Stabilitätsbeurteilung von O/W-Cremes auf Basis der Wasserhaltigen Hydrophilen Salbe DAB 1996

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1 Stabilitätsbeurteilung von O/W-Cremes auf Basis der Wasserhaltigen Hydrophilen Salbe DAB 1996 Von der Gemeinsamen Naturwissenschaftlichen Fakultät der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Dissertation von aus Christian Rose Mainz

2 1. Referent : Prof. Dr. R. Daniels 2. Referent : Prof. em. Dr. C. Führer eingereicht am : mündliche Prüfung (Disputation) am : Druckjahr: 1999

3 Für meine Eltern, meine Oma und meinen Großvater.

4 Virginia: Wie war die Nacht, Vater? Galilei: Hell. Aus dem Leben des Galilei von Berthold Brecht.

5 Vorveröffentlichungen der Dissertation Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Naturwissenschaftlichen Fakultät in folgenden Beiträgen vorab veröffentlicht: Publikationen Rose, C., Daniels, R., Einfluß von NaCl auf die rheologischen Eigenschaften von Wasserhaltiger Hydrophiler Salbe DAB 1996 nach Herstellung und Lagerung, Archiv der Pharmazie 1/98, Vol Rose, C., Daniels, R., Evaluation of odour sensing devices for stability testing of creams, Archiv der Pharmazie, 2/98, Vol Rose, C., Daniels, R., Stability testing of semisolid formulations by means of oscillatory measurements, Proc. 2nd World Meeting APGI/APV, Paris, 25/28 May Rose, C., Daniels, R., Grundlagen der Rheologie - Anwendungsbeispiele zur Stabilitätsprüfung von Dermatika, PZ - Prisma Nr. 2, 6. Jahrgang 1999, S Tagungsbeiträge Rose, C., Daniels, R., Stability testing of semisolid formulations by means of oscillatory measurements, Poster, 8th international conference on pharmaceutical technology, 44th annual congress of APV, 25 to 28 May 1998, Paris. Rose, C., Daniels, R., Untersuchungen zum Einsatz von Geruchssensoren für die Stabilitätsprüfung von Cremes, Poster, DPhG-Jahrestagung der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft vom 6. bis 8. November 1998 in Tübingen. Rose, C., Daniels, R., Einfluß von NaCl auf die rheologischen Eigenschaften von Wasserhaltiger Hydrophiler Salbe DAB 1996 nach Herstellung und Lagerung, Poster, DPhG- Fachgruppentagung der Fachgruppe Pharmazeutische Chemie in Würzburg, März 1997.

6 Danksagungen Die vorliegende Arbeit entstand unter Anleitung von Herrn Prof. Dr. R. Daniels am Institut für Pharmazeutische Technologie der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig. Herrn Prof. Dr. R. Daniels danke ich für die Aufnahme in seinen Arbeitskreis, die Zuweisung des Themas, die ständige Diskussionsbereitschaft und die persönliche Betreuung. Frau Prof. Dr. C. C. Müller-Goymann als Institutsleiterin danke ich für die Aufnahme an das Institut für Pharmazeutische Technologie als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Herrn Prof. Dr. C. Führer für die Anfertigung des Zweitgutachtens. Der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsförderung Otto von Guericke e.v. (AIF- FV-Nr.: 11227N) danke ich für die zeitweise finanzielle Unterstützung der Arbeit. Herrn Dr. Hinkelmann und Herrn Dr. Hänsch vom Institut für Botanik der TU Braunschweig danke ich für die Möglichkeit, am Transmissionselektronenmikroskop zu arbeiten. Desweiteren danke ich den im Material und Methodenteil aufgeführten Firmen für die Überlassung von Versuchssubstanzen. Den Kollegen und technischen Mitarbeitern danke ich für die freundliche Arbeitsatmosphäre und die fachlichen Hilfestellungen. Carmen Gröchtemeier danke ich für die Anfertigung der Gefrierbrüche, Manuela Handt und Dagmar Hahne für die Entwicklung der TEM-Aufnahmen, Beate Ebeling für die Durchführung der rheologischen Lagerversuche und Messungen, Juliane Schildt für die Durchführung der DSC-Versuche, Thomas Rillmann für die Hilfe bei der Durchführung der Röntgenversuche, Eva Melzer für die Einarbeitung in die Transmissionselektronenmikroskopie und Katja Schepper für die Einweisung in den Aromascan. Den Studenten Sascha Bergsträsser und Melanie Marzok danke ich für die Bearbeitung eines Seminararbeitsthemas, dessen Ergebnisse hier mitunter Eingang gefunden haben. Dank gilt auch Christian Wollenweber für die angenehme, freundschaftliche Zeit nicht nur im gemeinsamen Labor, sondern auch darüber hinaus mit seiner Familie (Benedict, Constance & Nicole), sowie meinen Freunden und Bekannten in Hannover (Ragi, Marco, Oliver), Hamburg (Susanne, Lars, Steffi, Leonie), Braunschweig (mit denen ich all das gemacht habe: Kino, Billiard, Badminton, Fischbach, Dieter Thomas, Astronomie, Lions, etc. - Ihr wißt schon, wer gemeint ist.) und der restlichen Welt für die abwechslungsreichen Momente während der Zeit, in der diese Arbeit entstand.

7 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 2. Allgemeiner Teil Haltbarkeit und Stabilität von Arzneimitteln Faktoren, die die Stabilität von Arzneimitteln mindern Prüfung der Stabilität von Arzneimitteln Halbfeste Zubereitungen und Dermatika Kolloidchemischer Aufbau von O/W-Cremes am Beispiel der Wasserhaltigen Hydrophilen Salbe Möglichkeiten der Stabilitätsprüfung an Dermatika Einfluß der Herstellungstechnologie und der Rezepturbestandteile auf die kolloidale Struktur und die Lagerstabilität Rheologie Theorie - Kriechversuche Theorie - Oszillationsmessungen Elektronische Nasen Definition von elektronischen Nasen Bisherige Einsatzbereiche von elektronischen Nasen Typen und Meßprinzipien von Geruchssensoren Schwingquarze Surface Acoustic Waves-Sensoren Metalloxidsensoren Leitfähige Polymere Kalorimetrische Sensoren Kombination mehrerer Sensorssysteme 21

8 II Inhaltsverzeichnis Die Headspace-Analytik Einflußgrößen der Headspace-Analytik Statische Headspacemessung Dynamische Headspacemessung Auswertung und Datenreduktionsverfahren Algorithmus nach Sammon Principle Component Analysis Bewertung von elektronischen Nasen - Vorteile und Nachteile Material und Methoden Substanzen Emulgierender Cetylstearylalkohol Typ A Weißes Vaselin Dickflüssiges Paraffin Natriumchlorid Calciumchlorid Sorbinsäure Wasser Ätherische Öle Wasserhaltige Hydrophile Salbe Herstellung der destabilisierten Cremesysteme Methoden und Geräte Zentrifugation Dynamische Differenz Kalorimetrie Rheologie Karl-Fischer-Titration Röntgenkleinwinkeluntersuchungen mit Kiessig OED 32

9 Inhaltsverzeichnis III Gefrierbruchtechnik Transmissionselektronenmikroskopie Geruchsmessung - Elektronische Nasen Aromascan HS 40-QMB Lagerbedingungen Isotherme Mikrokalorimetrie Modellanpassung der rheologischen Daten Statistische Auswertung Vergleich zweier Mittelwerte, t-test Vergleich der Standardabweichungen, F-Test Vorzeichentest Test beim Regressionskoeffizienten Versuchsergebnisse und Diskussion Grundcharakterisierung Zentrifugation Rheologie Fließgrenzen Charakterisierung des Fließverhaltens Approximation der Fließkurven an die Herschel-Bulkley-Beziehung Kriechversuche Das Burger-Modell Modellanpassung der Kriechdaten an das Burger-Modell Oszillation 54

10 IV Inhaltsverzeichnis Fazit der rheologischen Charakterisierug Röntgenuntersuchungen Quellungsverhalten von Emulgierendem Cetylstearylalkohol mit Wasser Untersuchungen zum Verlauf des Schichtgitterabstandes in Gegenwart von NaCl DSC-Untersuchungen Verlauf der Kurvenform Verlauf der Schmelzpunktwerte und Schmelzenthalpien Transmissionselektronenmikroskopie Erscheinungsbild der aufgebrochenen Proben Erscheinungsbild der angeätzten Proben Lagerungsversuche Verlauf der Fließgrenzen mit der Lagerzeit Oszillationsrheologische Untersuchungen an WHS mit 3 und 4 % NaCl Einfluß der Probenvorbereitung auf die oszillationsrheologischen Messungen Verhalten von WHS mit 3 und 4 % NaCl 76

11 Inhaltsverzeichnis V Isotherme Mikrokalorimetrie Oszillationsrheologische Untersuchungen des Lagerverhaltens Lagerung bei 20 C Lagerung bei +5 C Lagerung bei 40 C Lagerung bei 50 C Lagerung bei -5 / +40 C, täglicher Temperaturwechsel Lagerung im Extremschaukelprogramm Zusammenfassung Geruchsmessung Aromascan A32S Bestimmung der Trennleistung des Aromascans Einarbeitung von Geruchsmarkern zur Verbesserung der Trennleistung Variation der Meßbedingungen und andere Geruchsmarker Dynamic-Stripping-Methode HS 40-QMB Zusammenfassung der Ergebnisse der Geruchsmessung DSC-Untersuchung des Lagerverhaltens Lagerverhalten bei Raumtemperatur Lagerverhalten bei + 40 C über 2 Wochen Lagerverhalten bei -5 / +40 C über 2 Wochen im täglichen Wechsel Lagerverhalten im Extremschaukelprogramm Zusammenfassung der DSC-Untersuchungen des Lagerverhaltens 127

12 VI Inhaltsverzeichnis 5. Abschlußdiskussion Einfluß von Elektrolyten auf die Struktur und Stabilität der Wasserhaltigen Hydrophilen Salbe Lagerversuche Der Einsatz von Geruchssensoren zur Stabilitätsprüfung Zusammenfassung Tabellenteil 137 Daten zu Kapitel Daten zu Kapitel Daten zu Kapitel Daten zu Kapitel Lagerung bei 20 C 140 Lagerung bei 5 C 144 Lagerung bei 40 C 148 Lagerung bei 50 C 152 Lagerung bei -5 / +40 C 153 Extremlagerprogramm Literaturverzeichnis Lebenslauf 165

13 Einleitung 1 1. Einleitung Die frühzeitige Beurteilung des Stabilitätsverhaltens von Arzneimitteln kann in deren Entwicklungsphase entscheidend Zeit einsparen und dem Hersteller erste wichtige Anhaltspunkte für die Haltbarkeits- und Aufbrauchfristen des Arzneimittels geben. Bereits in der APV-Richtlinie von 1985 (APV 1985) und auch in neueren Richtlinien, wie z.b. von der International Conference on Harmonisation (ICH 1993) zur Angleichung von nationalen Vorgehensweisen in pharmazeutischen Problemstellungen herausgegeben, ist man übereingekommen, daß ein Arzneimittel noch solange angewendet werden darf, wenn mindestens 90 % des deklarierten Wirkstoffgehaltes vorhanden oder keine toxischen Abbauprodukte aufgetreten sind. Weiterhin wird in den Richtlinien darauf hingewiesen, daß für eine sachgerechte Anwendung auch die Stabilität des Arzneistoffträgersystems garantiert sein muß. Mit diesem Aspekt, der Beurteilung der Stabilität von Halbfesten Zubereitungen, die topisch anzuwendende Arzneistoffträgersysteme darstellen, befaßt sich die vorliegende Arbeit. Dabei werden physikochemische Veränderungen von Cremezubereitungen, die unterschiedliche Stabilitätsprofile aufweisen, während der Lagerzeit beobachtet. Um generell die Haltbarkeit von Arzneimitteln zu überprüfen, werden als Ergänzung von Langzeitversuchen vielfach Streßteste auf Basis der Arrheniusbeziehung durchgeführt. Arrhenius stellte einen Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten und der Lagertemperatur her. Durch Bestimmung des Reaktionsverlaufes bei diversen Temperaturen läßt sich letztendlich auf den zeitlichen Verlauf der Reaktion bei der gewünschten Lagertemperatur und damit verbunden auf die Haltbarkeit zurückschließen. Streßteste nach Arrhenius laufen bei höheren Temperaturen ab, wodurch man frühzeitiger zu einer Stabilitätsaussage kommt. Ihre Anwendung auf Halbfeste Systeme ist insofern eingeschränkt, da viele Halbfeste Systeme bei höheren Temperaturen nicht mehr existent sind. Desweiteren gestaltet sich die Interpretation einer Temperaturerhöhung für Cremes und Salben kritisch, da eine Temperaturerhöhung multifaktoriell in ein Halbfestes System eingreift. Von der Temperaturerhöhung sind beispielsweise die Viskositäten und Dichten der Rezepturkomponenten und HLB-Werte der Emulgatoren betroffen. Alle genannten Größen besitzen aber einen Einfluß auf die Stabilität derartiger Systeme.

14 2 Einleitung Als stabile Cremegrundlage, die von ihrem kolloidalen Aufbau eine klassische O/W-Creme darstellt, dient in der vorliegenden Arbeit die Wasserhaltige Hydrophile Salbe, die physikalisch durch die abgestufte Einarbeitung von Elektrolyten destabilisiert wird. Auf diese Weise sollen Cremesysteme mit unterschiedlichen Stabilitätsprofilen erstellt werden. Mit Hilfe von Lagerversuchen soll dann geklärt werden, inwieweit zwischen instabilen, metastabilen und stabilen Zubereitungen differenziert werden kann und welche Analysenmethoden die Instabilität, sowie das Lagerverhalten meßtechnisch zufriedenstellend und vor allem frühzeitig erfassen können. Auch soll während der Lagerung der Einfluß moderater Temperaturbelastungen auf die Systeme untersucht werden, um sinnvolle Lagerbedingungen für Cremesysteme zu finden, die frühzeitig Aufschluß über die Stabilität geben. Neben den klassischen Analysenmethoden zur Charakterisierung von Halbfesten Zubereitungen wie z.b. der Dynamischen Differenz Kalorimetrie und der Rheologie, soll geklärt werden, ob Geruchssensoren (elektronische Nasen) zur Stabilitätsprüfung von Cremesystemen verwendet werden können. Faßt man nämlich das Geruchsspektrum einer Zubereitung als Charakteristikum auf, so sollte es sich während der Laufzeit des Arzneimittels auch nur in geringen Grenzen verändern. Abweichungen vom Ausgangsgeruchsmuster sollten somit Hinweise auf Veränderungen, wie z.b. Phasenseparationen, geben.

15 Allgemeiner Teil 3 2. Allgemeiner Teil 2.1. Haltbarkeit und Stabilität von Arzneimitteln Betrachtet man Arzneimittel vom thermodynamischen Standpunkt aus, so laufen in ihnen andauernd Reaktionen ab, weil sich ihre Komponenten nicht im Gleichgewicht befinden. Nur am absoluten Nullpunkt ist ein thermodynamischer Stillstand erreicht. Es laufen keine Reaktionen mehr ab, weil die Entropie, die man als Triebkraft für eine Reaktion betrachten kann, nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik Null beträgt (Atkins 1993). Bei allen höheren Temperaturen auf der absoluten Temperaturskala können folglich Reaktionen ablaufen, weil die Entropie zunehmen kann. Die Frage ist nur, ob sich die Reaktionspartner in einem dynamischen Gleichgewicht befinden oder ob die Reaktion zur Seite der Produkte verschoben ist. Hieraus ergibt sich schließlich die Frage nach der Definition der Stabilität. Ein System ist dann stabil, wenn es sich von seinem Ausgangszustand nicht verändert. Thermodynamisch gesehen ist Stabilität gegeben, wenn die freie Enthalpie G null ist. Diese Aussage ist gleichbedeutend damit, daß sich die Gesamtentropie, die sich als Summe des Entropiegewinnes des Systems als auch des Entropiegewinnes der Umgebung errechnet, null ist, siehe Gleichung 2.1. Denn nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik würde die Entropie bei einem spontan ablaufenden Vorgang immer zunehmen (Paus 1995). Gleichung 2.1: Sgesamt = SUmgebung + SSystem mit S = Entropie. Durch Umformung ergibt sich hieraus die Gibbs-Helmholtz-Gleichung, die die freie Enthalpie G in Abhängigkeit der Systemgrößen Enthalpie H, Entropie S und absoluter Temperatur T beschreibt. Siehe Gleichung 2.2. Gleichung 2.2. : G = H - T S Ist G = 0, ist das System stabil und es laufen keine Reaktionen mehr ab. Alle Arzneimittel verändern sich aber im Laufe der Zeit. Dementsprechend muß man Toleranzgrenzen festlegen, in denen sich der Zustand des Systems verändern darf. Dies beinhaltet natürlich, daß sich hinsichtlich des therapeutischen Einsatzes keine Qualitäts-

16 4 Allgemeiner Teil einbußen ergeben dürfen. Solange das Arzneimittel innerhalb der spezifizierten Grenzen bleibt, wird es als haltbar betrachtet. In der APV-Richtlinie (1985) wird ein Arzneimittel als haltbar bezeichnet, solange noch mindestens 90 % der deklarierten Wirkstoffmenge vorhanden sind. Desweiteren ist in dieser Richtlinie vorgesehen, daß Abbauprodukte des Wirkstoffes begrenzt sind und diese keine Toxizität aufweisen. Ein weiterer Punkt beschäftigt sich mit organoleptisch wahrnehmbaren, physikalisch-chemischen und mikrobiologischen Eigenschaften des Arzneimittels. Die Qualität hinsichtlich dieser Eigenschaften gilt als gesichert, wenn die Prüfergebnisse den Spezifikationen entsprechen, die bestimmungsgemäße Anwendung des Arzneimittels möglich ist und auftretende Veränderungen nicht so ausgeprägt sind, daß die Akzeptanz durch den Verbraucher gestört wird (APV-Richtlinie 1985) Faktoren, die die Stabilität von Arzneimitteln mindern Einflußgrößen der Stabilität von Arzneimitteln können physikalischer, chemischer und mikrobiologischer Natur sein. Tabelle 2.1. nach Reng (Reng 1984) gibt einen Überblick. Tabelle 2.1. : Stabilitätsbeeinflussende Faktoren physikalisch chemisch mikrobiologisch Temperatur Alkalien, Säuren Bakterien mechanische Energie Gase Pilze, Hefen Licht Metalle Schallwellen Salze Viren So führt eine Temperaturerhöhung z.b. zu einer Erniedrigung der Viskosität und kann damit zum Brechen einer Emulsion beitragen. Mechanische Energie kann bei Tabletten zu Abrieb führen. Licht kann als physikalischer Auslösefaktor bei chemischen Reaktionen zur Überwindung der Aktivierungsenergie beitragen. Durch die unter den chemischen Faktoren aufgelisteten Größen können alle möglichen Reaktionen an Wirkstoffen und Hilfsstoffen eingeleitet werden, wie z.b. Oxidationen, Reduktionen, Umlagerungen, Hydrolysen, etc. Salze können darüberhinaus kolloidale Arzneistoffträgersystem, wie es die DLVO-Theorie

17 Allgemeiner Teil Prüfung der Stabilität von Arzneimitteln Alle oben aufgezählten Faktoren, die die Stabilität von Arzneimitteln beeinflussen, können im Umkehrschluß als Streßauslöser zu einer Prüfung der Haltbarkeit eingesetzt werden. Bevor darauf näher eingegangen wird, soll zuerst die Bedeutung der späteren Lagertemperatur für die Haltbarkeit beleuchtet werden. Tabelle 2.2. : Klimazonen nach Grimm (1975) beschreibt, destabilisieren. So dürfen parenterale Emulsionen durch die zugesetzten Elektrolyte (Mischinfusionen) in ihrer Partikelgrößenverteilung während der Lagerung nicht beeinflußt werden, damit es zu keinen Embolien kommt (Schuhmann 1995). Wertminderungen von Arzneimitteln können auch noch durch mikrobiologische Einflüsse ausgelöst werden. Verkeimung mit Pilzen, Hefen und Bakterien können in erster Linie nicht nur den Patienten durch ein Infektionsrisiko belasten, es sind ebenso wie Abbaureaktionen von Wirkstoffen durch die Mikroorganismen, auch Konsistenzveränderungen des Arzneisoffträgersystems denkbar. Unter der Spalte der Mikroorganismen sind auch Viren eingetragen worden. Viren sind zwar keine lebenden Mikroorganismen, ihr unerwünschtes Vorkommen in Arzneimitteln, da sie Krankheiten auslösen können, würde demzufolge auch ein mikrobiologisches Problem darstellen (Wallhäuser 1984), weswegen sie hier genannt wurden. Seit der BSE-Thematik sollten an dieser Stelle auch Prionen erwähnt werden, die infektiöse Glykoproteine mit einem Molekulargewicht von Dalton darstellen (Reinhard 1990). Sie lösen beim Rind die bovine spongioforme Enzephalopathie aus, und stehen im Verdacht, daß sie auf den Menschen übertragen werden und die Creutzfeldt-Jakob- Erkrankung auslösen können. Klimazone Jahresdurchschnitt 4 heißeste Monate Durchschnittstemperatutemperatur rel. Feucht in % Durchschnitts- rel. Feucht in % 1 bis 15 keine Begrenzung bis 22 keine Begrenzung keine Begrenzung keine Begrenzung 3 > 22 bis 60 > 30 bis 65 4 > 22 > 60 > 30 > 65

18 6 Allgemeiner Teil Will man die Stabilität von Arzneimitteln prüfen, so sollte man sich zuerst Gedanken über die Bedingungen machen unter denen das Arzneimittel später gelagert wird. Hierzu wird die Welt in 4 Klimazonen eingeteilt. Die Zuordnung eines Ortes zu einer Klimazone (Tabelle 2.2.) richtet sich nach der kinetischen Durchschnittstemperatur und der relativen Luftfeuchte. Hat man die Klimazone für den Ort gefunden, so ergibt sich hieraus die Lagerbedingung für Langzeitversuche nach Grimm (1975), wie in Tabelle 2.3. verdeutlicht: Tabelle 2.3. : Lagerbedingungen entsprechend der Klimazone Klimazone Temperatur in C rel. Feucht in % Neuere Richtlinien, wie z.b. die der International Conference on Harmonisation (ICH 1993), empfehlen für Langzeitversuche eine Temperatur von 25 C ± 2 C und eine relative Feuchte von 60 % ± 5 %, unter der Voraussetzung, daß diese Lagerbedingung den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht. Die einfachste Art der Prüfung der Stabilität von Arzneimitteln stellt der angesprochene Langzeittest dar. Man lagert das Arzneimittel entsprechend der Einteilung nach der Klimazone oder folgt der ICH-Empfehlung. Der Langzeitversuch, seine Mindestdauer wird von der FDA Draft-Guidance for Industry (1998) zu einem Jahr angeraten, würde nun so ablaufen, daß von Zeit zu Zeit die Qualität des Arzneimittels überprüft werden muß, um z.b. die Zeit zu ermitteln, in der noch 90 % des deklarierten Wirksoffgehaltes vorhanden sind oder unakzeptable Veränderungen des Arzneistoffträgersystems stattgefunden haben. In der FDA Draft-Guidance for Industry (1998) werden auch Vorschläge zur Probenmenge, des Ortes der Probennahme bei Aufbewahrung der Arzneimittel in größeren Behältnissen gemacht und Charakteristika der Arzneiformen angegeben, auf deren Änderung man achten sollte. Die Probenmenge kann durch die dort beschriebenen Methoden des Bracketing und Matrixing in ihrem Umfang begrenzt werden. Der Ort der Probennahme spielt z.b. bei Salben und Cremes eine Rolle, die in Tuben gelagert werden. Hier wird eine Probennahme aus dem oberen, mittleren und unteren Teil des Lagerbehältnisses empfohlen.

19 Allgemeiner Teil 7 Charakteristika, auf deren Änderung man während der Lagerung achten sollte, sind z.b. bei Emulsionen und Salben das Aussehen, die Farbe, der Geruch, Abbauprodukte, die Viskosität, Phasenseparationen, die Partikelgrößenverteilung und eine Redispergierbarkeit. Jedoch ist eine derartige Vorgehensweise mit einem Langzeittest sehr zeitaufwendig. Man ist folglich, besonders in der Entwicklungsphase des Arzneimittels, an beschleunigten Haltbarkeitstesten interessiert, um die Haltbarkeitsfrist in kürzerer Zeit zu erhalten. Eine einfache Möglichkeit, um zu einer frühzeitigeren Aussage zu gelangen, besteht in der Erhöhung der Lagertemperatur. So empfiehlt die FDA Draft-Guidance for Industry (1998) für beschleunigte Teste eine Temperatur von 40 ± 2 C und eine relative Feuchte von 75 ± 5 %. Dieser Test sollte mindestens 6 Monate andauern. Eine Temperaturerhöhung erhöht die innere Energie eines Systems (Reng 1984). Dadurch laufen viele Reaktionen schneller ab. Van`t Hoff ( ) faßte diese Erkenntnis zu folgender Regel zusammen : Erhöht man die Temperatur um 10 C, so erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 4-fache (Voigt 1993). Arrhenius ( ) beschrieb diesen Ansatz später genauer, indem er einen Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k und der absoluten Temperatur für die Reaktion chemischer Spezies aufstellte. Die Arrhenius-Beziehung, siehe Gleichung 2.3., lautet (Atkins 1996) : Gleichung 2.3. : ln kt ( ) = ln A E A 1 R T k = Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, E A = Aktivierungsenergie, R = universelle Gaskonstante, T = absolute Temperatur, A = Stoßfaktor Wie in Gleichung 2.3. beschrieben, hängt k von der Temperatur ab. Durch Bestimmung von k unter mehreren isothermen Bedingungen, läßt sich auf die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante der späteren Lagertemperatur zurückrechnen, da ln k und 1/T einem linearen Zusammenhang gehorchen. Kennt man das k der Lagertemperatur, so ergibt sich die Haltbarkeitszeit t 90%, siehe Gleichung 2.4., für einen Wirkstoff in wäßriger Arzneistofflösung, der beispielsweise hydrolysiert wird, zu (Bauer, Frömming, Führer 1991) : _ ln1, 1 Gleichung 2.4. : t 90% = k

20 8 Allgemeiner Teil Durch den Arrheniusstreßtest ist es möglich, die Haltbarkeitsfrist von Wirkstoffen in einfachen, homogenen Systemen, z.b. Lösungen zu erhalten. Grenzen des Arrheniustestes sind erreicht, wenn sich die Reaktionsordnung bei höheren Temperaturen ändert oder es zu Autokatalysen kommt. Ebenso versagt er, wenn man die Stabilität des physikalischen Zustandes von Arzneimitteln vorhersagen will, weil eine Temperaturerhöhung nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, sondern auch andere Größen beeinflußt (Mielck 1975). So würden sich z.b. bei einer Emulsion als physikochemische Größen die Dichten, HLB- Werte der Emulgatoren und die Viskositäten von dispergierter und kohärenter Phase ändern. Alle genannten Größen besitzen aber einen Einfluß auf die Stabilität. Insofern gestaltet sich die Interpretation einer Temperaturerhöhung schwierig. Abwandlungen einer Temperaturbelastung bestehen in der Durchführung von Temperaturzyklen. Häufig eingesetzt werden z.b. wechselnde Temperaturen. Die Teste werden dann als Schaukelteste bezeichnet. Hierbei ist die mittlere kinetische Durchschnittstemperatur nicht etwa das arithmetische Mittel, sondern berechnet sich nach einer Formel von Haynes (1971). Schaukelt man z.b. die Probe täglich zwischen -5 C (268 K) und + 40 C (313 K), so errechnet sich die tägliche mittlere kinetische Temperatur T K zu: TK = e268 + e313 ln 2 = 289 K = 15,8 C Eine Temperaturerhöhung ist aber nicht die einzige Möglichkeit, Streß auf ein Arzneimittel auszuüben. So kann mechanische Belastung in Form von Zentrifugalkräften oder Scherbelastungen mit Hilfe von Schüttelmaschinen bei Emulsionen zum frühzeitigen Brechen führen und damit Auskunft über die Stabilität geben. Das gleiche kann ein Zusatz von Chemikalien bewirken. Wichtig ist nur, daß eine Korrelation zwischen künstlichem Streß und dem Streß während der Lagerung besteht. So wird vielfach ein Zentrifugationstest bei Emulsionen kritisch gesehen, weil während einer normalen Lagerung derartige Kräfte, wie sie durch Zentrifugalkräfte simuliert werden, nicht auftreten (Rieger 1982).

21 Allgemeiner Teil Halbfeste Zubereitungen und Dermatika Halbfeste Zubereitungen sind nach dem Klassierungsvorschlag von Führer (Führer 1981) eine Untergruppe der Dermatika. Die beiden anderen Untergruppen sind einerseits flüssige Systeme, hierzu gehören Emulsionen, Lösungen und Suspensionen, und andererseits feste Systeme mit Pudern. Halbfeste Systeme oder Halbfeste Arzneiformen sind Darreichungsformen, die im allgemeinen im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und Hauttemperatur streichfähig sind und dadurch von den flüssigen Darreichungsformen und denen mit Feststoffcharakter differenziert werden können. Ihre Anwendung erfolgt auf der Haut oder Schleimhäuten. Damit fallen Applikationsort und Wirkungsort häufig zusammen oder liegen dicht beieinander (Junginger 1992). Vom kolloidchemischen Aufbau ist allen Halbfesten Arzneiformen gemeinsam, daß sie ein Gelgerüst besitzen. Münzel (Münzel 1953) erkannte diesen Zusammenhang und beschrieb Halbfeste Darreichungsformen wie Salben ganz allgemein als plastische Gele zur kutanen Applikation. Der plastische Zustand dieser Systeme ist durch das Vorhandensein einer Fließgrenze charakterisiert. Beim Einwirken einer Scherkraft kommt es zum Fließen, unterhalb der Fließgrenze sind diese Systeme formstabil. Das Vorhandensein beider angesprochener Eigenschaften wird treffend durch den Begriff der Viskoelastizität beschrieben. Salben sind im pharmazeutischen Sprachgebrauch wasserfreie Halbfeste Systeme. Hier werden apolare Systeme, wie Vaselin, von polaren Systemen mit oder ohne Emulgatoren unterschieden (Junginger 1992). Zu den polaren Systemen ohne Emulgatorzusatz werden nach den Lehrbüchern (Bauer et al. 1991, List 1985) die PEG-Salbe, das wegen seiner schnellen Verderblichkeit nicht mehr angewendete Schweineschmalz und Oleogele gezählt. Enthalten die polaren und apolaren Systeme zusätzlich Emulgatoren, werden sie als W/O- Absorptionsgele, bzw. O/W-Absorptionsgele bezeichnet, und aus ihnen können durch die Einarbeitung von Wasser W/O-Cremes und O/W-Cremes hergestellt werden (Junginger 1992). Eine Creme ist demzufolge eine Salbe, in die Wasser eingearbeitet wurde. Bei klassischen O/W-Cremes wird das Wasser auf zwei Arten in der Creme immobilisiert. Einerseits kann das Wasser mechanisch durch Kapillarkräfte und stützende Gelgerüststrukturen gebunden werden, die andere Möglichkeit besteht in der Fixierung des Wassers innerhalb hydrophiler Gelphasen über Grenzflächenpotentiale (Junginger 1984). Eine Möglichkeit zur Unterscheidung der beiden Wasserarten ist mit Hilfe der

22 10 Allgemeiner Teil Thermogravimetrie gegeben, wenn die beiden Wasserarten sich hinsichtlich ihrer Abdampfcharakteristik signifikant unterscheiden (Rowe 1987). Dagegen ist das Wasser in klassischen W/O-Cremes, wie z.b. in der Wasserhaltigen Wollwachsalkoholsalbe, die aus der Absorptionsgrundlage Wollwachsalkoholsalbe hergestellt wird, in einem emulsionsähnlichen Zustand gebunden (Junginger 1994). Als Übergangsform von O/W- zu W/O-Cremes sind amphiphile Systeme zu nennen. In sie können sowohl lipophile als auch hydrophile Grundlagen eingearbeitet werden. Um die Gruppe der wasserhaltigen Systeme zu vervollständigen, seien noch die Hydrogele, wie z.b. das Methylcellulosegel, erwähnt. Auch Pasten werden zu den Halbfesten Systemen gerechnet. Sie stellen einen Übergangsbereich zwischen feuchten Pudern und hochkonzentrierten Suspensionen dar. Als Beispiel sei die Zinkpaste DAB 10 genannt. Tabelle 2.4. nach Junginger (Junginger 1992) gibt nochmals einen Klassifizierungsüberblick über Halbfeste Zubereitungen. Tabelle 2.4. : Systematik der Halbfesten Zubereitungen Halbfeste Zubereitungen wasserfreie Systeme wasserhaltige Systeme Pasten apolar Hydrogele z.b. weiche Zinkpaste polar ohne Emulgatoren O/W-Cremes polar mit Emulgatoren W/O-Cremes Amphiphile Systeme Das Europäische Arzneibuch (EAB 1997) folgt im weitesten dieser Einteilung. In der Monografie Halbfeste Zubereitungen zur kutanen Anwendung werden Salben, Cremes, Gele und Pasten aufgeführt. Die Unterscheidung der Systeme erfolgt bei den Salben über hydrophobe Systeme, wie Vaselin und Fette, die nur kleine Mengen an Wasser aufnehmen können, hydrophile Salben, die mit Wasser mischbar sind, wie die Salben auf Macrogolbasis, und wasseraufnehmende Salbe, die diese Fähigkeit durch die Einarbeitung von Emulgatoren in hydrophobe Grundlagen erhalten. Cremes und Gele werden dort jeweils nach hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften unterschieden.

23 Allgemeiner Teil Kolloidchemischer Aufbau von O/W-Cremes am Beispiel der Wasserhaltigen Hydrophilen Salbe Der Aufbau der Wasserhaltigen Hydrophilen Salbe ist auf viele andere O/W-Cremes, wie z.b. auf die Nichtionische Hydrophile Creme DAB 1996, übertragbar. Da in vorliegender Arbeit die Wasserhaltige Hydrophile Salbe als Cremegrundlage verwendet wird, soll auch nur ihr kolloidchemischer Aufbau beschrieben werden. Zur Beschreibung des Aufbaus anderer Halbfester Zubereitungen sei auf die entsprechende Literatur verwiesen (z.b. Junginger 1992). Die Wasserhaltige Hydrophile Salbe besitzt nach den Strukturvorstellungen einen 4-phasigen Aufbau, bestehend aus der gequollenen hydrophilen Gelphase, der lipophilen Gelphase, der kohärenten, wäßrigen, äußeren Phase und der dispersen lipophilen inneren Phase (Abbildung 2.2.). Abbildung 2.2. : Kolloidchemischer Aufbau der Wasserhaltigen Hydrophilen Salbe a) Flüssigkristallines, lamellares Gelgerüst aus Emulgierendem Cetylstearylalkohol, b) interlamellar fixiertes Wasser, c) Cetylstearylalkohol-Semihydrat-Gelgerüst, d) Bulkwasserphase, e) lipophile, disperse Phase.

24 12 Allgemeiner Teil Die hydrophile Gelphase wird durch ein Mischkristallisat aus Emulgierendem Cetylstearylalkohol gebildet, das lamellar auskristallisiert und zur interlamellaren Fixierung von Wasser befähigt ist. Die lipophile Gelphase wird durch überschüssigen Cetylstearylalkohol gebildet, der als Semihydrat auskristallisiert. Beide Gelphasen bilden ein dreidimensionales, kohärentes Gelgerüst aus. Nicht interlamellar fixiertes Wasser liegt ungebunden vor, bildet eine eigene Phase und wird als Bulkwasserphase bezeichnet. Das Bulkwasser wird nach den Strukturvorstellungen nur mechanisch immobilisiert. Beide Wasserphasen stehen in einem Gleichgewicht (Junginger 1984). Paraffin und Vaselin bilden als letztes die lipophile, disperse Phase Einfluß der Herstellungstechnologie und der Rezepturbestandteile auf die kolloidale Struktur und die Lagerstabilität Desweiteren kommt der Herstellungstechnologie von Halbfesten Zubereitungen eine entscheidende Bedeutung für das spätere Stabilitätsverhalten zu. So entstehen beim schnellen Herunterkühlen und begrenztem Dispergieren flüssigere Systeme als im umgekehrten Fall mit langsamerer Kühlrate und ständigem Dispergieren (Eccleston 1990). Der Konsistenzunterschied beruht meistens auf der unterschiedlichen Ausbildung von Gelgerüststrukturen in den Halbfesten Zubereitungen. Timmins et al. (Timmins 1990) zeigten, daß Cremesysteme mit gleicher mengenmäßiger Zusammensetzung unterschiedliche Schmelzenthalpien aufwiesen. Die Enthalpien wurden mittels Dynamischer Differenz Kalorimetrie ermittelt. Die Schmelzenthalpien der durch schnelle Abkühlung hergestellten Cremes waren deutlich niedriger als bei Herstellung mit langsameren Kühlraten, weil der Ordnungszustand in letztem Falle höher war und folglich mehr Energie für den Phasenübergang benötigt wurde. Kudlek zeigte den Einfluß der Herstellungstemperatur auf die kolloidale Struktur einer speziellen Zubereitung, die bei einer Temperatur von 85 C eine Lotio, bei einer Temperatur von 70 C eine Creme ergab (Kudlek 1996). Dies hing mit dem temperaturabhängigen Verteilungsverhalten zwischen hydrophiler und lipophiler Phase einer Emulgatorkomponente zusammen. Ebenso kann es durch polymorphes Verhalten einiger Rezepturkomponenten zu strukturellen Unterschieden und Unterschieden im Stabilitätsverhalten kommen, weil sich mit der Zeit die

25 Allgemeiner Teil 13 thermodynamisch instabile Form in die stabile Modifikation umwandelt (Henck 1997). Das polymorphe Verhalten von Cremes und Salben rührt vor allem von den Fettalkoholen her, die als Emulgatoren eingesetzt werden. So zeigten Junginger und Führer (Junginger et al. 1979) polymorphes Verhalten bei der Hydrophilen Salbe, das seine Ursache in den verschiedenen Modifikationen des Emulgierenden Cetylstearylalkohols besaß (Beer, Führer 1980). Die Unterschiede konnten hier vor allem durch Röntgendiffraktometrie und durch Dynamische Differenz Kalorimetrie erkannt werden. Polymorphes Verhalten findet sich auch vielfach bei der Verwendung von Glycerolmonostearat in Dermatika. Klokkers (Klokkers 1985) untersuchte eine Creme mit Glycerolmonostearat als Emulgatorkomponente, in der aus der Schmelze zuerst die metastabile α-modifikation kristallisierte, die sich mit der Lagerung in die stabile β-modifikation umwandelte. Dies führte zu deutlichen Veränderungen und machte sich in höheren Konsistenzen der Zubereitungen bemerkbar. Hat man die Einflußgrößen, die die kolloidale Struktur von Dermatika beeinflussen, herausgefunden, kann es desweiteren beim Scaling-up, also der Umstellung des Herstellungsprozesses vom Labor- auf den Produktionsmaßstab, durch Verwendung anderer Herstellungsgeräte zu veränderten Prozeßgrößen kommen (Folger 1994). Mit Hilfe von Ähnlichkeitskriterien durch Bildung dimensionsloser Ausdrücke von Prozeßgrößen (Zimmermannn 1998) können etwaige Probleme im Vorfeld umgangen werden. Insgesamt sind sehr viel Punkte zu berücksichtigen, die die kolloidale Struktur eines Halbfesten Systems und damit verbunden dessen Stabilitätsverhalten determinieren. Die Fülle an Einflußfaktoren und deren teilweise gegenseitige Abhängigkeit erschwert die Erfassung der physikochemischen Systemeigenschaften in Gleichungen. Ansätze gibt es beispielsweise auf dem Gebiet der Emulsionen (Karbstein, Schubert 1994), die als zweiphasige Systeme verhältnismäßig einfach strukturiert sind. Für die kompliziert aufgebauten mehrphasigen Cremesysteme wird wohl auch in nächster Zukunft nur eine empirische Beurteilung der Stabilität mit geeigneten Prüfmethoden möglich sein Möglichkeiten der Stabilitätsprüfung an Dermatika Vielfach angewendet wird die schon angesprochene Lagerung bei verschiedenen isothermen oder variierenden Temperaturen mit entsprechender physikochemischer oder im einfachsten Falle visueller Beurteilung. Erfahrungen aus einem Ringtest (Hüttinger 1980), mit visueller Begutachtung auftretender Phasenseparationen, zeigten, daß Lagerteste bei 40 C über 3 Monate, bei -5 C für eine Woche und eine wechselnde Temperaturbelastung von + 40 bis

26 14 Allgemeiner Teil -5 C im 24-stündigen Wechsel eine geeignete Auswahl an möglichen Lagertemperaturen darstellte. Andere Autoren favorisieren auch Temperaturen unterhalb 0 C, da es unter Kälteeinwirkung zu Phasenseparationen der Zubereitungen kommen kann (Roehl 1972, Grimm 1993). Als Grund ist hier eine Dehydratisierung der verwendeten Emulgatoren infolge Eisbildung zu sehen. Zusätzlich deformieren die wachsenden Eiskristalle die Gestalt der emulgierten Phase (Mielck 1975). So konnten bei der Stabilitätsprüfung einer W/O-Creme bei Lagertemperaturen unter 0 C bereits nach einwöchiger Lagerung die ersten relevanten Ergebnisse erhalten werden (Quack 1975). Methodisch vielversprechende Ergebnisse für eine frühzeitige Stabilitätsaussage bei Emulsionen und Halbfesten Zubereitungen konnten von Birrenbach (Birrenbach et al. 1976) mit Hilfe der Impedanzmessung erzielt werden. Bei den untersuchten Systemen ergab sich sogar eine Korrelation dieser Analysemethode mit Lagertesten. Die zeitliche Verfolgung der Leitfähigkeit oder Dielektrizitätskonstanten stellt ebenso eine gutes Verfahren dar, Veränderungen frühzeitiger als mit visuellen Mitteln zu erkennen (Schambil 1989, Brandau 1979, Sax 1988, Patel 1985). Auch vermögen rheologische Meßmethoden Hinweise auf Instabilitäten zu liefern. Aussagekräftig sind hier Veränderungen viskoelastischer Kenngrößen, wie sie in Kriechtesten und Oszillationsversuchen ermittelt werden können (Barry 1974). Mit Hilfe letztgenannter Verfahren kann auf die Existenz eines viskoelastischen Gelnetzwerkes in den Zubereitungen geschlossen werden, welches entscheidend für die Stabilität einer Zubereitung sein kann (Eccleston 1975, 1988, Sanchez 1997). Durch Auswertung der Ergebnisse oszillationsrheologischer Analysen mit neuronalen Netzen gelang es nach entsprechenden Trainingsperioden, das rheologische Verhalten einer Formulierung inklusive ihrer Stabilität mit neuer Rezepturzusammensetzung vorherzusagen (Gasperlin 1998). Ebenso vermag die Kombination von Rheologie und Temperaturbelastung während der Lagerung frühzeitig Hinweise auf die Stabilität zu liefern. Semenzato et al. (1997) konnten mit Hilfe der Oszillationsrheologie Phasenseparationen bei Halbfesten Systemen bei 37 C Lagertemperatur bereits nach einem Monat erkennen, während dies bei Raumtemperatur erst nach 8 Monaten möglich war.

27 Allgemeiner Teil Rheologie - Theoretische Grundlagen zu Kriechtesten und Oszillationsmessungen Theorie - Kriechversuche Bei den Kriechtesten wird eine Schubspannung als Sprungfunktion auf das zu untersuchende Material vorgegeben. Ermittelt wird die Deformation. Teilt man die Deformation durch die angelegte Schubspannung, so erhält man als Größe die Nachgiebigkeit J, auch als Komplianz bezeichnet. In Grafiken wird meist J über der Zeit t aufgetragen. Die Einheit von J ist Pa -1. Durch die Relativierung der Deformation auf die angelegte Schubspannung ergeben sich vergleichbare Nachgiebigkeiten auch bei unterschiedlichen Schubspannungen, sofern man im linearviskoelastischen Bereich mißt. Mit Hilfe von Kriechversuchen können in einer Probe viskose und elastische Anteile ermittelt werden (Bohlin 1989). Kriechversuche - Hookescher Festkörper Für den idealen Festkörper nach Hooke gilt τ = Gγ. Mit G = elastischer Gleitmodul und γ = Deformation. Folglich wird die Deformation aufgrund des Hookeschen Gesetzes auch als Sprungfunktion verlaufen. Nach Wegnahme der Schubspannung wird die Deformation, bzw. die Komplianz J auf Null zurückgehen. Die elastisch gespeicherte Energie wird also wieder zurückgewonnen (Abbildung 2.3.). Kriechversuche - Newtonsche Flüssigkeit Bei einer newtonschen Flüssigkeit steigt die Deformation, bzw. die Komplianz mit der Zeit linear an, um bei Wegnahme der Schubspannung auf ihrem Endwert stehen zu bleiben, weil die Deformation γ proportional zur angelegten Schubspannung und der Zeitdauer ihres Wirkens ist. Die Energie während des Fließvorganges wird vollständig dissipiert und kann nicht zurückgewonnen werden.

28 16 Allgemeiner Teil A C 5 5 Schubspannung Zeit Deformation Zeit B D Deformation Deformation 5 elastisch viskos Zeit Zeit Abbildung 2.3. : Verhalten des Hookeschen Festkörpers (B), der Newtonschen Flüssigkeit (C) und des viskoelastischen Körpers (C) auf eine als Sprungfunktion angelegte Schubspannung (A). Kriechversuche - Viskoelastische Körper Zwischen diesen beiden extremen Verhaltensweisen des Hookeschen Festkörpers und der Newtonschen Flüssigkeit sind die viskoelastischen Körper anzusiedeln. Wird eine Schubspannung z.b. bei Cremes unterhalb der Fließgrenze angelegt, so stellt sich die maximale Deformation zeitverzögert ein. Das Material kriecht seiner maximalen Deformation entgegen, daher auch der Name dieser Teste. In der Kriecherholung, der Zeit nach Wegnahme der Schubspannung, findet eine Rückstellung um den elastischen Anteil statt, während sie durch den viskosen Anteil auf einem gewissen Niveau stehen bleibt.

29 Allgemeiner Teil Theorie - Oszillationsmessungen Hier wird eine Schubspannung oszillierend auf die zu untersuchende Probe aufgegeben. Als Antwortsignal wird primär die Deformation betrachtet. Oszillation - Hookescher Festkörper Für einen Festkörper gilt τ = Gγ. Daher folgt für die Oszillation : τ() t = τ cosωt = Gγ cosωt 0 0 d.h. τ und γ laufen in Phase, die Phasenverschiebung δ beträgt 0. Oszillation - Newtonsche Flüssigkeit... Es gilt das Newtonsche Fließgesetz: τ = ηγ τ() t = τ cos ωt= ηγ() t = ηγ cosωt 0 0 d.h. τ und γ. laufen in Phase. Integriert man die Gleichung für den Verlauf von γ. um die Deformation γ (t) zu erhalten, so folgt : γ () t = γ sinωt = γ cos( ωt ) Hierbei wurde γ = ω γ 0 gesetzt. Insgesamt kommt es zu einer Phasenverschiebung δ von 90. Oszillation - Viskoelastische Körper Viskoelastische Körper zeigen demzufolge eine Phasenverschiebung δ mit 0 < δ < 90. Die Deformationsantwort eines viskoelastischen Körpers ist folglich : γ() t = γ cos( ωt δ) 0 Die Phasenverschiebung δ errechnet sich als : δ = ω t

30 18 Allgemeiner Teil Wobei t der Zeitunterschied zwischen dem Auftreten von maximaler Schubspannung und maximaler Deformation ist. Ist δ < 45 so überwiegen in dem System die elastischen Anteile. Ist δ = 45 so halten sich elastische und viskose Anteile des viskoelastischen Körpers die Waage. Die Notation der Schwingungsvorgänge auf der komplexen Zahlenebene liefert das Speichermodul G`, das Verlustmodul G`` und das komplexe Modul G * (Pahl 1995). * iωt * i( ωt δ) = 0e und = 0e τ τ γ γ * * τ τ0 iδ τ0 τ0 G = = e = cosδ + i sinδ * γ γ γ γ * G = G + ig 0 0 τ0 τ0 mit G = cos δ und G = sinδ γ γ G` beschreibt das elastische Verhalten und steht für die zurückgewinnbare Energie, während G`` für das viskose Verhalten und die dissipierte Energie steht. Beide werden in Pa angegeben. Ist δ = 45, haben G` und G`` gleiche Werte. Zu bemerken wäre, daß alle oszillationsrheologischen Kenngrößen eine Funktion der Frequenz, also der Zeitdauer der Belastung darstellen Elektronische Nasen Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Fragestellung nachgegangen, ob elektronische Nasen zur Stabilitätsprüfung von Halbfesten Zubereitungen eingesetzt werden können. Daher soll hier ein allgemeiner Überblick über den aktuellen Stand auf dem Gebiet der Geruchssensoren gegeben werden Definition von elektronischen Nasen Unter einer elektronischen Nase versteht man ein Instrument, daß einzelne oder zu einem Array zusammengefaßte elektrochemische Sensoren mit überlappender Spezifizität und ein geeignetes Muster-Erkennungssystem enthält, das imstande ist, einfache und komplexe Gerüche wiederzuerkennen (Gardner, Bartlett 1994). Als Array bezeichnet man ein

31 Allgemeiner Teil 19 elektronisches Bauelement, das mehrere Sensoren auf einem Chip enthält, so daß die Probe diese Sensoren zeitgleich und in gleichem Maße erreicht (Schepper, Daniels 1997). Die Bezeichnungen künstliche Nase, mechanische Nase und Odour-Sensing-System werden dabei synonym verwendet. Das bedeutet, eine elektronische Nase muß prinzipiell über zwei Einheiten verfügen: Ein Nasenäquivalent zur Geruchswahrnehmung und ein Gehirnäquivalent zum Merken und Wiedererkennen der Geruchsmuster, wofür sich z.b. neuronale Netzwerke eignen (Moy, Collins 1996) Bisherige Einsatzbereiche von elektronischen Nasen Die Anwendungen von elektronischen Nasen reichen von der Qualitätskontrolle bei Lebensmitteln und Getränken (Pearce 1993, Gardner 1992), Produkten der Kosmetikindustrie (Moy, Tan 1994) bis hin zur Detektion von Schwelbränden (Horner, Vonach 1995, Kohl, Vornehm 1994) Typen und Meßprinzipien von Geruchssensoren Schwingquarze (QMB) Schwingquarze sind massensensitive Sensoren. Bei ihnen ändert sich in Abhängigkeit der Menge der Geruchsmoleküle, die sich an der Sensoroberfläche anlagern, die Eigenfrequenz (Definition siehe unten) der Schwingung. Als Schwingquarze werden piezoelektrische Quarzkristalloszillatoren eingesetzt, deren Oberfläche mit Materialien umhüllt sind, die auch als stationäre Phasen in der Gaschromatographie benutzt werden. Die Oszillatoren haben eine Basisfrequenz von ca. 10 MHz und eine Signalantwort liegt im Bereich von mehreren hundert Hertz, wobei die Auflösung derartiger Sensoren bei 1 Hz liegt (HKR 1998). Auftretende Störeinflüsse wie Temperaturschwankungen werden durch einen Referenzsensor kompensiert. Definition der Eigenfrequenz eines harmonischen Oszillators nach Haas (1988) :

32 20 Allgemeiner Teil Gleichung 2.5. : ν = 1 2π D m Mit ν = Eigenfrequenz, D = Federkonstante, m = Masse Surface Acoustic Waves-Sensoren (SAW-Sensoren) Im Gegensatz zu den Schwingquarzen wird hier nur die Oberfläche des Sensors durch eine kurzwellige Wechselspannung, die Rayleigh-Wellen produziert, in Schwingungen versetzt. Die Adsorption von Geruchsmolekülen ändert dann die Schwingungsfrequenz. Der Arbeitsbereich liegt bei Frequenzen von 250 MHz bis zu 1 GHz (Rogers 1996). SAW- Sensoren sind massensensitiv Metalloxidsensoren Metalloxidsensoren bestehen aus Keramiken, die mit Zinnoxid oder Zinkoxid beschichtet sind. Der Sensor befindet sich zwischen zwei Elektroden, zwischen denen Strom fließt. Die Betriebstemperatur von Metalloxidsensoren liegt typischerweise bei 350 C. Für derartige hohe Temperaturen ist beispielsweise TiO 2 als Sensormaterial geeignet (Kirner 1990). Dockt ein Geruchsmolekül an der Oberfläche an, kommt es zum Austausch von Elektronen zwischen dem Molekül und der Sensoroberfläche, wodurch sich deren Leitfähigkeit ändert. Metalloxidsensoren werden nach der Dicke des Metalloxidfilms eingeteilt. Die dünneren Filme sind sensitiver, jedoch schwieriger bei der Herstellung zu reproduzieren. Durch ihre hohe Arbeitstemperatur eignen sich diese Sensoren nur für die Analyse thermostabiler Stoffe, die erst bei Kontakt mit der Metalloberfläche durch den Elektronenaustausch eine Veränderung erfahren Leitfähige Polymer (Conducting Polymers) Als leitfähige Polymere werden Polypyrrole, Polythiophene oder Polyanillinderivate eingesetzt (Schuhmann 1995). Diese Polymerfilme befinden sich auf den Sensoroberflächen. Durch die Wechselwirkung eines Geruchsmoleküls mit dem Polymer ändert sich die Leitfähigkeit des Polymerfilms (Hatfield 1994). Das Rohsignal stellt die relative

33 Allgemeiner Teil 21 Widerstandsänderung dr/r dar, wie z.b. beim Aromascan A 32 S (Aromascan 1995) einem kommerziell erhältlichen Gerät. Per se sind die Polymere nicht leitfähig, sondern sie müssen entsprechend dotiert werden. Beim Dotieren mit starken Oxidations- oder Reduktionsmitteln resultieren in Redoxreaktionen elektrisch leitfähige Polymere mit delokalisierten ionischen Zentren mit den Gegenionen aus den Dotierungsmitteln. Geeignete Dotierungsmittel sind u.a. Brom, Iod, Silberperchlorat, Bortrifluorid und insbesondere Arsenpentafluorid als starkes Oxidationsmittel. Nachteilig an den elektrisch leitfähigen Polymeren ist, daß ihre Leitfähigkeit mit der Zeit durch Alterungsprozesse, bei denen durch Redoxreaktionen die delokalisierten π-elektronensysteme zerstört werden, abnimmt (Römp 1995). Ein Nachteil in der Anwendung von elektronischen Nasen mit leitfähigen Polymeren kann ihre starke Ansprechbarkeit auf kleine polare Moleküle wie Wasser oder Ethanol sein (Horner, Keil 1999). Dementsprechend ist die Einhaltung einer konstanten Luftfeuchtigkeit, um diesen Störeinfluß zu minimieren, unabdinglich während der Messung. Jedoch ist es bei Verwendung von leitfähigen Polymeren von Vorteil zu sehen, daß sich bei diesen Sensormaterialien durch einfachen Austausch der Substituenten an den Ringsystemen eine enorme Vielfalt an Sensoren erzeugen läßt (Rogers 1996). Somit können für ein Analysenproblem spezifische Sensoren erzeugt werden Kalorimetrische Sensoren Kalorimetrische Sensoren (Thermopiles) messen die Reaktionswärme, die bei Ad- und Absorption eines Analyten in der sensitiven Schicht entsteht (Weimar 1999). Als Materialen für die sensitive Schicht werden z.b. Cu/Cu/Ni-Thermoelemente, integriert auf Kaptonfolie, verwendet (Weimar, Göpel 1998) Kombination mehrerer Sensorsysteme Um eine höhere Selektivität zu erzielen, werden z.b. in dem Gerät MOSES 2 Schwingquarze, Metalloxide und kalorimetrische Sensoren miteinander kombiniert (Lennartz 1998).