STUDI KINETIKA TRANSFORMASI POLIMORFIK EFAVIRENZ · berada dalam banyak wujud materi padat yang...
-
Upload
hoangthien -
Category
Documents
-
view
224 -
download
0
Transcript of STUDI KINETIKA TRANSFORMASI POLIMORFIK EFAVIRENZ · berada dalam banyak wujud materi padat yang...
i
ABSTRAK
STUDI KINETIKA TRANSFORMASI
POLIMORFIK EFAVIRENZ
Oleh
Yoga Windhu Wardhana
NIM 30714005
(Program Studi Farmasi)
Polimorfisme merupakan kemampuan suatu senyawa dengan nama kimia yang sama
berada dalam banyak wujud materi padat yang berbeda. Fenomena polimorfisme
bahan aktif farmasi (BAF) masih belum mendapat perhatian serius di Indonesia.
Penelitian yang berkaitan dengan peristiwa polimorfisme BAF yang beredar di
Indonesia masih sangat terbatas. Padahal sifat fisikokimia setiap bentuk polimorf
seperti termodinamika, kinetika, spektroskopi, permukaan, dan mekanik berbeda.
Keseluruhan sifat fisikokimia tersebut akan mempengaruhi kemampuan proses
produksi dan kualitas sediaan farmasi, demikian pula efikasinya. Dalam
pengembangan produk, fenomena polimorfisme BAF menjadi faktor penting. Selain
terhadap permasalahan kualitas dan hak paten produk, juga berkaitan dengan risiko
stabilitas BAF selama proses manufakturing, distribusi dan penyimpanan. Oleh
karena itu, dalam proses pengembangan sediaan farmasi dituntut pemahaman
terhadap fenomena polimorfisme BAF terpilih. Stabilitas BAF pada umumnya
didasarkan pada perubahan kimiawi saja, sedangkan fenomena polimorfik berada di
luar hal tersebut. Dengan demikian penentuan waktu kedaluarsa BAF yang terurai
akibat reaksi kimia tidak dapat diterapkan dalam fenomena fisika transformasi
polimorfik. Melalui penelitian ini akan dipelajari bagaimana mekanisme dan kinetika
perubahan (transformasi) dari salah satu BAF yaitu efavirenz (EFV) yang memiliki
23 bentuk polimorf.
EFV adalah antiviral HIV (Human Immunodeficiency Virus) tipe 1 yang menjadi
pilihan utama dalam menangani penderita AIDS (Acquired Immunodeficiency
Syndrome) awal. Sementara itu, hanya bentuk stabilnya saja yang digunakan di dalam
sediaan obat di pasaran daripada bentuk-bentuk lainnya. Bentuk polimorfik lainnya
belum banyak dipelajari. Masih terdapat kekosongan informasi dari pustaka yang
masih perlu dilengkapi tentang karakter polimorf EFV. Pada penelitian ini perolehan
bentuk EFV melalui rekristalisasi bahan di pasaran dengan berbagai variasi jenis
pelarut sesuai rentang polaritas (perbedaan konstanta dielektrik, ε) beberapa pelarut
terpilih. Pelarut dipilih mengacu pada penelitian sebelumnya yang menggunakan
rentang ε cukup lebar dari pelarut non polar hingga polar, yaitu n–heksana (ε = 1,8),
ii
n–heptana (ε = 1,9), metanol–etilasetat (ε = 33 dan ε = 6), metanol (ε = 33) dan
asetonitril (ε = 38). Sedangkan bentuk amorf cukup sulit diperoleh melalui cara
penguapan pelarut, sehingga dipersiapkan dengan metode pendinginan cepat hasil
leburannya. Kristal yang diperoleh kemudian dikarakterisasi secara lengkap baik
morfologi, kristalinitas, perilaku termal, pola spektrum vibrasi, dan sifat kelarutan
maupun disolusinya.
Pemantauan awal perbedaan habit kristal diamati di bawah mikroskop polarisasi.
Tampak adanya perbedaan morfologi keseluruhan produk rekristalisasi dan
pendinginan cepat hasil leburan. Untuk memastikan bahwa habit kristal tersebut
merupakan jenis kristal yang berlainan (polimorf) dilakukan pemeriksaan difraksi
sinar–X serbuk terhadap sampel. Hasilnya ditemukan puncak-puncak pada sudut 2θ
berbeda. Hal ini membuktikan seluruh produk rekristalisasi merupakan polimorf
yang berbeda. Perilaku termal hasil pemeriksaan DSC (Differential Scanning
Calorimetry) dan DTA (Differential Thermal Analysis) setiap polimorf memperkuat
perbedaan sifat setiap polimorf. Pola termogram dari polimorf metastabil (Form II
maupun III ke Form I) memperlihatkan transformasi polimorfik berlangsung
monotropi, dimana kelarutan bentuk stabil lebih rendah dan transisi melalui puncak
eksoterm terlebih dulu. Guna memperoleh informasi yang jelas tentang gugus fungsi
yang bertanggung jawab terhadap perbedaan orientasi struktur polimorf, digunakan
metode spektroskopi FTIR (Fourier Transform Infrared) dan Raman. Hasil
pemantauan dari pola spektrum vibrasi kedua metode tersebut memperlihatkan kese-
ragaman pola puncak, tetapi ada intensitas yang berbeda terutama pada bilangan ge-
lombang 657; 2358; dan 3316 cm–1. Masing-masing secara berurutan menggambar-
kan pergerakan dari gugus δ(CF3), v(C≡C), dan ikatan hidrogen pada amida
R2[v(NH)]. Pada bilangan gelombang 657 dan 2358 cm–1 intensitas spektrum FTIR
dari dua bentuk polimorf (Form II dan III) sangat lemah. Konfirmasi dari spektros-
kopi Raman memperlihatkan lebih jelas adanya pergeseran puncak bentuk stabilnya
(Form I). Puncak-puncak yang lebih terbaca di spektroskopi Raman menunjukkan
bahwa kedua bentuk (Form II dan III) mengalami peningkatan polarisabilitas
sehingga gugus-gugus bergerak ke arah ikatan simetris dan semi simetris.
Salah satu sifat fisika penting yang mempengaruhi efektivitas terapi obat adalah
kemampuan bahan aktif melarut dalam air. Hasil pemeriksaan kelarutan dan disolusi
partikulat polimorf yang dihasilkan memperlihatkan tiga polimorf yang paling larut
dibanding bentuk stabilnya (Form I) yaitu Form II, III dan A (amorf). Diantara
ketiganya, Form A menunjukkan ketidakstabilannya, terlihat dari penurunan
kelarutan setelah 48 jam pengujian (menurun 18,4%) dan terlihat jelas penurunan laju
disolusinya setelah 15 menit (sehingga total setelah 1 jam dibawah Form II sebesar
48,9+0,31% jumlah terlarut).
Berdasarkan sifat dan karakter hasil pengamatan di atas, maka Form II dan III dapat
digunakan sebagai kajian alternatif BAF yang direkomendasikan. Tetapi sebelum
iii
polimorf tersebut digunakan, peristiwa transformasi polimorfik yang terjadi perlu
dipelajari. Transformasi polimorfik dari bentuk metastabil ke bentuk stabilnya selama
pengolahan (manufaktur) dapat dipengaruhi energi panas dan mekanik. Induksi
energi panas dilakukan melalui penyimpanan sampel di oven dalam beberapa variasi
suhu. Sedangkan perlakuan mekanik melalui penggilingan sampel pada mesin giling
otomatis (Retsch RM 100) yang berkecepatan tetap (90 putaran per menit), selama
rentang waktu 30–220 menit.
Pemeriksaan pendahuluan terhadap perubahan akibat panas dilakukan terhadap
sampel pada waktu penyimpanan 60 menit dengan variasi suhu dari 70–120OC.
Sedangkan perubahan selama perlakuan mekanik dilakukan dengan variasi waktu
dari 5–240 menit. Transformasi polimorfik yang terjadi dipantau menggunakan
difraktogram sinar–X serbuk dan spektrograf Raman. Berdasarkan pemantauan di
atas, maka ditetapkan tiga variasi suhu 60, 70 dan 80OC dengan interval waktu
penyimpanan dari 15–180 menit. Jumlah fasa yang berubah akan dikuantifikasi
menggunakan metode Rietveld refinement menggunakan perangkat lunak MAUD
(Material Analysis Using Diffraction) ver. 2.7.
Sebelum kuantifikasi fasa (QPA, Quantitative Phase Analysis) dibuat, diperlukan
model molekul yang cocok dengan pola difraktogram hasil percobaan. Hasil
penelusuran pustaka dari database CCDC (Cambridge Crystallographic Database
Center) diperoleh nomor disposisi CCDC dengan no. 728655, 758360, dan 767883
memiliki kedekatan pola difraksi dengan data percobaan. Hasil penapisan
menggunakan Rietveld refinement dengan metode Le Bail antara data percobaan dan
model diperoleh hasil perhitungan goodness of fit (GOF) = 1,66%, 2,27%, dan 6,2%
dari Form I, II, dan III secara berurutan. Sesuai dengan pustaka, keseluruhan nilai
GOF memperlihatkan kemiripan memadai untuk bisa digunakan dalam QPA.
Jumlah fasa hasil perlakuan yang telah dikuantifikasi dengan MAUD ver. 2.7
kemudian diplotkan dengan berbagai persamaan mekanisme dan kinetika yang umum
dan telah dipublikasi sebelumnya (Guo, Z., dkk., 2011, Cui, P., dkk., 2012, Zhang,
Q., dkk., 2014). Hasil plot dengan nilai linearitas (koefisien korelasi, R2) tertinggi
(R2 ≈ 0,999) menunjukkan mekanisme dan kinetika yang terjadi selama perlakuan
panas dan mekanik.
Hasil perlakuan mekanik memperlihatkan Form II memiliki koefisien korelasi
tertinggi pada mekanisme orde reaksi dua (R2). Hal ini menunjukkan proses
penggilingan menyebabkan sistem kristal menjadi lebih homogen, dan perubahan
tumbuh secara kuadratik (orde ke-2). Sedangkan Form III memiliki dua mekanisme
yang mendominasi perubahan yaitu (1) mekanisme difusi 1 dimensi dan (2) geometri
permukaan 3 dimensi. Dengan demikian perubahan terjadi baik dari sisi dalam
(difusi) ke berbagai arah tak berdimensi, maupun dari sisi luar permukaan ke segala
arah (pemuaian ruang).
iv
Untuk hasil pemanasan isotermal, terlihat setiap suhu memberikan perbedaan
mekanisme yang khas, akibat adanya perbedaan besar laju panas (entalpi). Akibatnya
terjadi perbedaan pertumbuhan sisi aktif kristal yang terpapar. Form II memiliki
banyak mekanisme yang mungkin muncul bersamaan, tetapi mengingat hukum
BFDH maka disimpulkan yang paling mungkin adalah mekanisme geometri
permukaan 2 dimensi (G2), berarti perubahan bermula dari sisi luar permukaan yang
menyebar luas ke segala arah. Sedangkan Form III memiliki sebaran mekanisme yang
sering muncul pada geometri permukaan 3 dimensi, sehingga disimpulkan
mekanisme tersebut adalah mekanisme paling mungkin terjadi. Berarti rata-rata
perubahan berlangsung dengan cara inti kristal yang tumbuh dari sisi luar permukaan
ke segala arah (pemuaian ruang).
Energi aktivasi perubahan diperoleh dengan memplotkan model mekanisme pema-
nasan isotermal terdekat terhadap persamaan Arrhenius. Nilai hasil perhitungan dari
model mekanisme kinetika tersebut menghasilkan energi aktivasi yang berbeda untuk
setiap polimorf yang bertransformasi. Hasil plot Arrhenius untuk Form II sesuai
mekanisme G2 diperoleh energi aktivasi sebesar 23,05 kJ mol–1 dan waktu paro di
suhu kamar 7,1 jam. Sedangkan Form III hasil perhitungan mekanisme kinetika G3
diperoleh energi aktivasi sebesar 47,2 kJ mol–1 dan waktu paro di suhu kamar pada
14,5 jam. Jumlah energi aktivasi pada kisaran 20–29 kJ mol–1 setara dengan energi
ikatan hidrogen yang terbentuk pada air ataupun alkohol, dengan demikian perubahan
orientasi molekul dari EFV Form II dapat terjadi dengan energi yang setara dengan
pemisahan ikatan hidrogen pada air atau energi penguapan air. Dengan demikian
EFV Form III masih lebih direkomendasikan penggunaannya mengingat energi
aktivasi yang besar dan waktu paro perubahan yang relatif lebih lama.
Penelitian ini telah berhasil mengungkap mekanisme dan kinetika terjadinya transfor-
masi polimorfik dari polimorf EFV metastabil Form II dan III menjadi Form I.
Metode kuantifikasi Rietveld refinement untuk penentuan fasa yang mengalami
perubahan termasuk metode yang paling baru. Penelitian ini dapat dijadikan model
dasar dalam penentuan stabilitas dan kinetika transformasi padatan dalam
pengembangan sediaan farmasi.
Kata Kunci : Efavirenz, polimorfisme, transformasi polimorfik, analisis kuantifikasi
fasa, Rietveld refinement.
v
ABSTRACT
KINETICS STUDY IN EFAVIRENZ
POLYMORPHIC TRANSFORMATION
By
Yoga Windhu Wardhana
NIM 30714005
(Doctoral Program in Pharmacy)
Polymorphism is an ability of a compound with the same chemical name to be in
many different solid-state. Polymorphism phenomenone of an active pharmaceutical
ingredient (API) hasn’t got serious attention in Indonesia. Research on
polymorphism phenomenone of API which has marketed in Indonesia is still very
limited. Whereas, physicochemical properties of polymorphs such as thermodynamic,
kinetic, spectroscopic, surface, and mechanical behavior are different. Those all
properties will influence the production process and quality of pharmaceutical
dosage forms, as well as its efficacy. In drug development, the polymorphism
phenomenon of API is the important factor. Not only on the quality problem and
patent claimed, but polymorphism also affects API stability during the manufacturing
process, distribution and storage. Therefore, knowledge on polymorphism of chosen
API should be considered during drug development. The issue of API stability mostly
based on chemical reactions, which means polymorphism phenomenone were almost
be excluded. Whereas expire date determination based on degradation due to
chemical reaction couldn’t be applied on polymorphic transformation which based
on physical phenomenone. Through this research, the study on mechanisms and
kinetics transformation of one the API such as efavirenz (EFV) which reported that
had 23 polymorphic forms, has been carried out.
EFV is an antiviral HIV (Human Immunodeficiency Virus) type 1 which has been a
priority choice for early AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome) patient. Only
a stable form of EFV has been used in the market besides other forms, while other
polymorphic forms need further study. There is a lack of information which should
be complimented as references concerning the character of EFV polymorphs. The
polymorphs used in this research obtained from recrystallized the marketed materials
using different kind of solvent with a varied range of polarity (as dielectric constants,
ε) of chosen solvent. The solvent were selected in accordance with previous research
with wide range of ε from non-polar to polar solvents, which are n-hexane (ε = 1.8),
n-heptane (ε = 1.9), methanol–ethylacetate (ε = 33 and ε = 6), methanol (ε = 33) and
acetonitrile (ε = 38). The amorphous form of EFV was hard to get using solvents
vi
evaporation, therefore prepared by melt quenching (quench cooling) methods. The
crystal habits resulted from those methods were characterized either morphology,
crystallinity, thermal behavior, vibrational spectrum patterns and solubility
including its dissolution natures.
Preliminary observation of crystal habit differences was observed under polarization
microscope. There were different morphology among all recrystallization products
and melt quenching . Confirmation of all crystal habits as different kinds of crystal
structure (polymorphs) was carried out by powder X–ray diffraction. The
diffractograms showed different peaks at 2θ angles. Those proved that all recrystalli-
zation products were different polymorphs. Thermal behavior from the DSC (Diffe-
rential Scanning Calorimetry) and DTA (Differential Thermal Analysis) thermo-
grams analysis confirmed the different properties of the polymorphs. Thermogram
patterns showed that metastable transition (Form II as well as Form III become to
Form I) to stable polymorphs was monotropy, whereas the solubility of stable form
lower and transition indicated by the exotherm peak previuosly. To clarify the
information on functional groups responsible for structure orientation diversely in
polymorphs, FTIR (Fourier Transform Infrared) and Raman spectroscopy methods
were implemented. Vibrational spectrum patterns from both types of equipment
observed uniformity of peak patterns but slightly differ in intensity especially
wavenumbers around 657; 2358; and 3316 cm–1. Each of wavenumbers was
represented by shifting groups of δ(CF3), v(C≡C), and amides hydrogen bonding of
R2[v(NH)], respectively. Wavenumber intensity around 657 and 2358 cm–1 of two
polymorphic forms (Form II and III) monitored by FTIR spectroscopy were very
weak. Raman spectroscopy confirms obviously any peak location shifting from the
stable ones (Form I). Lucidity peaks from Raman spectroscopy indicated that both
forms (Form II and III) showed increased polarizability due to shifting of groups into
symmetrically and semi-symmetrically bonding.
One of the important physical properties affecting drug effectivity is water solubility.
Investigation in solubility and particulate dissolution on polymorphs resulted in that
three of polymorphs as the most soluble compared with the stable form (Form I) to
which Form II, III, and A (amorphous). Among those three, Form A was unstable in
nature, as showed a decrease in solubility after 48 hours (declined for 18.4%) and
decline its dissolution rate after 15 minutes (totally after an hour examination was
decreasing below the form II around 48,9+0,31% amount soluble).
Based on their properties and character, Form II and III were used to study as an
alternative API recommendation. However, before using those polymorphs the
polymorphic transformation event should be study well. The polymorphic
transformation from the metastable to the stable form could happen during
manufacture process due to heat and mechanical forces. Heating forces induction
treatment was performed by storing the samples in the oven with various temperature.
Meanwhile, mechanical treatment was carried out by grinding the samples in
automatic grinding (Retsch RM 100) with constant speed (90 rotation per minutes)
during time interval 30–220 minutes.
vii
A preliminary experiment to study the changes caused by heat was conducted by sto-
ring the samples in 60 minutes oven storage at a temperature range from 70–120OC.
While the changing in mechanical treatment performed at time variation 5–240
minutes. The polymorphic transformation was monitored using powder X–ray
diffractogram and Raman spectroscopy. Based on the observation, temperature
varia-tions was decided to use three variations temperature i.e. 60, 70 and 80OC at
time storage interval from 15–180 minutes. The alteration numbers of phases were
quantified by Rietveld refinement using MAUD (Material Analysis Using Diffraction)
ver. 2.7 software.
Before the QPA (Quantitative Phase Analysis,) was developed, a molecular model to
fit the experimental diffractogram patterns need to be designed. Reference seeking
found from the CCDC (Cambridge Crystallographic Database Center) database that
CCDC no. 728655, 758360, and 767883 have been closed patterns. Rietveld refine-
ment using Le Bail fitting methods among both experimental data and model result
are goodness of fit (GOF) = 1,66%, 2,27%, and 6,2% from Form I, II, and III,
respectively. Those all resulted were precise enough to be used in QPA accordance
to references.
The quantified phase of experimental data treatment resulted from MAUD ver. 2.7
was plotted with common mechanisms and kinetics equation that has been published
(Guo, Z., et al., 2011, Cui, P., et al., 2012, Zhang, Q., et al., 2014). Plot yielded in
highest linearity (correlation coefficient, R2 ≈ 0.999) refers to the mechanism and
kinetic happen during the heat and mechanical treatment.
The mechanical treatment showed that Form II has the highest correlation coefficient
in the second-order mechanism (R2). This meant the grinding process forced crystals
to be homogenous system and quadratic growth happen changes (2nd ordered). While
Form III has two dominantly mechanisms such as (1) one-dimensional diffusion and
(2) the three-dimensional phase boundaries. There meant that changes happened
from inside (diffusion) crystal to an infinite flat plane, and also from outside at
surface expand to all direction (volume expansion).
In isothermal heating, every temperature variations showed unique mechanisms
differences, caused by differential amount of energy rate (enthalpy). Form II has a
lot of possible mechanisms appear simultaneously, but considering to BFDH law that
two-dimensional phase boundary mechanism (G2) is the most possible to occured,
which means that the growth of changing came from outside of the surface to
widespread. Whilst Form III having mechanisms three-dimensional phase boundary
(G3) was distributed oftenly, so that mechanism conclude to become the most possible
mechanism occured. This means that change occurs start from outside crystal
nucleus surface to all direction (volume expansion).
The transformed activation energy was derived by plotting the closed heating
treatments fitted models to Arrhenius equation. The calculation result from those
kinetic mechanisms differed for each polymorph transition. The Arrhenius plotted of
Form II according G2 mechanism has activation energy around 23.05 kJ mol–1 and
half life at room temperature at 7.1 hours. While Form III with G3 mechanism has
viii
activation energy around 47.2 kJ mol–1 and half life at room temperature 14.5 hours.
Amount activation energy around 20–29 kJ mol–1 were equal to hydrogen bonding
energy in water and alcohols, it means molecule orientation transformation of EFV
Form II has taken place with energy equal to water or alcohols evaporation. Thereby,
EFV Form III has application recommended consider to the highest activation energy
and relative has a long half time.
This research had been succeeded to reveal the mechanism and kinetic occurs on the
polymorphic transformation of metastable EFV polymorphs Form II and III. The
quantifying methods by Rietveld refinement for changing phase determination has
come under the new method. This investigation could become the role model for
stability and kinetics of solid state study in pharmaceuticals development.
Key Words: Efavirenz, polymorphism, polymorphic transformation, quantitative
phase analysis, Rietveld refinement