ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΘΟΔΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΤΑΥΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΠΟΛΥΜΟΡΦΟΥ ΤΗΣ ΡΙΣΠΕΡΙΔΟΝΗΣ ΣΕ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΔΙΣΚΙΑ

Transcript

1 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΘΟΔΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΤΑΥΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΠΟΛΥΜΟΡΦΟΥ ΤΗΣ ΡΙΣΠΕΡΙΔΟΝΗΣ ΣΕ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΔΙΣΚΙΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ Υποβληθείσα στο Τμήμα Φαρμακευτικής του Πανεπιστημίου Πατρών Υπό ΙΩΑΝΝΗ Α. ΚΑΡΑΜΠΑ Χημικού Μηχανικού Εργαστήριο Ενόργανης Φαρμακευτικής Ανάλυσης Σχολή Επιστημών Υγείας Τμήμα Φαρμακευτικής Πανεπιστήμιο Πατρών ΠΑΤΡΑ, ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2007

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Πριν προχωρήσουμε στο επιστημονικό κομμάτι της συγκεκριμένης εργασίας, θα αποτελούσε παράληψη η μη αναφορά στα άτομα τα οποία με βοήθησαν και μου στάθηκαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Πρώτα απ όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα κ. Χρίστο Κοντογιάννη, Αναπληρωτή Καθηγητή του τμήματος Φαρμακευτικής. Τον ευχαριστώ αρχικά, για το γεγονός ότι με τίμησε με την εμπιστοσύνη του και με ενέταξε στην επιστημονική του ομάδα. Η συνετή του καθοδήγηση στη συνέχεια καθώς επίσης και η ανοχή και υπομονή που επέδειξε στα όποια σφάλματά μου, αποτέλεσαν ένα επιπλέον κίνητρο προς εμένα για εντατικοποίηση των ερευνητικών μου προσπαθειών. Δεν ξέρω αν ανταποκρίθηκα στις προσδοκίες του αλλά τώρα που βρίσκομαι στο τέλος αυτού του ταξιδιού και κάνοντας τον απολογισμό, οφείλω να ομολογήσω ότι ήταν τιμή μου και χαίρομαι ιδιαίτερα που συνεργάστηκα μαζί του. Θερμές ευχαριστήριες θα ήθελα να εκφράσω επίσης και στην Λέκτορα του τμήματος Φαρμακευτικής κ. Μαλβίνα Όρκουλα. Η βοήθεια της ήταν ιδιαίτερα σημαντική τόσο στα πρώτα βήματα της ερευνητικής μου προσπάθειας, καθώς συνετέλεσε στην εξοικείωσή μου με το χώρο του εργαστηρίου και στην επίδειξη των αναλυτικών τεχνικών, όσο και στη συνέχεια με την απρόσκοπτη παροχή συμβουλών σε κάθε έκκλησή μου. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον Καθηγητή του τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Πέτρο Κουτσούκο, για την απρόσκοπτη πρόσβαση που μας παρείχε στο εργαστήριό του όπου και εκτελέστηκαν τα πειράματα της περίθλασης ακτίνων Χ, καθώς επίσης και το Ερευνητικό Ινστιτούτο Χημικής Μηχανικής Υψηλών Θερμοκρασιών (Ε.Ι.ΧΗ.Μ.Υ.Θ), για τη δυνατότητα χρήσης των φασματομέτρων υπερύθρου και Raman. Για το κλείσιμο, άφησα τους συναδέρφους-φίλους οι οποίοι με συντρόφευσαν σ αυτή την επιστημονική αναζήτηση γι αυτά τα χρόνια. Πως μπορώ να μην ευχαριστήσω τον Κώστα και την Κατερίνα, με τους οποίους διαβήκαμε μαζί, από την αρχή σχεδόν, αυτόν το δύσκολο δρόμο. Αλλά και στη συνέχεια τον Γιώργο και την Ελευθερία, η παρουσία των οποίων έδωσε νέα πνοή στο εργαστήριο. Νομίζω ότι στάθηκα τυχερός που γνώρισα τα συγκεκριμένα άτομα τα οποία πέρα από συνάδερφοι εξελίχθηκαν σε πολύ καλούς μου φίλους.

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΠΟΛΥΜΟΡΦΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΦΑΡΜΑΚΑ Εισαγωγή στον πολυμορφισμό Επίδραση του πολυμορφισμού στις ιδιότητες των υλικών Επίδραση του πολυμορφισμού στην διαλυτότητα και στο ρυθμό 10 διάλυσης Θερμοδυναμική προσέγγιση πολυμορφισμού Κινητική προσέγγιση. 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΠΟΛΥΜΟΡΦΩΝ Εισαγωγή Κρυσταλλογραφία: Περίθλαση ακτίνων Χ Περίθλαση ακτίνων Χ μονοκρυστάλλων Περίθλαση ακτίνων Χ κόνεων Θερμικές μέθοδοι Διαφορική θερμική ανάλυση Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης Φασματοσκοπικές τεχνικές Φασματοσκοπία NMR 24

4 2.4.2 Δονητική φασματοσκοπία Φασματοσκοπία υπερύθρου Φασματοσκοπία Raman.. 26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Εισαγωγή Περιθλασιμετρία ακτίνων Χ Εισαγωγή Θεωρητικό υπόβαθρο Φασματοσκοπία Raman Εισαγωγή Θεωρητικό υπόβαθρο Φασματόμετρα Raman Φασματοσκοπία Υπερύθρου Εισαγωγή Θεωρητικό υπόβαθρο.. 37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΔΡΑΣΤΙΚΗ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΟΥΣΙΑ: ΡΙΣΠΕΡΙΔΟΝΗ Γενικά για τη ρισπεριδόνη Κρυσταλλογραφικά δεδομένα Φαρμακολογική δράση Μηχανισμός δράσης 41

5 4.5 Φαρμακοκινητική Το εμπορικό προϊόν 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Εισαγωγή Χρησιμοποιούμενα υλικά Οργανολογία Φασματοσκοπία Raman Φασματοσκοπία υπερύθρου Περιθλασιμετρία ακτίνων Χ. 50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ Χαρακτηρισμός δειγμάτων Διερεύνηση σταθερότητας κατά την παραγωγική διαδικασία Φασματοσκοπία XRPD Φασματοσκοπία Raman Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μελέτη δισκίων 25% w/w Περίθλαση ακτίνων Χ Φασματοσκοπία Raman Φασματοσκοπία Υπερύθρου Διερεύνηση σταθερότητας ως προς το χρόνο. 72

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 75 Βιβλιογραφικές αναφορές Βιογραφικό σημείωμα

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Πολυμορφισμός, ένα φαινόμενο το οποίο συναντάται ευρέως στις φαρμακευτικές ουσίες, ονομάζεται το φαινόμενο εκείνο κατά το οποίο μία ένωση μπορεί να κρυσταλλώνεται με δύο ή περισσότερους διαφορετικούς τρόπους. Οι διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις ονομάζονται πολύμορφα. Το ενδιαφέρον για τον πολυμορφισμό έγκειται στο γεγονός ότι τα πολύμορφα έχουν διαφορετικές μηχανικές, φυσικοχημικές και οπτικές ιδιότητες. Σε ότι αφορά τη φαρμακευτική επιστήμη, τα διάφορα πολύμορφα της ίδιας ουσίας ενδέχεται να παρουσιάζουν διαφορετική διαλυτότητα και ρυθμό διάλυσης, κάτι το οποίο θα έχει σημαντικό αντίκτυπο στη βιοδιαθεσιμότητα του φαρμάκου. Επίσης, η σταθερότητα ενός φαρμάκου σχετίζεται με το είδος του πολυμόρφου που χρησιμοποιείται μια και από τα διάφορα πολύμορφα, ένα είναι θερμοδυναμικά σταθερό ενώ οι υπόλοιπες κρυσταλλικές φάσεις είναι μετασταθείς. Τέλος, ο πολυμορφισμός έχει και σημαντικό οικονομικό αντίκτυπο αφού κάθε ένα από τα πολύμορφα μπορεί να αποκτήσει δικό του δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και να κυκλοφορήσει στο εμπόριο, «σπάζοντας» το μονοπώλιο του αρχικά διατιθέμενου πολυμόρφου στο εμπόριο. Η φαρμακευτική ουσία η οποία μελετήθηκε στη συγκεκριμένη εργασία, ήταν ένα γνωστό αντιψυχωσικό φάρμακο, η ρισπεριδόνη. Για τη ρισπεριδόνη είναι γνωστό ότι έχει τρία διαφορετικά πολύμορφα, το Α, το Β και το Ε, από τα οποία το Α είναι αυτό που χρησιμοποιείται στα εμπορικά δισκία. Σκοπός της συγκεκριμένης ερευνητικής προσπάθειας ήταν η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας ικανής να πιστοποιήσει αν πραγματοποιείται ή όχι μετατροπή της κρυσταλλικής φάσης της δραστικής ουσίας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παρασκευής του δισκίου. Επίσης, ένας δεύτερος στόχος ήταν να μελετηθεί η σταθερότητα του πολυμόρφου A για ένα χρονικό διάστημα δύο ετών. Το συγκεκριμένο πρόβλημα μελετήθηκε με τη βοήθεια της περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ και των φασματοσκοπιών υπερύθρου και Raman. Η ερευνητική προσπάθεια οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η καταλληλότερη τεχνική για την επίτευξη των στόχων ήταν η περιθλασιμετρία ακτίνων Χ. Πιο συγκεκριμένα, τα φάσματα που προέκυψαν από τις - 1 -

8 τρεις τεχνικές έδειξαν ότι μόνο οι φασματοσκοπίες υπερύθρου και Raman είχαν τη δυνατότητα να ανιχνεύσουν τη ρισπεριδόνη στο εμπορικό δισκίο, χωρίς όμως να μπορούν να διακρίνουν πιο πολύμορφο χρησιμοποιείται. Από την άλλη, η περιθλασιμετρία ακτίνων Χ παρουσίασε όριο ανίχνευσης μεγαλύτερο από τη συγκέντρωση της δραστικής στο δισκίο (η περιεκτικότητα της δραστικής στο δισκίο είναι 4.3% w/w). Για να ξεπεραστεί αυτό το αδιέξοδο, παρασκευάστηκαν δισκία με περιεκτικότητα 25% w/w σε ρισπεριδόνη. Τα δεδομένα από το Raman και το υπέρυθρο, κατέδειξαν και πάλι την αδυναμία τους να κάνουν διάκριση μεταξύ των πολυμόρφων της ρισπεριδόνης. Αντίθετα, στα δισκία αυτής της περιεκτικότητας, η περιθλασιμετρία ακτίνων Χ όχι μόνο ανίχνευσε τη δραστική αλλά πιστοποίησε ότι το χρησιμοποιούμενο πολύμορφο είναι το Α, το οποίο συνεπώς δεν υπέστη κανενός είδους μετατροπή. Με χρήση της ίδιας τεχνικής και συγκρίνοντας τα φάσματα που λήφθηκαν μέσα σε μια χρονική περίοδο δύο ετών, εξήχθη το συμπέρασμα ότι το πολύμορφο Α παραμένει σταθερό καθ όλη τη διάρκεια αυτού του χρονικού διαστήματος

9 SUMMARY Polymorphism, a widespread phenomenon in pharmaceutical substances, is this phenomenon in which a compound can be crystallized in two or more different ways. These different crystalline phases are called polymorphs. The interest for polymorphism is caused by the fact that induces important differences in the mechanical, physicochemical and optical properties of the polymorphs. Considering pharmaceutical science, the various polymorphs of the same substance may exhibit differences in solubility and dissolution rate, something which will have main impact in the bioavailability of the drug. Furthermore, the stability of the drug may also be associated with the polymorphic phase that is used in it, due to the fact that from the various polymorphs of a substance, only one is thermodynamically stable while the other are metastable. Moreover, polymorphism is of immense economic importance since for the different polymorphs, different patents can be issued and in this way the monopoly of the prototype pharmaceutical active ingredient (API) can be challenged. The pharmaceutical substance that was studied in the current research was a known antipsychotic agent, risperidone. Risperidone has three polymorphs, A, B and E, from which A is this used in the commercial tablets. The objective of the present study was the development of a methodology capable of identifying the polymorph of the API and examine if it remains stable through the preparation procedure of the tablet. Additionally, another target was the study of the polymorph s stability for a two years period. The current problems were studied by means of X-ray Powder Diffraction (XRPD), Infra-red spectroscopy (IR) and Raman spectroscopy. Results showed that the most suitable technique for achieving our goal was X-ray Diffraction. In particular, the acquired spectra from the three techniques showed that only Infra-red and Raman spectroscopy were capable of identifying risperidone in the commercial tablet however, they could not discern which of the polymorphs is being used. On the other hand, X-ray Diffraction was characterized by highest detection limit than the concentration of the API in the tablet (the proportion of risperidone in the tablet was 4.3% w/w)

10 In order to overcome this dead-end, tablets with concentration of 25% w/w in respect of risperidone, were prepared. Raman and IR results exhibited again the weakness of these techniques to identify the existent polymorph of risperidone. On the contrary, for these tablets, XRD did not only identified the API but attested that the used polymorph is A, which consequently means that no transformation was occurred. Using the same technique and by comparing the spectra which was acquired during a two years period, it is evident that the API remains stable for this period

11 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΟΛΥΜΟΡΦΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΦΑΡΜΑΚΑ 1.1 Εισαγωγή στον πολυμορφισμό Όταν ο Klaproth το 1788 παρατήρησε ότι το ανθρακικό ασβέστιο κρυσταλλώνεται σε δύο διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις, τον ασβεστίτη και τον αραγωνίτη, πιθανότατα ούτε και ο ίδιος είχε αντιληφθεί ότι παρατήρησε για πρώτη φορά ένα φαινόμενο το οποίο έμελλε να απασχολήσει σε σημαντικό βαθμό πολλούς επιστημονικούς κλάδους στο μέλλον. Λίγες δεκαετίες αργότερα ο Mitschelrich [1], μελετώντας το ίδιο φαινόμενο σε θειικά άλατα του σιδήρου, του κοβαλτίου, του νικελίου, του χαλκού, του ψευδαργύρου, του μαγνησίου και του μαγγανίου, ήταν αυτός που εισήγαγε για πρώτη φορά τον όρο πολυμορφισμός. Τι είναι όμως ο πολυμορφισμός; Ορίζεται ως η ικανότητα ορισμένων στερεών ουσιών να μπορούν να βρίσκονται στη φύση σε περισσότερες από μία κρυσταλλικές μορφές. Οι κρυσταλλικές αυτές μορφές καλούνται πολύμορφα. Αυτό που διαφοροποιείται στα πολύμορφα δηλαδή, είναι η διαμόρφωση των δομικών τους μονάδων (άτομα, μόρια, συμπλέγματα μορίων) στο χώρο ή η διευθέτησή τους στο κρυσταλλικό πλέγμα [2-4]. Εναλλακτικά, ένα κριτήριο το οποίο χρησιμοποιείται για τον ορισμό του πολυμορφισμού είναι αυτό που αναφέρει ότι δύο υλικά θα χαρακτηρίζονται ως πολύμορφα αν έχουν διαφορετική κρυσταλλική δομή στη στερεά κατάσταση αλλά είναι ταυτόσημα στην υγρή και στην αέρια. Ο πολυμορφισμός είναι ένα φαινόμενο το οποίο εμφανίζεται τόσο σε ανόργανες όσο και σε οργανικές ενώσεις. Συνήθως στις ανόργανες κάθε μία από τις διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις διαθέτει και κάποια ξεχωριστή, εμπειρική συνήθως, ονομασία, όπως στην περίπτωση του ανθρακικού ασβεστίου που όπως ανεφέρθει είναι ο ασβεστίτης, ο αραγωνίτης και ο βατερίτης. Από την άλλη, στην περίπτωση των οργανικών ενώσεων η διαφοροποίηση γίνεται συνήθως με βάση το συμβολισμό φάση Α, - 5 -

12 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα Β, Γ ή Ι, ΙΙ, ΙΙΙ κ.τ.λ. Ο αριθμός των πολυμόρφων ποικίλει ανάλογα με την ένωση. Υπάρχουν υλικά τα οποία παρουσιάζουν τέσσερα, πέντε, έξι ή ακόμα και πάνω από δέκα πολύμορφα. Για παράδειγμα, το νιτρικό αμμώνιο και η προγκεστερόνη έχουν πέντε, η τριπαλμιτίνη έχει επτά, το νερό έχει οκτώ ενώ υπάρχουν φαρμακευτικές ουσίες οι οποίες έχουν δέκα ή ακόμα και περισσότερα πολύμορφα όπως είναι η atorvastatin calcium που έχει δεκατρία [5-8]. Εκτός όμως από τις διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές με τις οποίες μπορεί να εμφανίζεται μια ένωση, είναι δυνατό αυτή να εμφανίζεται και ως άμορφο στερεό. Άμορφα καλούνται τα στερεά εκείνα των οποίων τα μόρια ή τα άτομα ή τα συμπλέγματα μορίων είναι τυχαία διευθετημένα στο χώρο και δεν παρουσιάζουν κάποια περιοδικότητα. Παρόλο που τα άμορφα υλικά δεν είναι κρυσταλλικά ωστόσο είναι συνήθης πρακτική η άμορφη φάση να αποτελεί υποκατηγορία του πολυμορφισμού. Ο πολυμορφισμός είναι ένα φαινόμενο το οποίο σχετίζεται με την κρυσταλλικότητα, τα άμορφα υλικά είναι υλικά μηδενικής κρυσταλλικότητας και από αυτή την άποψη είναι μια ιδιαίτερη περίπτωση πολυμορφισμού. Ένα ακόμα φαινόμενο το οποίο συγχέεται με τον πολυμορφισμό και πολλές φορές εξετάζεται ταυτόχρονα, είναι ο ψευδοπολυμορφισμός. Δύο κρυσταλλικά υλικά ονομάζονται ψευδοπολύμορφα όταν αποτελούνται από το ίδιο χημικό είδος αλλά έχουν διαφορετική κρυσταλλική δομή λόγω της ενσωμάτωσης μορίων νερού ή άλλων διαλυτών στο κρυσταλλικό τους πλέγμα. Για παράδειγμα, η αμπικιλλίνη παρουσιάζεται με δύο χημικές δομές, την άνυδρη και την τριένυδρη. Η συμμετοχή των τριών μορίων νερού διαφοροποιεί τον τρόπο κρυστάλλωσης με αποτέλεσμα η άνυδρη και η τριένυδρη αμπικιλλίνη να χαρακτηρίζονται από διαφορετική κρυσταλλική δομή. Τα δύο αυτά υλικά δεν υπακούν τον αυστηρό ορισμό των πολυμόρφων, ότι τα πολύμορφα είναι χημικά ταυτόσημες ενώσεις αλλά επειδή η χημική τους ομοιότητα είναι αρκετά σημαντική και επίσης λόγω του γεγονότος ότι παρουσιάζουν ανάλογες διαφορές στις μεταξύ τους ιδιότητές με αυτές που εμφανίζονται στα πολύμορφα, γι αυτό το λόγο ονομάζονται ψευδοπολύμορφα

13 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα 1.2 Επίδραση του πολυμορφισμού στις ιδιότητες των υλικών Το κύριο χαρακτηριστικό των πολυμόρφων, στο οποίο και οφείλεται η ευρεία μελέτη τους από διάφορους επιστημονικούς κλάδους, είναι το γεγονός ότι επιδεικνύουν διαφορετικές ιδιότητες. Ο πίνακας 1 παρουσιάζει συνοπτικά τις ιδιότητες οι οποίες είναι δυνατό να διαφέρουν μεταξύ των πολυμόρφων μιας ουσίας [2-4,9]. Οι διαφορές αυτές οφείλονται στις διαφορές που χαρακτηρίζουν το σχήμα, τις διαστάσεις, τη συμμετρία, τη χωρητικότητα (αριθμός μορίων ανά κυψελίδα) και τον κενό χώρο των δομικών κυψελίδων τους. Οι ιδιότητες αυτές που διαφοροποιούνται από πολύμορφο σε πολύμορφο, όπως φαίνεται και στον πίνακα 1, είναι ο γραμμομοριακός όγκος, η πυκνότητα, το σημείο τήξης (οφειλόμενα στην ισχύ των δεσμών μεταξύ των δομικών μονάδων της μοναδιαίας κυψελίδας), ο δείκτης διάθλασης προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση (εξαιτίας των αλληλεπιδράσεων των φωτονίων του φωτός με τις δονήσεις των ηλεκτρονίων σ εκείνη την κατεύθυνση), η θερμική αγωγιμότητα (ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των υπέρυθρων φωτονίων με τις ενδομοριακές δονήσεις και τις περιστροφές των μορίων), ηλεκτρική αγωγιμότητα (η οποία οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο) και η υγροσκοπικότητα (ως αποτέλεσμα της διόδου του νερού στο κρυσταλλικό πλέγμα και της αλληλεπίδρασής τους με τα επιφανειακά μόρια της ουσίας). Ακόμα, τα πολύμορφα επιδεικνύουν διαφορετικές θερμοδυναμικές φασματοσκοπικές και επιφανειακές ιδιότητες καθώς επίσης και διαφορετική κινητική διάλυσης. Ένα πολύ γνωστό παράδειγμα που καταδεικνύει με εμφατικό τρόπο την επίδραση που μπορεί να έχει ο πολυμορφισμός στις ιδιότητες των υλικών, είναι οι πολυμορφικές (ή αλλοτροπικές) μορφές του άνθρακα. Ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο κρυσταλλώνονται τα άτομα του άνθρακα, μπορούν να δημιουργήσουν εντελώς διαφορετικά υλικά. Αν τα άτομα του άνθρακα κρυσταλλώνονται στο κυβικό σύστημα (Σχ. 1a) τότε το υλικό που προκύπτει είναι το διαμάντι. Αν από την άλλη κρυσταλλώνονται στο εξαγωνικό τότε δημιουργείται ο γραφίτης (Σχ. 1β). Παρατηρούμε δηλαδή ότι η διαμόρφωση των ατόμων στο χώρο, είναι πιθανόν να δημιουργήσει υλικά με εντελώς διαφορετικές ιδιότητες

14 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα Σχήμα 1. Πολυμορφικές μορφές του άνθρακα: (α) Διαμάντι, (β) Γραφίτης Ανάλογα φαινόμενα με αντίστοιχα αποτελέσματα παρατηρούνται και στις φαρμακευτικές ουσίες. Το φαινόμενο του πολυμορφισμού μάλιστα είναι ιδιαίτερα δημοφιλές στις φαρμακευτικές ουσίες μια και είναι πολλά τα παραδείγματα φαρμακευτικών ουσιών οι οποίες είναι πιθανόν να εμφανίζονται σε περισσότερες από μία κρυσταλλικές φάσεις. Ως παράδειγμα, θα εξετάσουμε την περίπτωση της παρακεταμόλης. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει τις δύο γνωστές κρυσταλλικές μορφές της παρακεταμόλης. Σχήμα 2. Οι δύο κρυσταλλικές φάσεις της παρακεταμόλης. (a) Κρυστάλλωση στο ορθορομβικό σύστημα, (b) Κρυστάλλωση στο μονοκλινικό σύστημα. [10,11] Η παρακεταμόλη λοιπόν, μπορεί να κρυσταλλωθεί σε δύο διαφορετικές μορφές (δύο πολύμορφα). Η μία στο μονοκλινικό σύστημα και στην ομάδα συμμετρίας Ρ2 1 /n [11], η - 8 -

15 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα οποία είναι η πιο θερμοδυναμικά σταθερή σε συνθήκες περιβάλλοντος. Η άλλη κρυσταλλική μορφή ανήκει στο ορθορομβικό σύστημα, στην ομάδα συμμετρίας Pbca. Πίνακας 1. Φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες που διαφέρουν από πολύμορφο σε πολύμορφο Ιδιότητες οι οποίες διαφέρουν μεταξύ των πολυμόρφων 1. Ιδιότητες πακεταρίσματος i. μοριακός όγκος και πυκνότητα ii. δείκτης διάθλασης iii. ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα iv. υγροσκοπικότητα 2. Θερμοδυναμικές ιδιότητες i. θερμοκρασίες σημείου τήξεως και εξάχνωσης ii. εσωτερική ενέργεια iii. ενθαλπία iv. θερμοχωρητικότητα v. εντροπία vi. ελεύθερη ενέργεια και χημικό δυναμικό vii. θερμοδυναμική ενεργότητα viii. τάση ατμών ix. διαλυτότητα 3. Φασματοσκοπικές ιδιότητες i. ηλεκτρονικές μεταπτώσεις ii. δονητικές μεταπτώσεις iii. περιστροφικές μεταπτώσεις iv. μεταπτώσεις πυρηνικού spin 4. Κινητικές ιδιότητες i. ρυθμός διάλυσης ii. ταχύτητα αντιδράσεων στερεής φάσης iii. σταθερότητα 5. Ιδιότητες επιφάνειας i. ελεύθερη ενέργεια επιφάνειας ii. αλληλεπιδράσεις τάσης iii. μορφή-εμφάνιση (π.χ. σχήμα) 6. Μηχανικές ιδιότητες i. σκληρότητα ii. αντοχή σε εφελκυσμό iii. ικανότητα συμπίεσης, δισκιοποίηση iv. ιδιότητες ροής και ανάμειξης - 9 -

16 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα Η επίδραση λοιπόν, που όπως φάνηκε, έχει ο πολυμορφισμός στις ιδιότητες των υλικών έχει οδηγήσει στην ολοένα και εντονότερη ενασχόληση της φαρμακευτικής επιστήμης με το συγκεκριμένο φαινόμενο. Διαφορετικά πολύμορφα επάγουν διαφορετικές ιδιότητες στα υλικά, συνεπώς είναι πιθανόν μια φαρμακευτική ουσία η οποία εμφανίζεται με δύο διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις να παρουσιάζει διαφορές σε ιδιότητες οι οποίες να επηρεάζουν τη φαρμακολογική της δράση. Υπάρχει όμως και ένας ακόμα λόγος για τον οποίο ο πολυμορφισμός είναι μια πολύ σημαντική έννοια στην τεχνολογία των φαρμάκων. Οι διαφορετικές ιδιότητες των πολυμόρφων έχουν οδηγήσει τους εθνικούς οργανισμούς έγκρισης φαρμάκων στην απόφαση να θεωρούν κάθε πολυμορφική φάση της ίδιας ουσίας ως διαφορετικό υλικό. Αυτό έχει τεράστιο οικονομικό ενδιαφέρον για τις φαρμακευτικές εταιρείες, γιατί σημαίνει ότι κάθε ένα από τα διαφορετικά πολύμορφα μπορεί να αποκτήσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και να κυκλοφορήσει στο εμπόριο. Ο πολυμορφισμός επομένως είναι μια πολύ κρίσιμη παράμετρος για τη φαρμακευτική βιομηχανία. 1.3 Επίδραση του πολυμορφισμού στην διαλυτότητα και στο ρυθμό διάλυσης Από τις ιδιότητες που διαφέρουν μεταξύ των πολυμόρφων αυτή που έχει ίσως την μεγαλύτερη επίδραση στη θεραπευτική δράση του φαρμάκου είναι η διαλυτότητα. Οι διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις μιας φαρμακευτικής ουσίας δεν έχουν να κάνουν σε τίποτα με τη φαρμακολογική δράση αυτής. Άλλωστε, ο πολυμορφισμός είναι μια ιδιότητα της στερεάς φάσης ενώ ένα φάρμακο ενεργεί αφού έχει περάσει στην υγρή φάση, μέσω της διαλυτοποίησης του σε κάποιο βιολογικό υγρό. Επομένως, η μέγιστη ποσότητα του φαρμάκου που μπορεί να διαλυθεί (διαλυτότητα) και ο ρυθμός διάλυσης αυτής, είναι δύο παράγοντες εξαιρετικά σημαντικοί για τη δράση του φαρμάκου αφού καθορίζουν την ποσότητα και την ταχύτητα απορρόφησής του από τον οργανισμό [12]. Το ότι η κρυσταλλική δομή επηρεάζει άμεσα τη διαλυτότητα ενός στερεού, μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας ένα απλό μοντέλο. Σύμφωνα με τη θεωρία της διάλυσης, προκειμένου ένα στερεό να διαλυθεί, θα πρέπει οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων στερεού-υγρού να υπερνικήσουν τις δυνάμεις έλξης των μορίων μεταξύ στερεού-στερεού και υγρού-υγρού. Με άλλα λόγια, θα πρέπει η ενέργεια η οποία απελευθερώνεται κατά τη διάλυση, να υπερτερεί του αθροίσματος της ενέργειας πλέγματος του κρυστάλλου και

17 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα της ενέργειας σχηματισμού του διαλύτη. Καθώς η διάλυση αυξάνει τη συνολική αταξία του συστήματος, θα μεταβάλλεται η εντροπία αυτού και κατ επέκταση και η ενθαλπία. Η μεταβολή της εντροπίας καθορίζει και το μέγεθος της συνολικής ελεύθερης ενέργειας Gibbs του συστήματος. Και με βάση το γεγονός ότι διαφορετικά κρυσταλλικά πλέγματα χαρακτηρίζονται από διαφορετικές ενέργειες, συμπεραίνουμε ότι τα διαφορετικά πολύμορφα θα χαρακτηρίζονται με τη σειρά τους από διαφορετικές διαλυτότητες [13]. Πέρα όμως από τη διαλυτότητα, η οποία καθορίζει κατ επέκταση τη μέγιστη ποσότητα ενός φαρμάκου η οποία μπορεί να απορροφηθεί από ένα οργανισμό, σημαντικός παράγοντας στο σχεδιασμό ενός φαρμάκου αποτελεί και ο χρόνος στον οποίο μπορεί αυτό να διαλυτοποιηθεί, δηλαδή ο ρυθμός διάλυσης. Ένα κρυσταλλικό στερεό το οποίο χαρακτηρίζεται από υψηλή ενέργεια πλέγματος (άρα πρόκειται για ασταθές πολύμορφο) έχει την τάση να διαλυθεί γρηγορότερα επειδή η υψηλή τιμή της αποθηκευμένης αυτής ενέργειας στο πλέγμα θα αυξήσει τη διαλυτότητα και συνεπώς και το ρυθμό διάλυσης. Οι διαφορετικοί ρυθμοί διάλυσης που προκύπτουν από τα διαφορετικά πολύμορφα της ίδιας φαρμακευτικής ουσίας, μπορούν επομένως να επιδράσουν σε διαφορετικό βαθμό στη βιοδιαθεσιμότητα του φαρμακευτικού σκευάσματος [14]. 1.4 Θερμοδυναμική προσέγγιση πολυμορφισμού Η σταθερότητα ενός πολυμόρφου, η αποφυγή δηλαδή μετατροπής του σε κάποια άλλη κρυσταλλική μορφή, καθορίζεται -όπως και κάθε μετατροπή στη φύση- από θερμοδυναμικούς παράγοντες. Το μέγεθος που περιγράφει τη δυνατότητα ή μη μετατροπής ενός πολυμόρφου σε κάποιο άλλο πολύμορφο είναι η διαφορά της ελεύθερης ενέργειας Gibbs, ΔG. Από τη θερμοδυναμική [15], είναι γνωστή η σχέση που συνδέει την ελεύθερη ενέργεια Gibbs με την ενθαλπία και την εντροπία του συστήματος για μια δεδομένη θερμοκρασία και η οποία είναι η εξής: G = H -T S Η διαφορά τώρα της ενέργειας Gibbs, δίνεται από τη σχέση: Δ G =ΔH -T Δ S όπου το σύμβολο Δ εκφράζει τη διαφορά του κάθε θερμοδυναμικού μεγέθους για το σύστημα πριν και μετά τη μετατροπή. Για να πραγματοποιηθεί μετατροπή ενός

18 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα πολυμόρφου σε ένα άλλο πολύμορφο, θα πρέπει να ισχύει ότι ΔG<0, δηλαδή το φαινόμενο να χαρακτηρίζεται από ελάττωση στη ελεύθερη συνολική ενέργεια του συστήματος. Ας υποθέσουμε τώρα ένα σύστημα δύο πολυμόρφων των οποίων το διάγραμμα της ενθαλπίας και της ελεύθερης ενέργειας Gibbs συναρτήσει της θερμοκρασίας δίνεται στο παρακάτω σχήμα. Για όση διάρκεια ισχύει ότι ΔG=G 2 -G 1 >0 τότε δε συμβαίνει μετατροπή του πολυμόρφου 1 προς το πολύμορφο 2. Όταν όμως ξεπεραστεί μια κρίσιμη τιμή θερμοκρασίας Τ t (θερμοκρασία μετάπτωσης), η οποία αντιστοιχεί στο σημείο τομής των γραφικών παραστάσεων της ενέργειας Gibbs του κάθε πολυμόρφου (σημείο όπου ΔG=0) τότε ισχύει ΔG<0 και συμβαίνει αυθόρμητη μετατροπή του πολυμόρφου 1 προς το πολύμορφο 2. Στη θερμοκρασία μετάπτωσης οι δύο κρυσταλλικές φάσεις βρίσκονται σε ισορροπία και συμβαίνει μετατροπή και προς τις δύο κατευθύνσεις. Προκειμένου να συμβεί μια πλήρη μετατροπή του πολυμόρφου 1 προς το 2 θα πρέπει ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας να είναι αργός έτσι ώστε να υπάρχει ο απαραίτητος χρόνος για τη μετατροπή. Σχήμα 3. Διάγραμμα της ελεύθερης ενέργειας Gibbs (G) και της ενθαλπίας (Η) ως συνάρτηση της θερμοκρασίας υπό σταθερή πίεση, για ένα σύστημα αποτελούμενο από δύο πολύμορφα

19 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα Το σχήμα 3 δείχνει επομένως ότι κάτω από τη θερμοκρασία Τ t το πολύμορφο που είναι σταθερό είναι το πολύμορφο 1 επειδή G 1 <G 2 ενώ πάνω από τη συγκεκριμένη θερμοκρασία σταθερό είναι το πολύμορφο 2 επειδή επιδεικνύει μικρότερη ελεύθερη ενέργεια από το πολύμορφο 1 (G 1 >G 2 ). Το γεγονός ότι σε κάποιο θερμοκρα-σιακό εύρος η μια κρυσταλλική φάση είναι σταθερότερη από την άλλη, δεν αποκλείει την ταυτόχρονη ύπαρξη και των δύο φάσεων. Η θερμοδυναμική θεώρηση του φαινομένου αυτό που υπαγορεύει είναι το γεγονός ότι η μια από τις δύο κρυσταλλικές φάσεις είναι ασταθής στη συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση και μετατρέπεται με το χρόνο στην πιο σταθερή φάση. Ένα τέτοιο πολύμορφο καλείται μετασταθές. Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι η σταθερότερη θερμοδυναμικά φάση, εκτός από τη μικρότερη ελεύθερη ενέργεια, χαρακτηρίζεται και από μικρότερη τάση ατμών, διαλυτότητα και ρυθμό διάλυσης ανά μονάδα επιφανείας σε οποιοδήποτε διαλύτη καθώς επίσης και από το μικρότερο ρυθμό αντίδρασης για οποιοδήποτε είδος αντίδρασης [14]. Η σταθερότητα ενός πολυμόρφου είναι μια αρκετά κρίσιμη παράμετρος στο σχεδιασμό ενός φαρμάκου. Ένα πολύμορφο το οποίο δεν είναι το σταθερότερο θερμοδυναμικά, είναι πιθανόν, μέσα στο χρόνο ζωής του φαρμάκου να μετατραπεί στο σταθερότερο. κάτι το οποίο δε γίνεται αποδεκτό από τους διάφορους οργανισμούς έγκρισης φαρμάκων. Από την άλλη, όπως ανεφέρθει και λίγο παραπάνω, η σταθερότερη κρυσταλλική φάση χαρακτηρίζεται από την μικρότερη διαλυτότητα και το μικρότερο ρυθμό διάλυσης. Άρα, λογικά θα ήταν πιο ενδεδειγμένο να χρησιμοποιηθεί μια μετασταθής κρυσταλλική φάση προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερη απορρόφηση του φαρμάκου. Σε ορισμένες όμως περιπτώσεις ενδέχεται η διαλυτότητα και ο ρυθμός διάλυσης να είναι τόσο μεγάλα, που να προκαλέσουν προβλήματα τοξικότητας. Γι αυτό λοιπόν το λόγο, στην παρασκευή των φαρμάκων προτιμάται το σταθερότερο πολύμορφο έτσι ώστε να αποφευχθούν προβλήματα μετατροπής και τοξικότητας. 1.5 Κινητική προσέγγιση Όπως είδαμε παραπάνω, η θερμοδυναμική καθορίζει ποια είναι η σταθερότερη κρυσταλλική φάση ενός υλικού και ορίζει ότι οι μετασταθείς φάσεις οι οποίες σχηματίζονται κάποια στιγμή θα μετατραπούν στο σταθερότερο πολύμορφο. Εκτός όμως από τη θερμοδυναμική, σημαντικό ρόλο στο ποιο θα είναι το τελικό προϊόν που θα

20 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα προκύψει διαδραματίζει και ένας ακόμα παράγοντας, η κινητική. Η θερμοδυναμική αυτό που καθορίζει είναι αν μια μετάπτωση είναι επιτρεπτή ενεργειακά ενώ η κινητική υποδηλώνει το χρονικό διάστημα στο οποίο θα πραγματοποιηθεί το φαινόμενο. Μπορεί δηλαδή ένα πολύμορφο να είναι θερμοδυναμικά ασταθές και να είναι σίγουρο ότι θα μετατραπεί προς μια σταθερότερη κρυσταλλική φάση, ο χρόνος όμως στον οποίο θα πραγματοποιηθεί μια τέτοια μετατροπή να είναι τόσο μεγάλος που να την καθιστά πρακτικά άνευ σημασίας, καταδεικνύοντας έτσι τον εξαιρετικά σημαντικό ρόλο που παίζει η κινητική στον καθορισμό του τελικού προϊόντος που ληφθεί. Ένας χρήσιμος πρακτικός κανόνας προκειμένου να προβλεφθεί το τελικό πολύμορφο είναι ο κανόνας του Ostwald. O κανόνας αυτός είναι απότοκος παρατηρήσεων του Gay Lussac, o οποίος παρατήρησε ότι σε πολλές περιπτώσεις κρυστάλλωσης η φάση που σχηματιζόταν πρώτη δεν ήταν η θερμοδυναμικά σταθερότερη αλλά μια ασταθής ενδιάμεση φάση η οποία στη συνέχεια μετατρεπόταν στο σταθερότερο πολύμορφο [16-18]. Ο Ostwald εξήγησε αργότερα θερμοδυναμικά αυτές τις παρατηρήσεις διατυπώνοντας τον αντίστοιχο κανόνα. Σύμφωνα λοιπόν με αυτόν, δε σχηματίζεται πρώτη η φάση που χαρακτηρίζεται από τη μικρότερη ελεύθερη ενέργεια αλλά εκείνη η ασταθής φάση της οποίας η ελεύθερη ενέργεια είναι πλησιέστερα στην ενέργεια της σταθερής φάσης. Στη συνέχεια το ασταθές αυτό προϊόν θα μετατραπεί στο θερμοδυναμικά σταθερό. Τα παραπάνω μπορούν να γίνουν κατανοητά μέσα από ένα παράδειγμα. Έστω ότι ένα υλικό μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις από τις οποίες έστω ότι το πολύμορφο 1 είναι το σταθερότερο και το πολύμορφο 2 παρουσιάζει μικρότερη τιμή ελεύθερης ενέργειας σε σχέση με το πολύμορφο 3. Τότε αυτό που θα κρυσταλλωθεί πρώτο θα είναι το πολύμορφο 2 επειδή είναι αυτό από τις ασταθείς φάσεις, του οποίου η ενέργεια είναι πλησιέστερα στην ενέργεια του πολυμόρφου 1. Ο κανόνας του Ostwald είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για τον καθορισμό της κρυσταλλικής φάσης η οποία θα σχηματισθεί αρχικά και βασίζεται σε κινητική της κρυσταλλικής ανάπτυξης. Για να κατανοηθεί η κινητική της μετατροπής ενός πολυμόρφου σε μια άλλη κρυσταλλική φάση είναι απαραίτητο να γίνει αντιληπτός ο τρόπος με τον οποίο κρυσταλλώνεται ένα υλικό. Ανάμεσα στις διάφορες μεθόδους οι οποίες εφαρμόζονται για την παρασκευή των διαφόρων κρυσταλλικών φάσεων, η εξάχνωση, η ανακρυ

21 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα στάλλωση από τήγμα, η κρυστάλλωση από υπερκρίσιμα ρευστά και η κρυστάλλωση από υγρούς διαλύτες είναι αυτές που έχουν χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερο βαθμό. Όσον αφορά μάλιστα τη φαρμακευτική επιστήμη, η κρυστάλλωση από διαλύτες είναι η κύρια μέθοδος που χρησιμοποιείται, περιλαμβάνοντας διάφορους διαλύτες. Καθοριστικός παράγοντας για το σχηματισμό των κρυστάλλων είναι η επίτευξη υπερκορεσμού, η οποία πραγματοποιείται με διάφορους τρόπους, όπως η εξάτμιση του διαλύτη, η ψύξη του διαλύματος ή χρησιμοποίηση δύο ή περισσότερων αντιδρώντων σε κατάλληλες συγκεντρώσεις. Προκειμένου να κατανοηθεί η κινητική της κρυστάλλωσης είναι απαραίτητο να διευκρινιστούν τα διάφορα στάδια που λαμβάνουν χώρα μέχρι το σχηματισμό των κρυστάλλων. Στο πρώτο βήμα της όλης διαδικασία, το οποίο ονομάζεται πυρήνωση ή πυρηνογένεση, σχηματίζονται μικροσκοπικοί κρύσταλλοι που ονομάζονται πυρήνες και οι οποίοι λειτουργούν ως εκμαγείο για την περαιτέρω ανάπτυξη των κρυστάλλων. Στη συνέχεια, μόρια της διαλυμένης ουσίας προσκολλώνται στους ήδη σχηματισθέντες πυρήνες σε κατάλληλες θέσεις έτσι ώστε να επεκτείνεται στο χώρο το γεωμετρικό σχήμα του αρχικού πυρήνα και να σχηματισθούν οι μακροσκοπικά ορατοί κρύσταλλοι του υλικού. Η παραπάνω διαδικασία καλείται κρυσταλλική ανάπτυξη (crystal growth) και συνεχίζεται ώσπου το διάλυμα να πάψει να είναι υπέρκορο. Αν οι κρύσταλλοι τώρα που σχηματίστηκαν συνεχίσουν να παραμένουν στο διάλυμα τότε οι μικρότεροι κρύσταλλοι, οι οποίοι παρουσιάζουν μεγαλύτερη διαλυτότητα, λόγω μεγαλύτερης ειδικής επιφάνειας, θα επαναδιαλύονται και τα μόρια που επέστρεψαν στο διάλυμα θα προσκολληθούν στους μεγαλύτερους κρυστάλλους, το μέγεθος των οποίων θα αυξηθεί περαιτέρω. Έτσι με το πέρασμα του χρόνου οι κρύσταλλοι που θα σχηματίζονται θα είναι όλο και μεγαλύτεροι σε μέγεθος [19,20]. Στον καθορισμό του τελικού πολυμόρφου, κυρίαρχο ρόλο διαδραματίζει το αρχικό στάδιο της πυρηνογένεσης. Κατά το στάδιο αυτό και πριν σχηματιστεί ο αρχικός πυρήνας δημιουργείται ένα συσσωμάτωμα μορίων, το οποίο καλείται «έμβρυο». Η δομή του εμβρύου είναι διαφορετική για κάθε πολύμορφο γιατί καθορίζει την περαιτέρω κρυσταλλική ανάπτυξη. Άρα, διαφορετικό έμβρυο οδηγεί σε διαφορετικό πολύμορφο. για να σχηματισθεί τώρα ένα έμβρυο απαιτείται κάποια ενέργεια (ενέργεια ενεργοποίησης). Το έμβρυο που θα σχηματισθεί πρώτο είναι εκείνο το οποίο χαρακτηρί

22 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα ζεται από την μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Η δημιουργία επομένως του εμβρύου καθορίζεται από θερμοδυναμικούς παράγοντες όπως είναι η θερμοκρασία, η πίεση, το ph, ο βαθμός υπερκορεσμού [21]. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει συνοπτικά τη διαδικασία της κρυσταλλικής ανάπτυξης. Έμβρυο 1 Πυρήνας 1 Πολύμορφο 1 Μόρια Έμβρυο 2 Πυρήνας 2 Πολύμορφο 2 Έμβρυο 3 Πυρήνας 3 Πολύμορφο 3 Σχήμα 4. Στάδια κρυσταλλικής ανάπτυξης Το κρίσιμο βήμα επομένως για τη μορφή του τελικού πολυμόρφου είναι η μετάβαση από τα μόρια στο πρώτο συσσωμάτωμα μορίων, διαδικασία η οποία όπως ανεφέρθει και παραπάνω καθορίζεται από θερμοδυναμικούς παράγοντες. Ενδέχεται όμως σε ορισμένες περιπτώσεις κατά τις οποίες υπάρχουν δύο ή περισσότερα έμβρυα που χαρακτηρίζονται από παραπλήσιες τιμές ελεύθερης ενέργειας, να σχηματίζονται και τα δύο με αποτέλεσμα να οδηγούμαστε στη δημιουργία όχι ενός πολυμόρφου αλλά σε μίγμα δύο η περισσοτέρων. Όπως είδαμε και παραπάνω ο κανόνας του Ostwald υποδεικνύει ότι το αρχικό προϊόν που σχηματίζεται είναι ασταθές και στη συνέχεια μετατρέπεται στο σταθερότερο. Ο ρυθμός μετατροπής όμως είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος μια και σε μεγάλο βαθμό καθορίζει κατά πόσο είναι εφικτή η λήψη του σταθερού πολυμόρφου. Αυτή η μετατροπή όταν συμβαίνει στην υγρή φάση είναι συνήθως αρκετά γρήγορη. Σ αυτή την περίπτωση η ασταθής φάση, η οποία έχει τη μεγαλύτερη διαλυτότητα, διαλύεται και στη συνέχεια λαμβάνει χωρά κρυστάλλωση του σταθερότερου πολυμόρφου. Ο ρυθμός μετατροπής όμως είναι σημαντικά βραδύτερος στην περίπτωση που αυτή συμβαίνει στη στερεά κατάσταση. Ο μηχανισμός μετατροπής σε αυτή την περίπτωση περιλαμβάνει τρία στάδια [22]:

23 Κεφάλαιο 1 Πολυμορφισμός και φάρμακα χαλάρωση και στη συνέχεια κατάρρευση των διαμοριακών δυνάμεων στο ασταθές πολύμορφο σχηματισμός ενός στερεού στο οποίο τα μόρια δεν παρουσιάζουν καμία τάξη, μια κατάσταση που προσομοιάζει ένα άμορφο στερεό ανάπτυξη ενδομοριακών δυνάμεων που οδηγούν στη δημιουργία του σταθερού πολυμόρφου ως τελικό προϊόν

24 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΠΟΛΥΜΟΡΦΩΝ 2.1 Εισαγωγή Από όλες τις αναλυτικές µεθόδους, είναι γενικά αποδεκτό ότι η κρυσταλλογραφία, η θερµική ανάλυση, η δονητική φασµατοσκοπία, η φασµατοσκοπία ΝΜR και οι µελέτες διαλυτότητας είναι οι περισσότερο χρήσιµες τεχνικές για το χαρακτηρισµό των κρυσταλλικών φάσεων µιας ουσίας. Η βάση στην οποία στηρίζονται όλες οι παραπάνω αναλυτικές τεχνικές είναι η διαφορά στις φυσικοχηµικές ιδιότητες των πολυµόρφων. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος µπορούν να διακρίνουν τις διάφορες κρυσταλλικές φάσεις. Από όλες τις αναλυτικές τεχνικές που αναφέρθηκαν παραπάνω, αυτή που πιστοποιεί την ύπαρξη πολυµορφισµού είναι η περίθλαση των ακτίνων Χ, µια και αυτή είναι η τεχνική που απεικονίζει την κρυσταλλική δοµή µιας ένωσης. Οι υπόλοιπες τεχνικές χρησιµοποιούνται συµπληρωµατικά και βασίζονται συνήθως στη σύγκριση των αποτελεσµάτων που προκύπτουν για κάθε πολύµορφο. Στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου θα παρουσιαστούν συνοπτικά οι παραπάνω τεχνικές και µέσα από ορισµένα παραδείγµατα θα επιχειρηθεί να γίνουν κατανοητές οι πληροφορίες οι οποίες λαµβάνονται από κάθε µια από αυτές για το χαρακτηρισµό των πολυµόρφων. 2.2 Κρυσταλλογραφία: Περίθλαση ακτίνων Χ Η περίθλαση των ακτίνων Χ, είτε χρησιµοποιούµενη σε µονοκρυστάλλους είτε σε κόνεις, σχετίζεται µε την κρυσταλλική δοµή του υλικού και για αυτό το λόγο είναι η συχνότερα χρησιµοποιούµενη τεχνική χαρακτηρισµού των πολυµόρφων. Είναι καλά εµπεδωµένο ότι τα άτοµα ή τα µόρια ενός υλικού δρουν ως φράγµατα περίθλασης των ακτίνων Χ και ο τρόπος µε τον οποία αυτά είναι διατεταγµένα στο χώρο περιθλούν τις

25 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων ακτίνες Χ µε µοναδικό για κάθε υλικό τρόπο, παρέχοντας µια απεικόνιση της κρυσταλλικής του δοµής στο χώρο. Περισσότερες λεπτοµέρειες για το θεωρητικό υπόβαθρο της συγκεκριµένης τεχνικής θα δοθούν σε επόµενο κεφάλαιο Περίθλαση ακτίνων Χ µονοκρυστάλλων Ένα κρυσταλλικό υλικό µε τη µορφή κόνης είναι το σύνολο ενός µεγάλου αριθµού κρυστάλλων. Κάθε κρύσταλλος σχηµατίζεται από την επαναλαµβανόµενη διευθέτηση στο χώρο της µοναδιαίας κυψελίδας, η οποία αποτελεί το ελάχιστο δοµικό στοιχείο ενός κρυστάλλου. Η µοναδιαία κυψελίδα από την άλλη, προκύπτει από τη συµµετρική επανάληψη των ατόµων ή µορίων του υλικού και τα χαρακτηριστικά της είναι µοναδικά για κάθε υλικό. Για να προσδιοριστεί η κρυσταλλική δοµή ενός υλικού είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά της µοναδιαίας κυψελίδας του κρυστάλλου (διαστάσεις πλευρών και οι µεταξύ τους γωνίες). Για ένα δεδοµένο κρυσταλλικό πλέγµα, οι γωνίες περίθλασης των ακτίνων Χ είναι ίδιες ανεξάρτητα από το περιεχόµενο της µοναδιαίας κυψελίδας, τα άτοµα ή τα µόρια δηλαδή από τα οποία αποτελείται και εξαρτώνται µόνο από το σχήµα αυτής. Οι γωνίες περίθλασής λοιπόν δίνουν πληροφορίες σχετικά µε τα χαρακτηριστικά της κυψελίδας και του κρυσταλλικού πλέγµατος γενικότερα. Επιπρόσθετα, το είδος των ατόµων ή των µορίων τα οποία αποτελούν την µοναδιαία κυψελίδα σχετίζεται µε την ένταση της περιθλώµενης ακτινοβολίας. Εποµένως, από ένα φάσµα περίθλασης ακτίνων Χ ενός µονοκρυστάλλου µπορούµε να προσδιορίσουµε τα µοναδικά για κάθε υλικό χαρακτηριστικά της κυψελίδας. Και αφού κάθε πολύµορφο θα έχει διαφορετικού σχήµατος µοναδιαία κυψελίδα, άρα θα είναι εφικτός ο χαρακτηρισµός αλλά και ο προσδιορισµός των κρυσταλλογραφικών του παραµέτρων µε βάση την περίθλαση ακτίνων Χ µονοκρυστάλλων. Περισσότερες λεπτοµέρειες για τη διαδικασία µε την οποία προσδιορίζονται τα κρυσταλλογραφικά δεδοµένα ενός κρυστάλλου µπορούν να βρεθούν στη βιβλιογραφία [23-26]. Κάποια χαρακτηριστικά παραδείγµατα εφαρµογής της περίθλασης ακτίνων Χ µονοκρυστάλλων αναφέρονται στη συνέχεια. Τα δοµικά χαρακτηριστικά των πλεγµατικών κυψελίδων των δύο άνυδρων πολυµόρφων της νιτροφουραντοΐνης καθώς επίσης και των δύο πολυµόρφων της µονοένυδρης µορφής, προσδιορίστηκαν µε βάση τη

26 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων συγκεκριµένη τεχνική [27,28]. Επίσης, η προντουκόλη είναι ένα ακόµα παράδειγµα όπου προσδιορίστηκε ότι αν και τα δύο πολύµορφά της ανήκουν στο ίδιο κρυσταλλικό σύστηµα (µονοκλινικό), ωστόσο τα χαρακτηριστικά των δοµικών κυψελίδων έδειξαν ότι αυτές ανήκουν σε διαφορετικές οµάδες συµµετρίας [29] Περίθλαση ακτίνων Χ κόνεων (X-ray Powder Diffraction, XRPD) Αν και η γνώση των κρυσταλλογραφικών παραµέτρων ενός υλικού αποτελεί τον απόλυτο χαρακτηρισµό των πολύµορφων φάσεων µιας ουσίας, ωστόσο υπάρχουν περιορισµοί στη χρήση της οι οποίοι έγκεινται στη δυσκολία παρασκευής του µονοκρυστάλλου καθώς επίσης και στην πολυπλοκότητα ανάλυσης των πειραµατικών δεδοµένων. Γι αυτό το λόγο, η τεχνική η οποία χρησιµοποιείται κατά κόρον για αναλύσεις ρουτίνας όσον αφορά τον προσδιορισµό των πολυµόρφων είναι η περίθλαση ακτίνων Χ κόνεως. Στην πραγµατικότητα, οι περισσότερες ουσίες λαµβάνονται κατά την παρασκευή τους ως µικροκρυσταλλικά στερεά, τα οποία δεν αποτελούνται από τέλειους κρυστάλλους και εποµένως δε είναι δυνατό να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά της µοναδιαίας κυψελίδας. Εξάλλου, όταν έχουµε να κάνουµε µε φαρµακευτικές ουσίες, αυτό που ενδιαφέρει είναι να πιστοποιηθεί απλά και µόνο η ύπαρξη µιας νέας κρυσταλλικής φάσης ή ο αποκλεισµός αυτή από ένα φαρµακευτικό σκεύασµα. Ο τρόπος µε τον οποίο επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο είναι απλά µε τη σύγκριση των φασµάτων της περίθλασης ακτίνων Χ που προκύπτουν από τις διάφορες κόνεις, µε βάση το δεδοµένο ότι διαφορετικά πολύµορφα θα δώσουν διαφορετικά φάσµατα. Επίσης, άλλη µια από τις δυνατότητες που προσφέρει η συγκεκριµένη τεχνική είναι ο ποσοτικός προσδιορισµός συστατικών σε µίγµα [30]. Η συνηθέστερη µέθοδος ποσοτικής αναλύσεως βασίζεται στον υπολογισµό του λόγου των εντάσεων δύο διακριτών κορυφών ενός φάσµατος αφού πρώτα έχει κατασκευαστεί πρότυπη καµπύλη µε βάση γνωστές συγκεντρώσεις. Αυτός ο λόγος είναι ανάλογος του λόγου των συγκεντρώσεων των δύο συστατικών του µίγµατος. Ανάλογη διαδικασία ακολουθείται και στην περίπτωση που το µίγµα αποτελείται από περισσότερα των δύο συστατικών

27 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων 2.3 Θερµικές µέθοδοι Μια άλλη κατηγορία αναλυτικών µεθόδων οι οποίες βρίσκουν ευρεία εφαρµογή στη φαρµακευτική βιοµηχανία για το χαρακτηρισµό των πολυµόρφων, είναι οι θερµικές µέθοδοι [31,32]. Οι συγκεκριµένες τεχνικές βασίζονται στην µέτρηση µια ιδιότητας του αναλύτη σε συνάρτηση µε τη θερµοκρασία του, η οποία συνήθως µεταβάλλεται κατά τη διάρκεια του πειράµατος µε ένα καθορισµένο ρυθµό. Αυτή η διαδικασία δίνει πληροφορίες για φυσικές και χηµικές αλλαγές οι οποίες λαµβάνουν χώρα κατά τη θέρµανση του δείγµατος, οι οποίες µπορεί να είναι είτε ενδόθερµες (τήξη, βρασµός, εξάχνωση, αντιδράσεις στερεάς φάσης, χηµική αποικοδόµηση κ.α.) είτε εξώθερµες (κρυστάλλωση, οξείδωση κ.α.). Οι δηµοφιλέστερες θερµικές τεχνικές που βρίσκουν εφαρµογή στην ανάλυση των πολυµόρφων είναι η διαφορική θερµική ανάλυση (differential thermal analysis, DTA) και η διαφορική θερµιδοµετρία σάρωσης (differential scanning calorimetry, DSC) ιαφορική θερµική ανάλυση Στη διαφορική θερµική ανάλυση µετριέται η διαφορά στη θερµοκρασία µεταξύ του αναλύτη και ενός υλικού αναφοράς, ως συνάρτηση της θερµοκρασίας, όταν ο αναλύτης και το υλικό αναφοράς υπόκεινται σε προγραµµατισµένη µεταβολή θερµοκρασίας. Το υλικό αναφοράς είναι κατάλληλα επιλεγµένο έτσι ώστε να µην υφίσταται κανενός είδους µετάπτωση στο θερµοκρασιακό εύρος στο οποίο πραγµατοποιείται το πείραµα. Καθώς τα υλικά θερµαίνονται, η θερµοκρασία τους αυξάνεται γραµµικά για όσο διάστηµα δε συµβαίνει κάποια µετατροπή. Όταν όµως συµβεί κάποια θερµική µετάπτωση (σαν αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω) τότε η θερµοκρασία του δείγµατος παύει να αυξάνεται µε τον ίδιο ρυθµό -για όσο χρόνο διαρκεί η µετάπτωση- και εποµένως η θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ αναλύτη και υλικού αναφοράς µεταβάλλεται ραγδαία. Το αποτέλεσµα που καταγράφεται µε τη συγκεκριµένη τεχνική είναι η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ αναλύτη και υλικού αναφοράς συναρτήσει της θερµοκρασίας του αναλύτη. Η διαφορική θερµική ανάλυση παρέχει πληροφορίες για διάφορα φαινόµενα τα οποία σχετίζονται µε τη θερµική συµπεριφορά του δείγµατος όπως είναι αλλαγές φάσης, δοµικές µετατροπές (κρυστάλλωση), αντιδράσεις αποικοδόµησης ή διαδικασίες

28 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων αφυδάτωσης ένυδρων ενώσεων. Πολλά από αυτά τα φαινόµενα χαρακτηρίζονται από θερµοκρασίες και θερµότητες χαρακτηριστικές για κάθε πολύµορφο. Για παράδειγµα, οι θερµοκρασίες στις οποίες συµβαίνουν οι αλλαγές φάσεων είναι χαρακτηριστικές φυσικές σταθερές για κάθε κρυσταλλική φάση µιας ένωσης [2-4,9]. Άρα από τη γνώση αυτών των δεδοµένων µπορεί να γίνει διάκριση µεταξύ των κρυσταλλικών φάσεων. Οι απλούστερες και πιο δηµοφιλείς εφαρµογές της διαφορικής θερµικής ανάλυσης εστιάζονται στη µελέτη της σταθερότητας των διαφόρων πολυµόρφων. Για παράδειγµα, θερµογραφήµατα DTA πιστοποίησαν την πολυµορφική καθαρότητα ενός εµπορικού σκευάσµατος διφοσφωρικής χλωροκίνης ενώ ένα άλλο σκεύασµα βρέθηκε ότι αποτελούνταν από ένα µίγµα δύο πολυµόρφων [33]. Σε µια άλλη µελέτη βρέθηκε ότι κατά τον ξηρό ψεκασµό (spray-drying) χλωροµεθυλενίου στη φαινυλοβουταζόνη προέκυψαν τρεις διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις από τις οποίες καµιά δεν αντιστοιχούσε στο σταθερότερο θερµοδυναµικά πολύµορφο το οποίο προέκυπτε µε ξήρανση σε υψηλότερη θερµοκρασία [34] ιαφορική θερµιδοµετρία σάρωσης Η διαφορική θερµιδοµετρία σάρωσης είναι µια τεχνική παραπλήσια µε τη διαφορική θερµική ανάλυση και παρέχει παρόµοιες πληροφορίες για το δείγµα. Τα πλεονεκτήµατά της όµως έγκεινται στο γεγονός ότι είναι ευκολότερη στη χρήση και επίσης ότι παρέχει περισσότερο αξιόπιστα ποσοτικά αποτελέσµατα. Θεωρείται ως η δηµοφιλέστερη θερµική τεχνική ανάλυσης στη φαρµακευτική επιστήµη. Μάλιστα στη φαρµακοποιία των Ηνωµένων Πολιτειών υπάρχει ειδική αναφορά στη διαφορική θερµιδοµετρία σάρωσης [35]. Η συγκεκριµένη τεχνική προβλέπει την ταυτόχρονη προσφορά θερµότητας στον αναλύτη και σε ένα υλικό αναφοράς το οποίο δεν υπόκεινται σε καµία µεταβολή στο θερµοκρασιακό εύρος στο οποίο µελετάται ο αναλύτης. Ο ρυθµός µε τον οποίο όµως προσφέρεται η θερµότητα είναι διαφορετικός για κάθε υλικό και επιλέγεται έτσι ώστε τα δύο υλικά να έχουν πάντα την ίδια θερµοκρασία. Επειδή κατά τη διάρκεια των µετατροπών που συµβαίνουν στο δείγµα αλλάζει και ο ρυθµός µεταβολής της θερµοκρασίας του, προκειµένου να διατηρηθεί σταθερή η θερµοκρασιακή διαφορά

29 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων µεταξύ αναλύτη και υλικού αναφοράς απαιτείται η αύξηση ή η µείωση της προσφοράς θερµότητας προς τον αναλύτη. ηλαδή, αν η θερµική µετάπτωση που συµβαίνει είναι ενδόθερµη τότε ο ρυθµός αύξησης του παρεχόµενου ποσού θερµότητας προς το δείγµα θα µειωθεί και συνεπώς η διαφορά του σε σχέση µε το ρυθµό παροχής θερµότητας στο υλικό αναφοράς θα αυξηθεί. Το αντίθετο θα συµβεί σε µια εξώθερµη διαδικασία. Το αποτέλεσµα που καταγράφεται µε τη συγκεκριµένη τεχνική, είναι η διαφορά ρυθµού της θερµότητας που παρέχεται στα δύο υλικά σαν συνάρτηση της θερµοκρασίας [36]. Η διαφορική θερµιδοµετρία σάρωσης, όπως και η διαφορική θερµική ανάλυση, είναι µια πολύ εύχρηστη τεχνική στον προσδιορισµό του σηµείου τήξεως ενώσεων. Για παράδειγµα, η υδροχλωρική τζεπιρόνη (gepirone hydrochloride) έχει τρία πολύµορφα, τα οποία βρέθηκε ότι έχουν σηµεία τήξεως στους 180 o C, 200 o C και 212 o C, καθιστώντας έτσι εφικτό το χαρακτηρισµό τους [37]. Επίσης, τα δύο πολύµορφα της φαινυλεφρίνης οξαζολίδης (phenylephrine oxazolide) µπορούν εύκολα να διακριθούν µε βάση τα σηµεία τήξεώς τους τα οποία προκύπτουν από τα θερµογραφήµατά τους [38]. Μερικές από τις πιο ενδιαφέρουσες εφαρµογές της διαφορικής θερµιδοµετρίας σάρωσης έχουν πραγµατοποιηθεί πάνω στον τοµέα της σταθερότητας των πολυµόρφων. Σε µια από αυτές [39], µελετήθηκε η σταθερότητα των δύο κρυσταλλικών φάσεων του ιοπανοϊκού οξέος. Με το θερµογράφηµα του πολυµόρφου Ι βρέθηκε ότι παρουσιάζει σηµείο τήξεως στους 154 o C. Το θερµογράφηµα του πολυµόρφου ΙΙ επιδεικνύει µια περισσότερο πολύπλοκη συµπεριφορά. Αρχικά παρουσίασε µια µετάπτωση στους 133 o C η οποία οφειλόταν στην τήξη. Στη συνέχεια όµως επέδειξε µια εξώθερµη µετάπτωση τους 141 o C, η οποία καταδείκνυε την κρυστάλλωση του υλικού ενώ τέλος εµφανίστηκε µια ενδόθερµη κορυφή στου 153 o C που ήταν η θερµοκρασία τήξης του πολυµόρφου Ι. Άρα, το πολύµορφο ΙΙ αρχικά υπέστη τήξη, στη συνέχεια κρυσταλλώθηκε προς το πολύµορφο Ι του οποίου η ύπαρξη πιστοποιήθηκε από την τήξη του υλικού στους 153 o C, γεγονός το οποίο κατέδειξε ότι η κρυσταλλική µορφή Ι είναι µετασταθής και µπορεί να µετατραπεί προς τη σταθερότερη µορφή ΙΙ

30 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων 2.4 Φασµατοσκοπικές τεχνικές Φασµατοσκοπία NMR Η φασµατοσκοπία NMR στερεάς κατάστασης έχει εξελιχθεί τα τελευταία χρόνια σε µια τεχνική διαρκώς αυξανόµενης σηµασίας για το χαρακτηρισµό στερεών γενικότερα ενώ βρίσκει σηµαντικές εφαρµογές και στο χαρακτηρισµό των διαφόρων κρυσταλλικών φάσεων µιας ένωσης. Το φαινόµενο του πυρηνικού µαγνητικού συντονισµού βασίζεται στο φαινόµενο της κβάντωσης της ενέργειας των πυρήνων των ατόµων. Η ενέργεια δηλαδή που έχουν οι πυρήνες λόγω περιστροφής µπορεί να πάρει συγκεκριµένες τιµές για κάθε στοιχείο οι οποίες βρίσκονται στην περιοχή των ραδιοκυµάτων του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Αν εποµένως εφαρµοστεί µαγνητικό πεδίο κατάλληλης συχνότητας σε ένα πυρήνα τότε αυτός θα συντονιστεί στο µαγνητικό πεδίο και θα µεταπίψει σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο [40]. Η συγκεκριµένη τεχνική έχει εφαρµοστεί στη µελέτη των πυρήνων ορισµένων στοιχείων, τα δηµοφιλέστερα εκ των οποίων είναι το 1 H, o 13 C και ο 31 P, αν και για τα στερεά συνήθως χρησιµοποιούνται οι δύο τελευταίοι. Από τα φάσµατα NMR εξάγονται πληροφορίες σχετικά µε το χηµικό περιβάλλον των παραπάνω πυρήνων και πιο συγκεκριµένα για τα χηµικά είδη µε τα οποία είναι ενωµένοι, ενώ µπορεί να εφαρµοστεί και για ποσοτική ανάλυση των συστατικών ενός µίγµατος. Η φασµατοσκοπία NMR έχει εφαρµοστεί για τον ποιοτικό και ποσοτικό χαρακτηρισµό πολυµόρφων όπως είναι οι περιπτώσεις της σουλφοθιαζόλης [41], του κυκλοπενθιαζιδίου [42] και της ινδοµεθασίνης [43]. Επίσης το NMR έχει επιτυχώς χρησιµοποιηθεί για τη διάκριση µεταξύ της άνυδρης και της ένυδρης φάσης ενώσεων όπως είναι η αµπικιλλίνη [44] και η ανδροστανολόνη [45] ονητική φασµατοσκοπία Η δονητική φασµατοσκοπία αποτελεί ένα σηµαντικό αναλυτικό εργαλείο για το χαρακτηρισµό ενώσεων γενικότερα αλλά και των πολυµόρφων ειδικότερα. Πέρα από ποιοτικό χαρακτηρισµό, έχει χρησιµοποιηθεί ευρέως και για ποσοτικό, προσδιορίζοντας την αναλογία των συστατικών ενός µίγµατος. Ως δονητικές τεχνικές αναφέρονται η φασµατοσκοπία υπερύθρου (IR) και η φασµατοσκοπία Raman µια και οι πληροφορίες οι

31 Κεφάλαιο 2 Τεχνικές χαρακτηρισµού πολυµόρφων οποίες εξάγονται από τις συγκεκριµένες τεχνικές έχουν να κάνουν µε τα δονητικά ενεργειακά επίπεδα των µορίων. Μεγάλη ώθηση στη χρησιµοποίησή τους έδωσε η εφαρµογή της τεχνολογίας µετασχηµατισµών Fourier µε βάση την οποία ελαττώθηκε ο χρόνος λήψης του φάσµατος ενώ βελτιώθηκε η διακριτική ικανότητα και η ακρίβεια των αποτελεσµάτων. Το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο βασίζονται οι δύο αυτές τεχνικές παρουσιάζεται εκτενώς σε επόµενο κεφάλαιο Φασµατοσκοπία υπερύθρου Ο διαφορετικός τρόπος κρυστάλλωσης ενός υλικού, σε πολλές περιπτώσεις επηρεάζει την ενέργεια δόνησης των δεσµών των µορίων του υλικού, απότοκος του οποίου είναι η διαφορετικότητα στο φάσµατα IR [46,47]. Ο συχνότερος τρόπος χρήσης της φασµατοσκοπίας υπερύθρου, είναι µέσω της σύγκρισης των φασµάτων που προκύπτουν από τα διάφορα πολύµορφα. Με αυτόν τον τρόπο προσδιορίστηκαν τα δύο πολύµορφα της ρανιτιδίνης υδροχλώριο τα οποία δίνουν φάσµατα υπερύθρου που διαφέρουν σηµαντικά στις περιοχές πάνω από τους 3000 cm -1 όπως επίσης και στις περιοχές από cm -1 και cm -1 [48]. Με παρόµοιο τρόπο χαρακτηρίστηκαν τα έξι πολύµορφα της µεξιλετίνης υδροχλώριο [49]. Παρόλα αυτά, υπάρχουν και περιπτώσεις όπου η διαφορετικότητα στον τρόπο κρυστάλλωσης δεν επάγει καµία σχεδόν διαφορά στο φάσµα υπερύθρου καθιστώντας µη ικανή τη συγκεκριµένη τεχνική στη διάκριση µεταξύ των πολυµόρφων [50-52]. Μερικά φασµατόµετρα υπερύθρου παρέχουν τη δυνατότητα θέρµανσης του δείγµατος κατά τη διάρκεια της µέτρησης. Με αυτή την τεχνική προσδιορίζονται οι µεταβολές που συµβαίνουν στον αναλύτη κατά τη θέρµανση. Με αυτό τον τρόπο προσδιορίστηκαν οι τρεις αλλαγές φάσεις και οι τέσσερεις δοµικές αλλαγές της τετραστεαρικής πενταερυθριτόλης [53]. Οµοίως προσδιορίστηκαν οι διένυδρες φάσεις που προέκυψαν από τα δύο πολύµορφα της καρµπαµαζεπίνης [54]