohdistu enää nauhaan, jonka elastiset muodonmuutokset palautuvat nauhan relaksoituessa. Tämän jälkeen puristustuote poistuu rullien väliseltä alueelta tiivistettynä nau- hana tai hiutaleina.
Kuva 3. Rullapuristusprosessin eri alueet (mukailtu Bindhumadhavan 2005).
Yksi tärkeimmistä tekijöistä, joka vaikuttaa puristuksen tehoon ja laatuun, on ilman jääminen jauhema- teriaalin sisälle (Miller 2010). Puristuksen aikana ilmatäytteiset aukot partikkelien välissä puristuvat, minkä seurauksena ilma tunkeutuu jauheen läpi aiheuttaen fluidisaatiota ja jauheen epätasaista rullien välin täyttämistä. Osa ilmasta voi jäädä myös jauhepartikkelien väliin jumiin. Tämän tilanteen seurauk- sena puristuksen jälkeen tiheys ei ole sama joka kohdassa nauhaa. Epätasainen syöttö voi johtaa jau- heen rullien välistä vuotamisen kasvamiseen. Ilman sisään jäämistä ja puristamattoman jauheen läpi- vuotamista voidaan vähentää käyttämällä vakuumia, jonka avulla ilmaa poistetaan puristusalueelta.
Ilman vakuumipoiston on havaittu saavan aikaan tasaisemman syötön sekä yhtenäisemmän ja vah- vemman puristustuotteen. Epätasaiseen nauhan tiheyden jakautumiseen vaikuttaa myös ruuvisyötti- men käyttö (Teng ym. 2009). Ruuvin muodon takia tarttuma-alueen keskiosaan syötetään jauhetta hieman tiheämmin, kun taas reunoille vähemmän. Syöttöruuvin rullaväliin tuottama paine ei myöskään ole tasainen, vaan se vaihtelee ruuvin muodon mukaan, mikä voi johtaa jauheen epätasaiseen jakautu- miseen. Tätä voidaan kuitenkin pyrkiä vähentämään käyttämällä useamman syöttöruuvin konfiguraa- tiota. Toinen yleinen ongelma rullapuristuksessa on rakeiden puristettavuusominaisuuksien heikenty- minen erityisesti korkealla puristusvoimalla (Kleinebudde 2004). Puristettavuuden heikentyminen on
yleisempää plastisilla materiaaleilla. Rullapuristuksessa puristusvoiman tarvitsee olla riittävän suuri ha- luttujen raeominaisuuksien muodostamiseksi, mutta ei kuitenkaan liian suuri, jotta voidaan välttyä yli- puristukselta. Ylipuristus voi johtaa lujuudeltaan heikkoihin tabletteihin, jotka murtuvat helposti (Ace- vedo ym. 2012). Rullapuristetut nauhat ovat usein tiheämpiä keskeltä kuin reunoilta. Huomattavat erot tiheydessä voivat johtaa tablettien väliseen painon vaihteluun.
Rullavälin koko vaikuttaa nauhan paksuuteen ja siten myös tuotteen laatuun (Acevedo ym. 2012). Rul- lavälin pienentyessä jauheeseen kohdistuvat puristusvoimat kasvavat, minkä seurauksena nauhan ti- heys kasvaa, silloin kun muut tiheyteen vaikuttavat muuttujat pidetään vakioina. Osassa rullapuristimia rullien välistä rakoa voidaan säädellä nauhan tiheyden vaihtelun minimoimiseksi. Myös rullien pyöri- misnopeus vaikuttaa puristusvoimaan (Guigon ym. 2007). Rullien pyörimisnopeuden kasvaessa tarttu- makulma pienenee ja siten myös maksimipaine pienenee. Rullien pyörimisnopeus määrittää rullapuris- tuksen puristusajan (Teng ym. 2009). Rullien pyörimisnopeuden, ja siten puristusajan vaikutus nauhan laatuun riippuu jauheen ominaisuuksista. Fragmentoituvilla materiaaleilla puristeen vahvuus on riippu- maton puristusajan pituudesta, kun taas plastisilla materiaaleilla vaikutus on suuri. Hidas rullien pyöri- misnopeus tuottaa tiettyyn rajaan asti valuvampia ja vahvempia rakeita, mutta liian hidas nopeus voi johtaa puristettavuuden heikentymiseen ja siten heikkoihin tabletteihin. Myös syöttöruuvilla on vaiku- tusta puristukseen. Liian hidas syöttöruuvin pyörimisnopeus voi johtaa tarttuma-alueen vajaaseen täyttymiseen, mistä seuraa liian huokoinen ja heikko nauha. Liian nopea ruuvin nopeus taas muodos- taa liian tiiviin alueen tarttuma-alueelle, minkä seurauksena partikkelit voivat jopa sulaa tai kakkuun- tua. Rullien ja ruuvin pyörimisnopeudet ovat molemmat siis tärkeitä prosessiparametrejä rullapuristuk- sessa, ja niiden hallinta on tärkeää nauhan laadun varmistamiseksi.
2.3.5 Tabletointi ja päällystäminen
Kun jauheseos on saatu sekoitettua, ja sen puristettavuus- ja valuvuusominaisuuksia on tarvittaessa parannettu rakeistuksella, voidaan jauheesta tai märkä- tai kuivarakeistetuista rakeista puristaa tablet- teja tabletointikoneessa (Alderborn 2013). Tabletointiprosessi voidaan jakaa kolmeen eri vaiheeseen:
muotin täyttöön, puristukseen ja tabletin poistamiseen. Epäkesko- ja rotaatiotabletointikoneet ovat yleisimmin tabletoinnissa käytettyjä tabletinpuristuskoneita. Rotaatiotabletointikone on teollisuudessa yleisemmin käytetty menetelmä kuin epäkeskopuristin, sillä sen tuotantokapasiteetti on jopa 10 000
tablettia minuutissa. Rotaatiotabletointikoneessa on useita tablettimuotteja, jotka on sijoitettu ympäri pyöreää muottipöytää. Ylä- ja alapainimet pyörivät yhdessä muottipöydän kanssa. Tabletoitava jauhe syötetään joko painovoiman tai pakkosyöttölaitteen avulla muottipöydälle syöttösuppilosta, josta syöttökenkä ohjaa jauheen muotteihin. Muottipöydän ja paininten pyöriessä painimet ohjautuvat rai- teille, jotka työntävät paininpareja vertikaalisesti puristaen jauheen tabletiksi. Puristuksen jälkeen val- mis tabletti poistetaan laitteesta.
Tabletoinnin jälkeen valmiit tabletit voidaan tarvittaessa päällystää (Porter 2013). Päällystämisellä voi- daan esimerkiksi pyrkiä suojaamaan vaikuttavaa ainetta ympäristöltä, peittämään lääkeaineiden ma- kua, helpottamaan nielemistä tai helpottamaan tablettien identifiointia. Yleisimmin käytetty päällystys- prosessi on kalvopäällystys. Kalvopäällystyksessä polymeeripohjaista päällystysliuosta suihkutetaan tablettien pintaan, jotka liikkuvat esimerkiksi rumpu- tai leijupetipäällystimessä.
2.4 Laaduntarkkailu, Quality-by-Design (QbD) ja prosessianalyyttiset teknologiat (PAT)
Perinteisessä eräkohtaisessa valmistuksessa valmistusprosessit eivät usein ole täysin ymmärrettyjä (De Beer ym. 2011). Rajallinen määrä olennaista tietoa kerätään prosessista ja lopputuotteesta vasta erän valmistamisen jälkeen, minkä seurauksena prosessin kontrollointi on haastavaa, ja voi johtaa erän hyl- käämiseen. ICH:n esille tuoma Quality by design (QbD) on keskeisesti jatkuvatoimiseen valmistukseen liittyvä käsite (ICH 2009). QbD on systemaattinen ja tieteellinen riskiarvioihin perustuva lähestymistapa farmaseuttiseen kehitykseen. QbD-lähestymistapa kannustaa prosessinymmärryksen lisäämiseen ja prosessinhallintaan. Prosessianalyyttinen teknologia on järjestelmä, joka suunnittelee, analysoi ja kont- rolloi tuotantoa esimerkiksi prosessinaikaisten mittausten avulla (FDA 2004b). FDA:n mukaan PAT:n tavoitteena on parantaa tuotantoprosessin kontrollointia ja ymmärtämistä, minkä avulla laatu voidaan suunnitella ja rakentaa tuotteisiin. PAT-työkalut voidaan luokitella seuraaviin luokkiin: monimuuttuja- työkalut, prosessianalysaattorit, prosessinhallintatyökalut sekä jatkuvan kehityksen ja tiedonhallinnan työkalut. Osan tai kaikkien näiden työkalujen yhdistelmää voidaan soveltaa valmistusprosessin laadun- valvontaan. Kriittisen prosessi-informaation jatkuva kerääminen prosessin aikana mahdollistaa reaaliai- kaisen prosessin säätämisen siten, että tuotteen laatuvaatimukset säilyvät ennalta määrätyissä rajoissa (De Beer ym. 2011).
Prosessianalysaattorit ovat tärkeä osa PAT-työkaluja reaaliaikaisessa prosessin monitoroinnissa ja hal- linnassa (De Beer ym. 2011). Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeviraston PAT-ohjeistuksen mukaan analy- soitaessa kiinteitä farmaseuttisia aineita prosessinaikaiset mittaustavat voidaan luokitella seuraavasti (FDA 2004b):
• at-line: Mittaus, jossa näyte poistetaan ja eristetään prosessista, ja analysoidaan linjaston lähis- töllä
• on-line: Mittaus, jossa näyte ohjataan prosessista pois ja voidaan palauttaa takaisin linjastolle
• in-line: Mittaus, jossa näytettä ei poisteta linjastolta, voi olla invasiivinen tai ei-invasiivinen Lisäksi on olemassa off-line mittaus, jossa mittaukset suoritetaan linjastolta otetuille näytteille ulkona linjastolta laboratoriossa (Dagge ym. 2009).
Prosessinaikaisilla mittauksilla, esimerkiksi käyttämällä prosessivirtaan implementoitua NIR-mittapäätä, voidaan seurata ennalta riskien arvioinnin avulla määritettyjä kriittisiä laatuominaisuuksia (CQA) tai kriittisten prosessiparametrien (CPP) vaikutusta prosessiin (Martinetz ym. 2018). Kriittisten prosessi- muuttujien seuraaminen on jatkuvatoimisessa valmistuksessa tärkeää, sillä prosessinaikaiset muutok- set esimerkiksi syöttölaitteiden toiminnassa tulee pystyä havaitsemaan, jotta tuotteen laadusta pysty- tään varmistumaan jo valmistuksen aikana. Prosessin aikana havaittujen muutosten vaikutusta tuot- teen laatuun pyritään hallitsemaan kontrollistrategian avulla.
2.5 Kontrollistrategia
Kontrollistrategian, joka perustuu prosessin ja tuotteen ymmärrykseen, tavoitteena on varmistaa pro- sessin toiminta ja tuotteen laatu (ICH 2009). Jatkuvatoimisen tuotantoprosessin kontrollistrategia suunnitellaan siten, että tuotteen laatua voidaan kontrolloida, kun prosessinaikaisilla mittauksilla ha- vaitaan muutoksia prosessissa, raaka-aineissa tai ympäristön olosuhteissa (Lee ym. 2015). Jatkuvatoi- misen prosessin prosessiparametrit voivat vaihdella design spacen sisällä. Design space on moniulot- teinen alue, jonka sisällä sisääntulomuuttujien ja prosessiparametrien arvojen yhdistelmän on havaittu tuottavan laatuvaatimukset täyttävää tuotetta. Spesifikaatioista poikkeavan materiaalin eristäminen ja hylkääminen on tärkeä osa jatkuvatoimisen valmistuksen kontrollistrategiaa. Prosessin käynnistyksen ja lopettamisen yhteydessä tai prosessin aikana materiaali ei välttämättä täytä laatuvaatimuksia, jolloin
materiaali pitäisi pystyä eristämään linjastolta. Materiaalin jäljittäminen ja poistaminen jatkuvatoimi- selta linjastolta perustuu viipymäaikajakaumien (RTD) tuntemiseen (Martinetz ym. 2018). RTD kuvaa materiaalin laitteistossa viettämän ajan jakautumisfunktiota, ja se määrittelee materiaalin virtausta ja jakautumista linjastolla (Myerson ym. 2015, Martinetz ym. 2018). RTD:a voidaan käyttää myös jatkuva- toimisesti valmistetun tuotteen erän määrittämisessä.
3 Lähi-infrapunaspektroskopia
3.1 Teoria
NIR-säteily löydettiin jo vuonna 1800, kun Herschel erotteli elektromagneettisen spektrin prisman avulla (Reich 2005). Tekniikan hyödyntämistä teollisissa sovellutuksissa alettiin kuitenkin kehittämään vasta 1950-luvulla, kun NIR-spektroskopian käyttöä maataloudessa tutkittiin pääasiassa K.H. Norrisin tutkimusryhmän toimesta (Siesler 2008).
NIR-spektri muodostuu molekulaaristen värähdyksien seurauksena, kun molekyylit absorboivat sätei- lyä 750–2500 nm aallonpituusalueella (Siesler 2008). Spektroskopiset menetelmät perustuvat ener- giatilojen siirtymiin, joita voidaan kuvata kvanttimekanistisilla aaltofunktioilla (Cogdill ja Drennen 2006). Elektromagneettinen säteily absorboituu näytteen molekyyleihin vain, kun sen kvanttienergia vastaa yhdisteen energiatasojen eroja, minkä seurauksena materiaaleilla on ominaiset NIR-spektrit.
3.1.1 Harmoninen ja epäharmoninen oskillaattori
Absorptioon perustuvissa spektroskopisissa menetelmissä, kuten NIR-spektroskopiassa, voidaan pu- hua harmonisesta diatomisesta oskillaattorimallista, jossa värähtelevät massat johtavat ydinten välisen etäisyyden muutokseen (Siesler 2008). Värähtelytaajuudet ovat erittäin herkkiä tutkittavan yhdisteen rakenteelle. Infrapunasäteilyn ja molekyylin välinen vuorovaikutus on mahdollista vain silloin, kun sä- teilyn elektrinen vektori oskilloi samalla taajuudella molekulaarisen dipolimomentin kanssa. Värähtely on siten infrapuna-aktiivista vain silloin, kun värähtely moduloi molekulaarista dipolimomenttia. Boltz- mannin jakauman mukaan suurin osa molekyyleistä huoneenlämmössä ovat perustasolla n = 0. Tämän seurauksena niin sanotut fundamentaaliset siirtymät perustason n = 0 ja n = 1 välillä ovat kaikkein yleisimpiä värähtelyabsorptiospektrillä. Suurin osa näistä fundamentaalisista värähtelyiden ab- sorptiokaistoista on keski-infrapuna-alueella (MIR) absorptiospektrissä.
Harmonisen oskilaattorin malli ei kuitenkaan toteudu enää suuremmilla värähtelyamplitudeilla johtuen värähtelevien molekyylien välisistä repulsiivisista voimista ja dissosiaation mahdollisuudesta, kun vä- rähtelevä sidos pitenee voimakkaasti (Siesler 2008). Energiatasot eivät ole enää samalla etäisyydellä
toisistaan, ja siirtymät yli yhden energiatason päähän ovat mahdollisia (Kuva 4). Tätä voidaan kuvata epäharmonisella värähtelymallilla. Näitä yli yhden kvanttiluvun päähän tapahtuvia siirtymiä kutsutaan ylä-ääniksi (overtone). Ylä-äänien lisäksi voidaan havaita erilaisten värähtelysiirtymien yhdistelmiä.
Usein näiden yhdistelmien ja ylä-äänien intensiteetti on huomattavasti alhaisempi kuin vastaavien fun- damentaalisten värähtelyiden. NIR-alue koostuu lähes pelkästään ylä-ääni- ja yhdistelmäab-
sorptiokaistoista. Ylä-ääni- ja yhdistelmäkaistojen päällekkäisyys heikentää kuitenkin NIR-spektrosko- pian spesifisyyttä huomattavasti. Tästä huolimatta, erilaisten matemaattisten ja tilastollisten työkalujen sekä helpon näytteenkäsittelyn ansiosta NIR on saanut suurta mielenkiintoa spektroskopisten mene- telmien joukossa.
Kuva 4. Epäharmoninen värähtelymalli (mukailtu De Beer ym. 2011)
Yleisimmät absorptiokaistat NIR:ssa aiheutuvat molekyylien C-H, N-H ja O-H sidosten venymisestä ja niiden taipumisesta sekä C-O, C-N ja N-O sidosten taipumisesta (Cogdill ja Drennen 2006). Jos mole- kyylillä on N määrä atomeja, voi siltä havaita (3N-6) määrän ylä-äänikaistoja. Tämän seurauksena tyy- pillisellä pienimolekyylisellä lääkeaineella on useita mahdollisia ylä-ääniä ja yhdistelmäkaistoja.
3.1.2 Fermi- ja Darling-Dennison resonanssit
NIR-spektrissä tyypillisesti nähtävä kaistojen päällekkäisyys tekee spektristä monimutkaisen tulkittavan (Cogdill ja Drennen 2006). NIR-spektrin monimutkaisuutta lisäävät Fermi- ja Darling-Dennison-reso- nanssit. Fermi-resonanssi voi syntyä, kun saman funktionaalisen ryhmän kahdella värähtelymoodilla on sama symmetria. Jos fundamentaalinen värähtely on energialtaan lähellä ylä-ääntä tai yhdistelmätilaa, ylä-ääni- tai yhdistelmätila voi lainata energiaa fundamentaaliselta tilalta. Tämä aiheuttaa sen, että ylä- ääni- ja yhdistelmäkaistojen intensiteetit kasvavat suhteessa fundamentaaliseen kaistaan, ja sen että differentiaalinen taajuuden siirtymä kaistojen välillä kasvaa myös. Kaistat havaitaan jonkin verran ma- talammalla tai korkeammalla taajuudella, kuin häiriintymättömän taajuuden sijainneilta odotettaisiin (Siesler 2008).
Darling-Dennison resonanssia voidaan havaita vedellä ja muilla molekyyleillä, joilla on symmetrisesti ekvivalentteja X-H-sidoksia (Siesler 2008). Esimerkiksi vedellä on kolme normaalimoodia: taipumisvä- rähtely, antisymmetrinen ja symmetrinen venymisvärähtely. Venymisvärähtelyt absorboivat samankal- taisilla aaltoluvuilla, mutta kuuluvat eri symmetrialajeihin, eivätkä siten voi vuorovaikuttaa suoraan kes- kenään. Kuitenkin näiden energiatasojen värähtelyt, jotka liittyvät spesifisiin värähtelykvanttinumeroi- hin n1, n2 ja n3, voivat vuorovaikuttaa, jos ne kuuluvat identtisiin symmetrialajeihin ja niillä on saman- kaltaiset energiat. Nämä vuorovaikutukset voivat johtaa useisiin absorptiokaistapareihin. Darling-Den- nison-resonanssia voi syntyä, kun vuorovaikuttavat energiatasot ovat erittäin lähellä toisiaan ja epä- harmonisuusaste on suuri (Cogdill ja Drennen 2006). Darling-Dennison-resonanssin määrä kasvaa usein silloin kun viritystasoa nostetaan. Kun viritystasoa nostetaan, resonanssikaistat ovat usein selke- ämpiä ja siirtyvät vielä kauemmaksi normaalimoodin kuvaamasta sijainnista. Joissain tapauksissa kaksi absorptiokaistaa havaitaan silloin, kun odotetaan vain yhtä kaistaa spektrille.
3.2 Laitteisto
NIR-laitteistoja on olemassa kahta eri päätyyppiä: dispersiivinen ja Fourier transform NIR (FT-NIR) - spektrometri. Dispersiivisessä laitteistossa spektri skannataan yksi aallonpituus kerrallaan, kun taas FT- NIR-laitteistossa kaikki aallonpituudet detektoidaan kerralla (McCarthy ja Kemeny 2008).
3.2.1 Dispersiivinen NIR-laitteisto
Dispersiivinen NIR-spektrometri koostuu yleensä neljästä pääosasta: valolähteestä, monokromaatto- rista, näytteenpitimestä ja detektorista (Reich 2005). Yleisimmin käytetty valolähde NIR-spektromet- rissä on tungsten-halogeenilamppu pienen kokonsa ja kestävyytensä ansiosta. Polykromaattinen, eli useita aallonpitoisuuksia sisältävä, NIR-valo voidaan erottaa monokromaattisiksi, eli yhtä aallonpi- tuutta sisältäviksi, taajuuksiksi erilaisilla tavoilla. Esimerkiksi erillisiin suodatinfotometreihin tai LED- pohjaisiin ratkaisuihin perustuvat laitteet kattavat vain kapean alueen spektristä, noin 50–100 nm. Sen sijaan esimerkiksi diffraktiohila-, interferometri- ja diodirivilaitteet kattavat koko spektrin. Oikea laite voidaan valita riippuen tarvittavasta herkkyydestä, luotettavuudesta ja käytännöllisyydestä. Monokro- matoitua valoa sädetetään näytteeseen, minkä jälkeen absorbanssia voidaan mitata detektorilla joko näytteen läpäisevästä valosta näytteen toiselta puolelta (transmittanssi) tai näytteestä heijastuvaa va- loa (diffuusireflektanssi) (Kuva 5) (Workman ja Burns 2008).
Kuva 5. Transmittanssiin (a) ja reflektanssiin (b) perustuvien NIR-laitteistojen yksinkertainen kaavakuva (mukailtu Workman ja Burns 2008).
NIR-valon absorbanssia mittaavia detektorityyppejä on useita erilaisia (Reich 2005). Piidetektorit ovat nopeita, matalakohinaisia, pienikokoisia ja erittäin herkkiä näkyvän valon alueelta aina 1100 nm aal- lonpituusalueelle. Lyijysulfididetektorit (PbS) sen sijaan ovat hitaampia, mutta ne ovat herkkiä 1100–
2500 nm aallonpituusalueella ja niillä on hyvä signaali-kohinasuhde, minkä vuoksi ne ovat erittäin käy- tettyjä. Kaikkein kalleimpia detektoreja ovat indium-gallium-arsenididetektorit, joissa yhdistyvät piide- tektorin nopeus ja koko sekä PbS-detektorin aallonpituusalue.
Absorbanssin detektion jälkeen signaali vahvistetaan suuren vahvistuksen tuottavalla vahvistimella ja muutetaan sen jälkeen analogisesta digitaliseksi (Workman ja Burns 2008). Tämän jälkeen digitaalinen signaali tuodaan laitteiston sisäiseen tai ulkoiseen tietokoneeseen datan prosessointia, kalibraatiota ja säilytystä varten. Tietokone kirjaa signaalin mittauksessa käytetylle aallonpituudelle, sekä näytteelle että referenssille. Näyte- ja referenssimittauksen erotuksen avulla voidaan muodostaa näytteen spektri, jossa on esitetty absorbanssi kullakin mittausaallonpituudella.
3.2.2 FT-NIR
Perinteisen dispersiivisen NIR-spektrometrin sijaan voidaan käyttää myös Fourier-Transform-NIR-lait- teistoa, joka on esitetty kuvassa 6 (McCarthy ja Kemeny 2008).
Kuva 6. FT-NIR-spektrofotometrin kaavakuva (mukailtu McCarthy ja Kemeny 2008).
FT-NIR-laitteistossa monokromaattinen valo johdetaan interferometriin (Kuva 7) (McCarthy ja Kemeny 2008). Yksinkertaisimmassa interferometrissä on kaksi toisiinsa nähden kohtisuoraan olevaa peiliä, joista toinen liikkuu akseliansa pitkin tasaisella nopeudella, sekä säteenjakaja. Säteenjakaja heijastaa NIR-valon osittain kiinteään peiliin ja ohjaa loput energiasta liikkuvaan peiliin. Heijastetut säteet yhdis- tetään, jolloin tapahtuu interferenssi. Interferenssissä aallot vahvistavat tai heikentävät toisiaan riip- puen peilien etäisyyksistä ja aallonpituuksista. Detektorilla mitataan säteilyn kokonaisintensiteetti pei- lien etäisyyseron funktiona. Tätä signaalia kutsutaan interferogrammiksi.
Kuva 7. Kaavakuva Michelson-interferometristä (mukailtu McCarthy ja Kemeny 2008).
FT-NIR-laitteistolla on useita etuja verrattuna perinteiseen dispersiiviseen NIR-laitteistoon (McCarthy ja Kemeny 2008). Esimerkiksi, FT-NIR spektrometri pystyy keräämään kokonaisen spektrin erittäin no- peasti ja useista skannauksista voidaan ottaa keskiarvo samassa ajassa, kun dispersiivinen spektrometri suorittaa yhden skannauksen. Lisäksi FT-NIR pystyy saavuttamaan saman signaali-kohinasuhteen pal- jon lyhyemmässä ajassa, sillä energian läpisyöttö voi olla siinä samalla resoluutiolla suurempi kuin dis- persiivisessä spektrometrissä. Interferometrien aaltolukuasteikko johdetaan hyvin tunnetusta helium- neon laserista, joka toimii sisäisenä referenssinä jokaisella skannauksella. Tämän seurauksena interfe- rometrin kalibrointi on huomattavasti tarkempaa. FT-NIR:ssa pystytään saavuttamaan suurempi reso- luutio kuin dispersiivisellä spektrometrillä, jolla resoluutio on rajoittunut monokromaattorin aukon le- veyteen. Lisäksi FT-NIR:lla pystytään mittaamaan yhtenäinen spektri ilman aukkoja.
3.3 NIR-laitteisto farmaseuttisessa analyysissa
Halutun näytteen analyysiin sovellettavan NIR-laitteiston valintaan vaikuttavat analyysin asettamat vaatimukset (Cogdill ja Drennen 2006). Vaatimukset mittauksen nopeudelle, luotettavuudelle ja jous- tavuudelle vaihtelevat mittaustyypin mukaan. At- ja off-line-NIR-sovellutuksiin kuuluvat muun muassa raaka-aineiden tunnistaminen ja valmiiden materiaalien tutkiminen. At-line-analyysilaitteisto on usein itsenäinen sisältäen virtalähteen, lampun, optiikan ja detektorin. At-line-analyysilaitteistoa käytetään usein moneen erilaiseen tehtävään, joten niiden spektrialue on laaja kattaen usein koko NIR-alueen.
At-line-NIR-laitteisto voi olla sekä interferometrinen tai dispersiivinen, usein hilaan perustuva mono- kromaattori-laitteisto. Vaikka dispersiivisellä laitteistolla ei ole FT-NIR etuja, hilaan perustuvan mono- kromaattorin korkean käytännön tehokkuuden, luotettavuuden ja edullisen hinnan ansiosta niiden käyttö on at-line-analyysissa hyvin suosittua.
On-line-analyysissa prosessianalysaattorit sijaitsevat usein haastavissa paikoissa, jolloin niiden pitää olla kompakteja, stabiileja ja robusteja vaihtelevissa olosuhteissa (Cogdill ja Drennen 2006 ja Porep ym. 2015). Jos analyysinopeus ei ole kriittistä on-line-analyysissä, voidaan käyttää at-line-tyyppistä spektrometriä varustettuna automaattisella näytteistysmekanismilla. Usein nopeus on kuitenkin kriitti- nen tekijä, joten signaali-kohinasuhdetta voidaan joutua uhraamaan, jotta mittausnopeutta saataisiin kasvatettua. Esimerkiksi FT-NIR-laitteistoja on kehitetty on-line-analyysiin vähentämällä mitattujen interferogrammien pituutta. Kiinteiden aineiden analyysissa ei yleensä tarvita suurta spektraalista reso- luutiota, jolloin riittävän spektrin muodostamiseksi tarvitaan pienempi määrä interferogrammin mit- tauspisteitä. Dispersiivisessä on-line-laitteistossa akusto-optisesti säädettäviin suodattimiin (acousto- optic tunable filter) perustuvat ja holografisten hiloien käyttöön perustuvat rividiodidetektorit (grating diode array) ovat suositumpia kuin hilaan perustuvat monokromaattorit.
In-line-analyysissa NIR-laitteisto on samankaltainen on-line-laitteistoon verrattuna (Cogdill ja Drennen 2006). On-line-analyysi tapahtuu linjaston sivuvirrassa, jossa näytteistyksen geometriaa voidaan hel- posti hallita ja aineen virta pysäyttää, kun taas in-line-mittaukset tapahtuvat pääasiassa ei-invasiivisesti suoraan optisen ikkunan läpi prosessin aikana. In-line-mittauksissa tarvitaan erittäin nopeita spektro- metrejä, kuten diodirividetektroreita, sillä analysoitava materiaali on jatkuvassa liikkeessä. Haasteita in- line-mittaukseen tuottavat myös materiaalin vaikutukset, kuten sen tarttuminen mittapään ikkunaan.
In-line-laitteisto on usein pienempi verrattuna at-line-analysaattoreihin. In-line analysaattoreista onkin kehitetty myös langattomia versioita, jolloin spektrometri voidaan sijoittaa esimerkiksi V-sekoittimen sisään.
3.4 Kemometriset menetelmät
NIR-spektri on hyvin usein liian monimutkainen tulkittavaksi sellaisenaan, ja siitä syystä yleisesti käyte- täänkin erilaisia kemometrisiä menetelmiä (Roggo ym. 2007). Kemometria tarkoittaa matemaattisten ja tilastollisten menetelmien käyttöä optimaalisen datan käsittelyn ja kokeellisen proseduurin valitse- miseksi kemiallisessa analyysissa. NIR-spektrin kemometrinen käsittely voidaan jakaa kolmeen eri pää- tekniikkaan: matemaattiseen esikäsittelyyn, luokittelumenetelmiin sekä regressiomenetelmiin.
3.4.1 Datan esikäsittely
Useat eri tekijät voivat aiheuttaa NIR-spektriin häiriöitä (Reich 2005). Näytteen ominaisuudet tai lait- teisto voivat aiheuttaa esimerkiksi valon siroamista ja satunnaista kohinaa, joiden vaikutuksen mini- moimiseksi tarvitaan datan esikäsittelyä. Eri menetelmiä on olemassa useita, ja lisäksi niitä voidaan yh- distellä. Seuraavaksi esitellään niistä muutama yleisimmin käytetty. Multiplicative scatter correction (MSC) ja standard normal variate (SNV) -menetelmiä käytetään kompensoimaan siroamisen in- dusoimaa pohjaviivan poikkeamaa. Esimerkiksi pohjaviivan siirtymää tai intensiteettieroja voidaan vä- hentää erilaisilla normalisaatioalgoritmeilla. Derivaattoja voidaan käyttää päällekkäisten kaistojen reso- luution parantamiseksi ja vähentämään pohjaviivan vaikutuksia. Usein kohina kasvaa derivoinnin seu- rauksena, minkä takia derivaattojen käyttö yhdistetään usein Taylor tai Savitzky Golay-pehmemennys- algoritmeihin.
3.4.2 Monimuuttujamenetelmät
NIR-spektridata sisältää suuren määrän korreloivia muuttujia (Reich 2005). Tämän seurauksena muut- tujien määrää täytyy vähentää, jolloin datan vaihtelevuutta voidaan kuvata muutamalla ei-korreloivalla muuttujalla, jotka sisältävät olennaisen informaation spektridatasta. Näistä muuttujia vähentävistä me- netelmistä kaikkein käytetyin on pääkomponenttianalyysi (principal component analysis, PCA). PCA
muodostaa pohjan monimuuttujadatakäsittelyyn (Roggo ym. 2007). PCA on matemaattinen mene- telmä, joka muuttaa spektridatan ortogonaalisiksi komponenteiksi, joiden lineaariset yhdistelmät ap- proksimoivat alkuperäistä dataa (Reich 2005). Näitä uusia muuttujia kutsutaan pääkomponenteiksi.
Pääkomponentit vastaavat suurimpia kovarianssimatriisin ominaisarvoja, ja siten kuvaavat datan suu- rinta mahdollista varianssia. Farmaseuttisessa NIR-analyysissä spektri voidaan usein tiivistää vain muu- tamaan pääkomponenttiin.
Ennen kuin NIR-spektrometrillä voidaan tehdä kvantitatiivista analyysia, tulee se kalibroida käyttäen monimuuttujamenetelmiä (Reich 2005). Kvantitatiivisessa analyysissa käytetyimpiä monimuuttujame- netelmiä ovat pääkomponenttiregressio (PCR) sekä osittainen pienimmän neliösumman menetelmä (PLS). PCR voidaan jakaa kahteen vaiheeseen (Roggo ym. 2007). Ensimmäisessä vaiheessa datalle suo- ritetaan pääkomponenttianalyysi. Sen jälkeen suoritetaan multilineaarinen regressioanalyysi (MLR), joka mahdollistaa yhteyden luomisen vähentyneiden aallonpituuksien ja näytteiden ominaisuuksien välillä. Jokainen aallonpituus korreloidaan tutkittavan ominaisuuden kanssa.
PLS-menetelmässä regressiot lasketaan pienimmän neliön algoritmeilla. PLS:n tavoitteena on luoda lineaarinen yhteys kahden matriisin, spektridatan (X) ja referenssiarvojen (Y), välille (Roggo ym. 2007).
Menetelmässä mallinnetaan näitä molempia, jotta löydettäisiin X-matriisin muuttujat, jotka kuvaavat parhaiten Y-matriisia. Näitä uusia akseleita kutsutaan PLS-tekijöiksi (faktori).
Suurin ero näiden menetelmien välillä on se, että PCR:ssa ensimmäinen pääkomponentti kuvaa suu- rinta variaatiota spektrissä, kun taas PLS:ssa se kuvaa kaikkein olennaisimpia variaatioita, joilla on pa- ras korrelaatio tutkittavan ominaisuuden kanssa (Reich 2005). PCR:n etuna on, että se vaimentaa spektraalisen kolineaarisuuden (Roggo ym. 2007). Heikkoutena on kuitenkin, ettei PCR:ssä ole takuuta siitä, että laskennalliset pääkomponentit korreloivat tutkittavan ominaisuuden kanssa. PLS:lla taas ei ole samaa ongelmaa datan ja tutkittavan parametrin väliseen kovarianssimatriisiin perustuvan muuttu- javalinnan ansiosta.
4 Lähi-infrapunaspektroskopia tabletinvalmistuksessa
4.1 Lähi-infrapunaspektroskopian edut ja heikkoudet farmaseuttisessa tuotannossa
Lähi-infrapunaspektroskopialla on useita etuja verrattuna muihin farmaseuttisen teknologian analyytti- siin menetelmiin, mutta sillä on myös joitain heikkouksia (Taulukko 1) (Jamrógiewicz 2012).
Taulukko 1. NIR-spektroskopian edut ja haasteet farmaseuttisessa analyysissa (Jamrógiewicz 2012).
Edut Haasteet
Ei-destruktiivinen ja ei-invasiivinen Matala signaalin herkkyys alle 0,1 m/m-% ai- neen pitoisuuksilla
Nopea spektrin mittaus (<1 min) Kallis alkuinvestointi laitteistoon Edullinen analyysi – ei tarvita reagensseja, yksi ope-
raattori voi analysoida suurta määrää näytteitä
Kalibraatiomallien luominen on vaativaa
Mahdollisuus usean spektrin skannaukseen samasta kohteesta, jolloin saadaan edustavampi näyte sekä tarkempi analyysitulos
Tarkka ja luotettava kalibraatio vaatii paljon dataa, jossa on paljon hajontaa, jota on usein haastavaa hankkia
Vaatii minimaalisen näytteenkäsittelyn Vaatii kalibraatiodatan jatkuvaa ylläpitoa Samasta näytteestä voidaan mitata samanaikaisesti
useaa eri ominaisuutta
Kalibraation siirtäminen laitteesta toiseen on haastavaa
Helppo soveltaa eri ympäristöihin, kuten laboratori- oon ja teollisuuteen
Vaatii tarkan kemikaalisen ja fysikaalisen ana- lyysin referenssinäytteistä
Mahdollisuus in/on/at-line-mittauksiin Mittaus voidaan suorittaa lasin läpi Mittauksen hyvä skaalattavuus
Viimeisen parin vuosikymmenen aikana farmaseuttisen teollisuuden pyrkiessä siirtymään eräkohtai- sesta valmistuksesta kohti jatkuvatoimista valmistusta, on tarve PAT-työkaluille ja prosessianalysaatto- reille kasvanut (De Beer ym. 2011). NIR-spektroskopiaa on tutkittu useiden eri eräkohtaisten yksikkö- prosessien monitoroinnissa, ja tutkimusta on sovellettu myös jatkuvatoimisiin valmistusprosesseihin.
4.2 NIR-spektroskopia yksikköprosessien monitoroinnissa
4.2.1 Sekoitusprosessi
Jauheiden sekoittaminen on yksi keskeisimmistä prosesseista lääketeollisuudessa (Berntsson ym.
2002). Jauheiden sekoittumisen kontrollointi on tärkeää lääketeollisuudessa potilasturvallisuuden ta- kaavien tiukkojen lainsäädännöllisten vaatimusten vuoksi. Perinteisesti lääketeollisuudessa sekoitetun jauheseoksen näytteistys on tapahtunut näytteensieppaajalla. Menetelmässä on kuitenkin useita on- gelmakohtia. Näytteensieppaus on invasiivinen menetelmä, jolloin jauhepartikkelien järjestys häiriin- tyy, ja jauheen virratessa näytteensieppaajan onkaloihin segregaation riski kasvaa. Siepattujen näyttei- den tulee myös kattavasti edustaa koko seosta, jotta sekoittumisasteesta voidaan varmistua. Tyypilli- sessä sekoitusprosessissa sekoitus pysäytetään tietyn sekoitusajan jälkeen näytteistystä varten. Kerätyt näytteet analysoidaan esimerkiksi UV/Vis-spektrometrillä tai HPLC:lla (Sulub ym. 2009). Tämän proses- sin hitauden, näytteen edustavuuden epävarmuuden ja menetelmän invasiivisuuden seurauksena on kehittynyt tarve ei-invasiivisille näytteistysmenetelmille.
NIR-spektroskopiaa on tutkittu laajasti jauheseoksen homogeenisyyden määrittämisessä sekoituksen aikana (De Beer ym. 2011). Ensimmäisissä tutkimuksissa NIR:n soveltuvuudesta sekoittumisen monito- rointiin sekoittumisastetta tutkittiin mittaamalla spektridataa V-sekoittimen pyörimisakseliin asenne- tulla reflektanssiin perustuvalla mittapäällä (Hailey ym. 1996, Sekulic ym. 1996). Sekulic ym. (1996) tut- kivat farmaseuttista jauheseosta, joka sisälsi tyypillisessä suhteessa lääkeainetta ja apuaineita. Sekoi- tuksen alussa spektreissä havaittiin muutosta, kunnes tietyn aikapisteen jälkeen varianssi pysyi va- kiona, mistä voitiin päätellä seoksen olleen sekoittunut. Perinteisesti sekoitusprosessin kesto on en- nalta määritetty aikaisempien tutkimusten perusteella, jolloin seoksen voidaan olettaa olevan riittävän sekoittunut. Sekulicin ym. (1996) tutkimuksen mukaan seoksen homogeenisyys havaittiin jo huomatta-
vasti tyypillistä sekoitusaikaa lyhyemmässä ajassa. Sekulicin ym. (1998) tutkimusryhmä selvitti myö- hemmässä tutkimuksessaan, kuinka erilaiset datan esikäsittelymenetelmät ja sekoituksen profilointi- menetelmät vaikuttavat NIR:n soveltuvuuteen sekoittumisen monitoroinnissa. Tutkimusryhmä havaitsi, ettei eri lähestymistavoilla ollut eroja sekoittumisen loppupisteen määrittämisessä. Tuntemattomien näytteiden luokitteluun käytettävällä SIMCA-mallilla (soft independent modelling of class analogy) kä- sitellyn datan perusteella havaittiin, että sekoitusprosessin mittakaavalla ei olisi merkitystä, vaan kalib- rointimalli voitaisiin tehdä pienemmällä erällä ja havaita vastaava sekoitusprofiili myös isommalla erällä. Uudemmissa tutkimuksissa eri kalibrointimenetelmien välillä on kuitenkin havaittu eroja (El- Hagrasy ja Drennen 2006). Tutkimuksessa havaittiin, että lineaarista regressiota yksittäisellä aallonpi- tuudella käyttämällä saatiin muodostettua optimaalinen kalibraatiomalli ja parhaat tulokset. Kalibraa- tiomallien luotettavuuteen vaikuttavat kuitenkin voimakkaasti esimerkiksi käytettyjen materiaalien ominaisuudet, kuten puristettavuus, tärytiheys ja partikkelikoko (Soh ym. 2007).
Useissa eri tutkimuksissa on havaittu, kuinka useampi eri näytteenottokohta sekoittimessa on välttä- mätöntä, jotta voidaan varmistua mittaustuloksen luotettavuudesta (El-Hagrasy ym. 2001, Shi ym.
2008). El-Hagrasy ym. (2001) havaitsivat identtisillä seoksilla homogeenisyyden saavuttamiseen vaadi- tun ajan vaihtelevan eri sekoituskertojen välillä, minkä perusteella sekoittumisen monitorointi olisi hyödyllistä halutun lopputuloksen varmistamiseksi. NIR-spektroskopian on todettu seoksen ho- mogeenisyyden havaitsemisen lisäksi kykenevän kvantifioimaan lääke- ja apuaineiden pitoisuuksia re- aaliaikaisesti sekoituksen aikana in-line-menetelmällä (Moes ym. 2008, Liew ym. 2010). Sulub ym.
(2009) tutkivat NIR-spektroskopialla vaikuttavan aineen pitoisuuden kuvaamista PLS-kalibraatiomal- lilla. NIR-spektroskopisella menetelmällä saadut arvot olivat lähellä referenssimenetelmänä käytetyllä HPLC:lla mitattuja arvoja. NIR-spektroskopia soveltuu siis hyvin sekoitusprosessin monitorointiin ja sitä voidaan soveltaa usealla erilaisella lähestymistavalla.
4.2.2 Märkärakeistus ja rakeiden kuivaus
Suuri osa farmaseuttisista jauheseoksista ei sovellu sellaisenaan tablettien suorapuristukseen. Märkä- rakeistuksella, kuten leijupetirakeistuksella, voidaan jauheiden valuvuus- ja puristusominaisuuksia pa- rantaa. Leijupetirakeistus on kuitenkin monimutkainen prosessi, jossa on useita eri rakeiden laatuun
vaikuttavia muuttujia. Tämän seurauksena rakeistusprosessin monitoroinnilla voidaan parantaa pro- sessin ymmärrystä (Morin ja Briens 2014). Yksi vaihtoehto rakeistusprosessin monitorointiin on NIR- spektrometri, jolla voidaan monitoroida rakeistusprosessia esimerkiksi rakeistimessa olevan ikkunan läpi (Cogdill ja Drennen 2006). Kun kiinteät hiukkaset liikkuvat ilmassa prosessin aikana, pieni osa niistä on jatkuvasti dynaamisessa kosketuksessa ikkunan kanssa, mikä mahdollistaa reflektanssispekt- rin mittaamisen. Tärkein tekijä, joka vaikuttaa muodostuvien rakeiden kokoon ja kasvunopeuteen on kosteuspitoisuus (Frake ym. 1997). Rakeistuksen loppupiste voi olla hankala määrittää, joten rakeiden kriittisten ominaisuuksien prosessinaikainen monitorointi voi auttaa varmistamaan prosessin luotetta- vuutta. Frake ym. (1997) mittasivat leijupetirakeistetuista rakeista kosteuspituutta rakeistimen ala- osasta ikkunan läpi. Spektridata kalibroitiin tietyn absorbanssipiikin muutoksen ja referenssimenetel- mänä käytetyn Karl-Fischerin kosteuspitoisuus- sekä loss-on-drying-datan avulla, jolloin voitiin selvit- tää rakeen kosteuspitoisuus ja määrittää rakeistuksen loppupiste. Vesi aiheuttaa voimakkaan ab- sorptiosignaalin NIR-spektriin, mikä voi tuottaa haasteita vettä sisältävien näytteiden mittaamisessa, mutta voimakas signaali on mahdollista hyödyntää kosteuspitoisuuden monitoroinnissa (De Beer ym.
2009). Veden mittaamiseen ei ole tarpeellista käyttää koko NIR-spektriä, vaan muutama aallonpituus veden absorptiokaistan lähistöllä riittää luotettavaan ja nopeaan kosteuden havaitsemiseen (Rantanen ym. 2000b). Näitä aallonpitoisuuksia valitessa on kuitenkin tärkeää huomioida rakeistusnesteen ja par- tikkelikoon vaikutukset havaittuun signaaliin. Rantanen ym. (2000a) kokosivat automatisoidun leijupe- tirakeistimen, jossa kosteuspitoisuutta mitattiin FT-NIR-spektrometrillä. Yhteensä neljää eri aallonpi- tuutta käyttämällä pystyttiin mittaamaan rakeiden kosteuspitoisuus tarkasti. Myös Findlay ym. (2005) monitoroivat samanaikaisesti kosteuspitoisuutta ja partikkelikokoa leijupetirakeistuksen aikana. Kun formulaatiolle on selvitetty ennalta rakeiden tavoitekoko sekä kosteuden huippu- ja loppupitoisuus, voidaan NIR-spektroskopian avulla määrittää, milloin rakeistusnesteen lisääminen voidaan lopettaa, ja milloin rakeet ovat kuivuneet.
Alcalá ym. (2010) onnistuivat käyttämään on-line-NIR-spektrometriä ei-invasiivisesti rakeistusprosessin kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analyysiin. Heidän kehittämänsä pääkomponenttianalyysiin perus- tuva kvalitatiivinen malli kykeni havaitsemaan rakeistusprosessin eri vaiheet pelkästä spektridatasta.
Myös Tokin (2008) tutkimusryhmä onnistui havaitsemaan rakeistusprosessin eri vaiheet NIR:lla. He ver- tailivat NIR:a kahteen muuhun prosessianalyyttiseen teknologiaan. Rakeistusvaiheiden havaitseminen
vahvistettiin vertailemalla mittaustuloksia off-line-näytteisiin, jotka analysoitiin käyttämällä laserdif- fraktiota, pyyhkäisyelektronimikroskooppia ja loss-on-drying-menetelmää.
NIR-spektroskopiaa on hyödynnetty märkärakeistuksessa myös pseudopolymorfian eli solvaattien muodostumisen monitoroinnissa (Räsänen ym. 2001). Räsänen ym. rakeistivat kidevedetöntä teofyllii- niä planetaarisessa sekoittimessa käyttäen vettä rakeistusnesteenä. He havaitsivat, että korkeammilla rakeistusnesteen määrillä voitiin absorptiospektristä selkeästi havaita kidevedettömän muodon muut- tuneen monohydraattimuotoon. NIR:lla voitiin havaita vesimolekyylien eri tilat nopeammin ja jousta- vammin kuin perinteisillä menetelmillä. Myös Jørgensen ym. (2002) onnistuivat seuraamaan hydraat- tien muodostumista rakeistuksen aikana.
Kosteuspitoisuus on farmaseuttisissa jauheissa usein kriittinen laatuominaisuus, sillä kosteus voi vai- kuttaa jauheen stabiiliuteen, valumisominaisuuksiin ja puristettavuuteen (Peinado ym. 2011). Jos ra- keita ylikuivataan, voi kuivain aiheuttaa rakeiden attritiota. Liian vähäinen kuivaus taas voi johtaa valu- vuusongelmiin. Nieuwmeyer ym. (2007) muodostivat NIR-mallin, joka määritti rakeiden vesipitoisuutta kuivauksen aikana. Malli muodostettiin mittaamalla NIR-spektrit näyterakeista ja korreloimalla ne PCA:lla ja PLS:lla. Mallin ansiosta vesipitoisuus pystyttiin määrittämään off-line Karl-Fischer kalorimet- rian tarkkuudella. Mallin avulla pystyttiin myös erottamaan eri kuivumisvaiheet toisistaan ja siten mää- rittämään loppupiste kuivaukselle. Peinado ym. (2011) rakensivat PLS-mallin, joka perustui NIR-spekt- roskopiaan ja kosteusmäärityksiin, tavoitteenaan määrittää leijupetikuivausprosessin loppupiste. Malli muodostettiin eristä, jotka oli valmistettu täydessä teollisessa mittakaavassa. Peinadon tutkimusryhmä validoi menetelmän, joka todettiin kuivauksen loppupisteen määrittämisessä jopa neljä kertaa tarkem- maksi kuin vertailumenetelmä. NIR-malliin perustuvaa loppupisteen määritystä käytettäessä kuivaus- ajassa voitiin säästää jopa 10 prosenttia. Näin ollen NIR-spektroskopiaa käyttämällä voitaisiin säästää sekä energiaa että aikaa leijukuivauksessa.
Green ym. (2005) tutkivat erilaisten näytteenottoasetelmien ja tuotantomittakaavan vaikutusta leijupe- tikuivauksen monitorointiin NIR:lla. Prosessin heterogeenisyydellä on suuri rooli näennäisen kuvaus- tarkkuuden määrittämisessä. Tutkimuksen perusteella menetelmä, jolla on pienin näennäinen virhe ei välttämättä ole optimaalisin prosessin kontrollointiin ja monitorointiin. Morris ym. (2000) kehittivät lei-
jupetikuivauksesta nopeutetun menetelmän hyödyntämällä NIR-dataa. Tässä lähestymistavassa käy- tettiin NIR-arvoja tunnistamaan lämpötilasta riippumaton loppupiste, jonka perusteella voidaan alen- taa sisään tulevan ilman lämpötilaa ja lopettaa kuivausprosessi.
Kuten aikaisemmin todettiin, NIR soveltuu pseudopolymorfien muutosten havaitsemiseen. Tätä voi- daan hyödyntää myös kuivauksen monitoroinnissa. Kogermann ym. (2008) tutkivat Raman- ja NIR- spektroskopioilla faasimuutoksia dehydraation aikana. NIR-spektroskopialla pystyttiin havaitsemaan lääkeaineen dehydraatio monohydraatista kidevedettömään muotoon. NIR:lla ei kuitenkaan pystytty havaitsemaan muita rakenteellisia muutoksia toisin kuin Raman-spektroskopialla. Römer ym. (2008) monitoroivat erytromysiinidihydraatin faasimuutoksia leijukuivauksen aikana in-line-NIR:lla. Erytromy- siinin dehydratoituminen voitiin havaita onnistuneesti NIR:lla.
4.2.3 Kuivarakeistus
Kuivarakeistusmenetelmiä, kuten rullapuristusta, voidaan soveltaa esimerkiksi kosteusherkille materi- aaleille, joiden valuvuus- ja puristettavuusominaisuuksia halutaan parantaa. Rullapuristuksellakin on kuitenkin omat haasteensa, joista kaksi suurinta haastetta ovat rakeiden ominaisuudet, kuten koko, puristettavuus ja vahvuus, sekä niiden sisällön yhdenmukaisuus (Gupta ym. 2004). Kun nauhan tiheys kasvaa, vähemmän NIR-valoa siroaa näytteen ilma-partikkeli-rajapintojen vähenemisen seurauksena, ja vähemmän valoa pääsee detektorille antaen näennäisesti korkeamman absorbanssilukeman (Crow- ley ym. 2017). Tätä ilmiötä voidaan hyödyntää nauhan tiheyden mittaamisessa NIR-spektroskopialla.
Nauhan tiheyttä on mitattu useissa eri julkaisuissa (Gupta ym. 2005, Acevedo ym. 2012, Samanta ym.
2013, Crowley ym. 2017). Gupta ym. (2004) käyttivät NIR-spektrin best-fit suoran kulmakerrointa puris- teen lujuuden määrityksessä. Samassa tutkimussarjassa Guptan tutkimusryhmä (2005) määritti PLS- kalibraatiomallilla nauhasta vaikuttavan aineen pitoisuutta, tiheyttä, murtolujuutta sekä Youngin mo- duuliarvoja. Tutkimuksessa käytetyn asetelman ongelmana oli puristamattoman jauheen NIR-sensorin lähettyville muodostama pölypilvi. Pölyhiukkasten sirottava valo vaikuttaa NIR-signaaliin, minkä Gupta ym. arvelivat johtaneen kuvattujen murtolujuuksien ja Youngin moduuliarvojen suureen hajontaan.
Myös Soh ym. (2007) vahvistivat NIR-spektrin kulmakertoimen olevan soveltuva rullapuristuksen ja eri- tyisesti nauhan tiheyden monitorointiin. Feng ym. (2008) pyrkivät selvittämään nauhan in-line-NIR- spektrin vaihtelevuuden lähdettä. Fengin tutkimusryhmä havaitsi NIR-signaalin intensiteetin olevan
