Trong bối cảnh nghiên cứu và phát triển dược phẩm đang thay đổi, mục tiêu hiểu được các đặc tính ở cấp độ vi mô và nano của liệu pháp là rất quan trọng. Trọng tâm của mục tiêu này là triển khai các công nghệ hình ảnh tiên tiến như kính hiển vi điện tử quét (SEM) – một kỹ thuật nền tảng được triển khai trên nhiều ngành khoa học và kỹ thuật để phân tích hình thái và địa hình của vật liệu. Phương pháp này hoạt động bằng cách quét chùm tia điện tử hội tụ trên bề mặt của mẫu trong chân không, tạo ra một số tín hiệu điện tử được phát hiện và xử lý để tạo thành hình ảnh phóng đại. Ngoài việc chụp ảnh, tia X phát ra trong quá trình quét raster cho phép nghiên cứu thành phần nguyên tố bằng SEM; quá trình này được gọi là quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS). Khi kết hợp, hai kỹ thuật này cung cấp một lượng lớn thông tin chi tiết toàn diện về một mẫu.
Phân tích SEM cho phép các nhà khoa học tối ưu hóa các công thức thuốc bằng cách cung cấp đặc tính hạt mạnh mẽ kết hợp các phép đo kích thước với thành phần nguyên tố của từng hạt. Thông tin này rất cần thiết để hiểu được sự phân bố của thành phần dược phẩm hoạt tính (API) và xác định các tạp chất vi lượng có thể gây ra rủi ro về chất lượng và an toàn. Khả năng chụp ảnh đa năng của nó cũng có thể được tận dụng để quan sát các thành phần dược phẩm theo thời gian nhằm làm sáng tỏ các cơ chế nano của hệ thống phân phối thuốc giải phóng có kiểm soát và đánh giá độ ổn định. Hơn nữa, kỹ thuật này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị phân phối thuốc bằng cách đóng vai trò là công cụ kiểm soát chất lượng và phân tích lỗi.
Đặc điểm hình thái hạt
Việc mô tả kích thước, hình dạng và hình thái bề mặt của bột dược phẩm là rất quan trọng để tối ưu hóa và duy trì hiệu quả lâm sàng của nhiều loại sản phẩm thuốc. Các hạt nhỏ hơn – do diện tích bề mặt riêng cao – có liên quan đến tốc độ hòa tan nhanh hơn. Phân bố kích thước trong một lô nguyên liệu thuốc là một chỉ số chất lượng quan trọng của quy trình sản xuất. Một lô có phân bố kích thước hạt đồng đều thường là tiêu chuẩn vàng, vì nó đảm bảo giải phóng thuốc đồng đều và liều lượng đồng đều trong các sản phẩm. Tuy nhiên, các biến thể có thể dẫn đến sự khác biệt về mặt lâm sàng về cách thuốc được hấp thụ và chuyển hóa trong cơ thể. Mặt khác, việc hiểu cách hình thái hạt tác động đến các tính chất dòng chảy và đóng gói là điều cần thiết để tối ưu hóa các công thức thuốc. Ví dụ, các tinh thể hình kim có thể có tính chất dòng chảy kém hơn so với các hạt hình cầu hơn. Do đó, việc phân tích hình dạng hạt giúp lựa chọn công thức và quy trình sản xuất phù hợp nhất.
Các giải pháp SEM như hệ thống phân tích hạt tự động Phenom ParticleX – cho phép phát hiện nhanh các biến thể kích thước hạt thông qua hình ảnh độ phân giải cao tự động. ParticleX cũng là một công cụ toàn diện về mặt thống kê, thu thập dữ liệu hình học và nguyên tố trên hàng trăm hoặc hàng nghìn hạt riêng lẻ và biên soạn kết quả trong các báo cáo, biểu đồ và bảng có thể truy cập được để sử dụng cuối cùng. Hình 1 thể hiện khái niệm này bằng một phần trong Phenom UI – hình ảnh hạt, thuộc tính và biểu đồ do người dùng chọn đều được hiển thị.
Phân phối API trong công thức thuốc
API ở dạng tinh khiết thường thiếu khả dụng sinh học và dược động học phù hợp, đòi hỏi phải sử dụng thêm các thành phần trơ. Do đó, việc kết hợp hiệu quả API vào các công thức như viên nén, viên nang, nhũ tương, gel và miếng dán với tá dược là cần thiết để tăng khả dụng sinh học. Sự lựa chọn và tỷ lệ tá dược cụ thể phụ thuộc vào các yếu tố như độ hòa tan của API, dạng bào chế, cơ chế phóng thích dược chất và phương pháp dùng thuốc.
Các nhà sản xuất thuốc dựa vào hình ảnh độ phân giải cao và quang phổ để phân tích các công thức ở cấp độ vi mô và nano. SEM với EDS tích hợp cung cấp hình ảnh bề mặt chi tiết và lập bản đồ thành phần của các hạt, chất trung gian và sản phẩm thuốc cuối cùng. Ví dụ trong Hình 2 cho thấy sự cân bằng về độ bám dính của API dạng bột khô. So sánh hình ảnh SEM với bản đồ EDS cho thấy API giàu nitơ không tập trung vào các diện tích bề mặt nhẵn và lồi nhiều như ở các diện tích lõm của tá dược. Do đó, việc hiểu rõ hơn về hình thái bề mặt của các hạt tá dược có giá trị vô cùng to lớn để đánh giá mức độ liên kết API thông qua các cơ chế tương tác.
Hình 2 (phải) Ảnh SEM và bản đồ EDS của bột dược phẩm cho thấy API, chủ yếu bao gồm nitơ, tập trung ở các vùng lõm của các hạt tá dược gốc carbon, hydro và oxy. Dữ liệu được thu thập bằng Phenom Desktop SEM có tích hợp các tính năng EDS
Xác định các tạp chất vi lượng
Đảm bảo độ tinh khiết của các công thức thuốc là rất quan trọng đối với cả sự an toàn và hiệu quả của bệnh nhân. Một lượng nhỏ tạp chất vô cơ có thể được đưa vào từ nguyên liệu thô, tương tác đóng gói và các quy trình như nghiền và pha trộn dưới dạng kim loại hoặc hợp chất hữu cơ. Ngay cả ở nồng độ thấp, chất gây ô nhiễm vẫn có thể làm thay đổi đáng kể độ ổn định của thuốc và kết quả lâm sàng. Do đó, các kỹ thuật phân tích nhạy như SEM & EDS rất cần thiết để cung cấp bản đồ chi tiết về thành phần nguyên tố ở cấp độ vi mô và nano. Thông tin này rất có giá trị để xác định nguồn tạp chất vi lượng trong các hợp chất dược phẩm có thể được đưa vào trong quá trình sản xuất.
Công thức phóng thích thuốc có kiểm soát
Hệ thống phân phối phóng thích có kiểm soát được thiết kế để giải phóng các thành phần dược phẩm được đóng gói trong thời gian dài hơn bằng cách khuếch tán dần ra khỏi nền vật liệu. Danh mục phóng thích thuốc được kiểm soát bởi cấu trúc và tính chất của chất nền. Chất nền polyme thường được sử dụng, trong đó thuốc hoạt động khuếch tán qua các mao quản và kênh trong chất nền polyme. Để trực quan hóa các chất nền này, SEM đặc biệt phù hợp để chụp ảnh trực tiếp các cấu trúc mao quản ở độ phân giải cao. Ví dụ, SEM có thể được áp dụng cho các chất nền polyme cắt ngang tại các điểm thời gian gia tăng trong quá trình thử nghiệm phóng thích. Sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh PoroMetric của Phenom, có thể đo phân bố kích thước các mao quản để cho phép xác định dễ dàng các thay đổi theo thời gian. Thông tin thu được từ trực quan hóa trực tiếp có thể được tận dụng để tối ưu hóa kích thước mao quản hoặc đánh giá tính đồng nhất tổng thể của các cấu trúc vi mô này. Hơn nữa, do độ phân giải cao, quá trình tiến hóa về mặt hình thái có thể cho thấy chính xác cách cấu trúc các mao quản biến đổi trong quá trình phóng thích dược chất API. Hình 3 cho thấy sự so sánh giữa vi cầu xốp và vi cầu nhẵn, mỗi vi cầu bị ảnh hưởng bởi các bề mặt tương ứng của chúng khi liên quan đến phóng thích thuốc.
Hình 3. Một ví dụ về hình ảnh bề mặt vi cầu và vi mao quản được thực hiện bằng Phenom XL Desktop SEM. Độ xốp của vi cầu đầu tiên có thể cho phép giải phóng thuốc không mong muốn, trong khi vi cầu thứ hai có bề mặt mịn hơn. Tính năng hình ảnh chân không thấp của Phenoms được sử dụng để thu thập những hình ảnh này nhằm tránh lớp phủ phun, có thể che khuất các mao quản
Kiểm tra độ ổn định
Các công thức thuốc cần đủ ổn định để chịu được các biến động về nhiệt độ và độ ẩm gặp phải trong quá trình sản xuất, vận chuyển và lưu trữ. Tuy nhiên, cả sự phân hủy vật lý và hóa học của các thành phần được tối ưu hóa ban đầu đều có thể là những trở ngại khó khăn. Các tác dụng không mong muốn như kết tụ, nứt và kết tủa xảy ra do tương tác giữa các thành phần hoạt động và không hoạt động cũng như tiếp xúc với môi trường. SEM được sử dụng để đánh giá hình thái công thức và các thay đổi thành phần theo thời gian để thiết lập sự hiểu biết sâu sắc hơn về độ ổn định tổng thể. Với khả năng trực quan hóa có độ phân giải cao, các thay đổi lý hóa ở quy mô nano có thể dễ dàng được xác định và đánh giá bằng SEM/EDS.
Thiết bị cung cấp thuốc
Thiết bị cung cấp thuốc là một công cụ chuyên dụng được thiết kế để cung cấp các chất điều trị, chẳng hạn như thuốc hoặc thuốc, cho bệnh nhân. Các thiết bị này rất quan trọng trong việc đảm bảo thuốc được cung cấp theo cách có kiểm soát và hiệu quả, thường nhắm vào các vùng cụ thể của cơ thể hoặc cung cấp phóng thích thuốc kéo dài theo thời gian.
Microneedles là một ví dụ về phương pháp cung cấp thuốc qua da mới nổi được thiết kế để xuyên qua lớp màng bảo vệ của da và cung cấp thuốc đến các vùng cụ thể dưới da. Chúng là các cấu trúc được sản xuất bao gồm các kim siêu nhỏ được sắp xếp trên một miếng dán được dán lên da. Khi được dán, các microneedles tạo ra các đường dẫn tạm thời nhỏ vào lớp biểu bì và lớp hạ bì trên cùng để các tác nhân điều trị đi theo và cuối cùng bắt đầu tuần hoàn toàn thân. Do phạm vi kích thước của công nghệ này, SEM có giá trị trong việc đảm bảo chất lượng của các microneedles chế tạo như các loại rắn, hòa tan, hydrogel, tráng phủ và rỗng. Với hình ảnh phóng đại cao cho thấy rõ tính toàn vẹn của kim, tính đồng nhất về hình dạng, lớp phủ, v.v., hình ảnh SEM giúp các nhà nghiên cứu dược phẩm đưa các nền tảng cung cấp mới vào các ứng dụng lâm sàng.
Những điểm chính
Trong ngành dược phẩm, sự kết hợp giữa SEM và EDS vô cùng có giá trị vì tính tiện ích và tính linh hoạt của nó. Hai kỹ thuật này cung cấp những hiểu biết quan trọng về đặc tính hạt, tác động đến hiệu quả của thuốc và khả dụng sinh học tổng thể. Khả năng phát hiện tạp chất vi lượng của SEM/EDS rất quan trọng để đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm, từ đó tiết kiệm đáng kể chi phí nếu lô thuốc bị ô nhiễm và đảm bảo an toàn cho những người nhận được sản phẩm cuối cùng. Ngoài ra, trong công thức phóng thích thuốc có kiểm soát và thử nghiệm độ ổn định, phân tích chính xác của SEM/EDS là cốt lõi để tối ưu hóa thời hạn sử dụng và cơ chế phóng thích khi sử dụng. Cuối cùng, mặc dù đây không phải là danh sách đầy đủ tất cả các ứng dụng, nhưng SEM và EDS được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn về mặt cấu trúc và chức năng của các thiết bị phân phối thuốc, chứng minh rằng chúng không chỉ là phương pháp mà các nhà nghiên cứu dược phẩm tiến hành khoa học của họ mà còn là yếu tố thiết yếu trong việc duy trì chất lượng của ngành trong các giải pháp chăm sóc sức khỏe.
Nguồn: https://www.nanoscience.com/blogs/6-applications-of-sem-eds-in-pharmaceutical-sciences/
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các sản phẩm Kính hiển vi điện tử quét (SEM) hãng Thermo Fisher.
EN