Zeitschrift für mikrobielle und biochemische Technologie

Abstrakt

Anwendungen von Core-Shell-Partikeln in API durch Flüssigkeitschromatographie

Malik Qaisar Hussain

Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) und Ultrahochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (UHPLC oder UPLC) sind die am häufigsten verwendeten Werkzeuge für die Analyse und routinemäßige interne Kontrolle von aktiven pharmazeutischen Inhaltsstoffen (API). Dabei werden Pumpen eingesetzt, um ein kontrolliertes flüssiges Lösungsmittel, das die Probenmischung enthält, durch eine Säule zu leiten, die mit einem festen Adsorbens gefüllt ist. Jedes Element in der Probe interagiert leicht unterschiedlich mit dem Adsorbens, was zu unterschiedlichen Durchflussraten für die verschiedenen Elemente führt und zur Trennung der Elemente beim Austritt aus der Säule führt. HPLC unterscheidet sich von herkömmlicher Flüssigkeitschromatographie dadurch, dass die Betriebsdrücke erheblich höher sind (50–350 bar), während herkömmliche Flüssigkeitschromatographie normalerweise auf die Schwerkraft angewiesen ist, um den mobilen Abschnitt durch die Säule zu leiten. Aufgrund der geringen Probenmenge, die bei analytischer HPLC getrennt wird, betragen die typischen Säulenabmessungen 2,1–4,6 metrische lineare Einheiten im Durchmesser und 30–250 metrische lineare Einheiten in der Länge. Außerdem werden HPLC-Säulen mit kleineren Adsorbenspartikeln hergestellt (durchschnittliche Partikelgröße 2–50 μm). Dies verleiht der HPLC eine höhere Auflösung (die Fähigkeit, zwischen Verbindungen zu unterscheiden) beim Trennen von Gemischen, was sie zu einer beliebten natürlichen Reaktionsmethode macht.

Normalphasen-HPLC (NP-HPLC): Diese Methode trennt Analyten aufgrund ihrer Affinität zu einer polaren stationären Oberfläche wie Siliziumdioxid und unterstützt dadurch die Fähigkeit des Analyten, polare Wechselwirkungen mit der Materialoberfläche einzugehen. NP-HPLC verwendet eine unpolare, nicht wässrige mobile Phase und eignet sich gut zum Trennen von Analyten, die in unpolaren Lösungsmitteln sofort löslich sind. Der Analyt verbindet sich mit der polaren stationären Phase und wird von dieser gehalten. Die Oberflächenaufnahmestärke steigt mit zunehmender Analytpolarität an. Die Wechselwirkungsstärke hängt nicht nur von den in der Struktur des Analytmoleküls vorhandenen funktionellen Gruppen ab, sondern auch von sterischen Faktoren. Die Auswirkung sterischer Hinderung auf die Wechselwirkungsstärke ermöglicht es dieser Methode, Strukturisomere zu trennen. Die Verwendung vieler polarer Lösungsmittel in der mobilen Phase kann die Retentionszeit der Analyten erhöhen, während viele hydrophobe Lösungsmittel dazu neigen, eine schnellere Extraktion zu bewirken. Stark polare Lösungsmittel wie Spuren von Wasser im mobilen Abschnitt neigen dazu, sich an der festen Oberfläche des stationären Abschnitts anzulagern und eine stationäre positive (Wasser-)Schicht zu bilden, die eine aktive Rolle bei der Retention spielt. Dieses Verhalten ist für die herkömmliche organische Phase etwas eigenartig, da es fast ausschließlich von einem chemisorptiven Mechanismus bestimmt wird, d. h. Analyten bewegen sich entlang einer festen Oberfläche und nicht entlang der solvatisierten Schicht einer Substanz, die an der Materialoberfläche haftet. Die organische Phase mit Oberflächenanlagerung wird häufig für die Trennung struktureller Verbindungen in Säulen- und  Dünnschicht-organischen Prozessen auf aktivierten (getrockneten) Siliziumdioxid- oder Aluminiumoxidträgern verwendet.

UPLC oder UHPLC (Ultra High Performance Liquid Chromatography) und HPLC sind beides flüssige organische Reaktionstechniken zum Trennen der Bestandteile einer Verbindung oder Mischung. Obwohl UHPLC und HPLC beide in zahlreichen Situationen Vorteile haben, gibt es Zeiten, in denen UHPLC eindeutig die bessere Wahl ist. Vor allem bietet UHPLC dank der kleineren Säulenpartikel eine höhere Auflösung. Abhängig von der Art des Materials in der Säule (auch Kolophonium oder stationäre Phase genannt) kann UHPLC Verbindungen basierend auf ihrer Molekülgröße, Polarität oder elektrischen Ladung trennen. Die wichtigste Herausforderung bei diesen Techniken besteht in einer schnellen und kostengünstigen Trennung. Beide Techniken werden aufgrund ihrer Eigenschaften, hohen Genauigkeit und bemerkenswerten Genauigkeit bevorzugt. Auf der anderen Seite haben sie einige Einschränkungen: In einigen Fällen verwendet herkömmliche HPLC große Mengen organischer Lösungsmittel mit längeren Analysezeiten, und außerdem hat UHPLC einen hohen Gegendruck und Widerstandsheizung. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Wissenschaftler neue Arten von Säulenpartikeln entwickelt. Generell werden für HPLC und UHPLC zwei völlig unterschiedliche Säulenmaterialien auf Basis von Siliziumdioxid verwendet, die auf ihrem Rückgrat basieren. Stationäre Phasen mit vollständig porösen Siliziumdioxidpartikeln erfüllen die grundlegenden Untersuchungskriterien, weisen jedoch alle Einschränkungen der HPLC auf. In den letzten Jahren werden jedoch zunehmend Core-Shell-Siliziumdioxidpartikel (eine Kombination aus festem Kern und poröser Schale) für äußerst kostengünstige Trennungen mit verkürzten Laufzeiten verwendet.

Somit bietet die Core-Shell-Technologie die gleiche wirtschaftliche Trennung wie die bei der UHPLC eingesetzten Partikel kleiner als 2 μm, wobei die Nachteile (möglicherweise geringerer Gegendruck) entfallen. Die Schlüsselfaktoren für Core-Shell-Partikel sind Größe und Dicke der porösen Schalenschicht, wobei letztere mithilfe der Van-Deemter-Gleichung erklärt werden kann. Die mit Core-Shell-Partikeln gefüllten Säulen werden in einer sehr großen Bandbreite von Anwendungen zur Analyse und internen Kontrolle pharmazeutischer Wirkstoffe eingesetzt.