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Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
1
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Tecnología Farmacéutica
Estabilidad de Medicamentos
Caracteristicas esenciales de calidad:
− Contenido en sustancia activa
− Forma farmacéutica y caracteres
organolépticos
− Flora microbiana
− Toxicidad
− Biodisponibilidad
Estables, seguros, eficaces
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
2
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Tecnología Farmacéutica
Contenido en sustancia activa
Periodo de validez:
− reducción del 10% en sustancia activa
− Toxicidad no aumenta debido a productos de
degradación
Fecha de caducidad: mes y año
Periodo de validez máximo 5 años (RD
736/1987 de 17 de marzo)
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
3
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Tecnología Farmacéutica
Estudios de estabilidad
Sobre la sustancia activa
Fase de preformulación:
− Sólido y disolución
− Compatibilidad con excipientes
− Estabilidad frente a operaciones básicas
Especialidad terminada
− Ensayos a largo plazo
− Ensayos de envejecimiento acelerado.
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4
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Alteraciones de los medicamentos
Inestabilidad Física
Inestabilidad Química
Inestabilidad Microbiológica
2
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5
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Inestabilidad Física: alteración de las
caracteristicas galénicas
Consecuencias:
− Aspecto
− Regularidad de la dosificación
− Biodisponibilidad (caducidad biofarmacéutica)
Vias degradación física:
− Polimorfismo
− Crecimiento cristalino
− Sedimentación
− Floculación
− Coalescencia
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6
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Inestabilidad química
Cinética química
Orden y molecularidad de la reacción
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7
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a typical chemical reaction
D and W, "colliding" to form one or more product molecules,
the rate of reaction: proportional to the number of collisions a
the number of collisions is proportional to the product of the concentrations of the
two species:
− Reaction rate ∝ [D]*[W]
Reaction rate corresponds to the rate of loss of D and is denoted (d[D]/dt)
Stability Calculations
D W P
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8
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− Reaction rate ∝ [D]*[W]
− we let k2 be the rate constant
Stability Calculations
D W P
d[D]
[D][W]
dt
− α
2
d[D]
k [D][W]
dt
− =
3
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9
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Order of reaction: sum of the exponents of
the concentration terms in the rate equation
Stability Calculations
2
d[D]
k [D][W]
dt
− =
Second order reaction
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10
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Order of reaction:
− If the water concentration W is held constant (by having a
large excess, as in most solutions) then :
where k1= k2 [W]
and the reaction is apparent first order or pseudo first order
Stability Calculations
2
d[D]
k [D][W]
dt
− =
1
d[D]
k [D]
dt
− −
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11
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Order of reaction:
− If, now, in addition, we also fix the drug
concentration (e.g., by making a suspension), the
equation becomes:
where k0 = k1[D] = k2[D][W]
and the reaction is apparent zero order
Stability Calculations
0
d[D]
k
dt
− =
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12
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Cn-1*t-1-dC/dt=k*Cnn
C-1*t-1-dC/dt=k*C2
-dC/dt=k*C*B
2
t-1-dC/dt=-k*C1
C*t-1-dC/dt=k0
Unidades kEcuación
velocidad
Orden
4
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13
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-dC/dt=k*C22
-dC/dt=-k*C1
-dC/dt=k0
Ecuación
integrada
Ecuación
velocidad
Orden
0C C k t= − ⋅
0
k t
C C e− ⋅
= ⋅
0
1 1
k t
C C
= + ⋅
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14
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First-Order Calculations
D P 1k t
0[D] [D] e−
=
First order
1.0
10.0
100.0
1000.0
0 100 200 300 400 500
Time (min)
LnConcentration
First order
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
0 100 200 300 400 500
Time (min)
Concentration
T1/2
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15
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The half-life, t½:
is the time for [D] to become [D]/2,
First-Order Calculations
1
2
1
2
0
0 1
1
[D]
ln ln[D] k t
2
ln2
t
k
= −
= 1
2
1
0.693
t
k
=
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
16
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The shelf-life, t90:
usually taken to be the time for [D] to reach 0.90[D], that is,
10% decomposition,
First-Order Calculations
90
1
0.105
t
k
=
5
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17
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Example:
aspirin (acetylsalicylic acid)
at pH 2.5 the (pseudo-first-order) rate constant is 5
x 10-7s-1 at 25ºC.
half-life
shelf life
First-Order Calculations
1
2
6
-7
0.693
t 1.39 x 10 s
5 x 10
= =
5
90 -7
0.105
t 2.1 x 10 s
5 x 10
= =
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
18
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rate equation with no concentration dependence.
Integrating from t = 0 to t = t with [D] = [D]0 at t = 0,
[D] = [D]0 - k0*t
Zero-Order Calculations
0
d[D]
k
dt
− =
0
[D] t
0
[D] 0
d[D] k dt= −∫ ∫
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[D] = [D]0 - k0*t
Half life
Shelf-life
Zero-Order Calculations
1
2
0
0
0.5[D]
t
k
=
0
90
0
0.1[D]
t
k
=
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
20
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Zero-Order Calculations
D] = [D]0 - k0*t Zero order
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 20 40 60 80
Time mins
Concentration
1
2
0
0
0.5[D]
t
k
=
6
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
21
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Zero-Order Calculations
Example: aspirin (acetylsalicylic acid)
at pH 2.5 the (pseudo-first-order) rate constant is
5 x 10-7s-1 at 25ºC.
Aspirin solubility 0.33 g/100 mL.
for an aspirin suspension: zero-order rate
k0 = 5 x 10-7s-1 x 0.33 g/100 mL =
k0 = 1.65 x 10-7 g/(100mL * s)
Dose of aspirin: 650 mg/teaspoon(5 mL) = 13 g/100 mL.
shelf life
6
90 -7
(0.1)(13)
t 7.9 x 10 s=91 days
1.65 x 10
= =
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
22
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TEMPERATURE EFFECTS
Activation Energy Calculations
Reaction rates are proportional to the number of collisions per unit time.
the number of collisions increases as the temperature increases.
The reaction rate constant is observed to have an exponential dependence on
temperature described by the Arrhenius equation
k = A exp(-Ea/RT)
− k :reaction rate constant
− A :constant
− Ea: activation energy of the chemical reaction
− T : the absolute temperature (t ºC + 273.16ºC).
log k = log A - Ea/2.303RT
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23
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TEMPERATURE EFFECTS
Extent of reaction
EnergyKcal/mol
0
10
20
30
40
50
60
Eact= 12 Kcal/mol
A+B
reactants
B+C
products
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24
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0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
3 3.2 3.4 3.6 3.8
(1/T(Kº))*1000
LogK
TEMPERATURE EFFECTS
Slope= 3.51*103
Ea= 3.51*103*(2.303)*(1.987)=16.1 Kcal/mol
Typical Arrhenius plot of log k against 1/T,
7
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25
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Compound Reaction Ea (kcal/mol)
Ascorbic Acid Oxidation 23
Aspirin Hydrolysis 14
Atropine Hydrolysis 14
Benzocaine Hydrolysis 19
Chloramphenicol Hydrolysis 20
Epinephrine Oxidation 23
Procaine Hydrolysis 14
Thiamine Hydrolysis 20
TEMPERATURE EFFECTS
Activation Energies for Some Drug Decomposition Reactions
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26
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Example:
Sulfacetamide.
first-order rate constant in the pH-independent region (5-11)
K= 9 x 10-6 s-1 at 120ºC.
Ea= 22.9 kcal/mol at pH 7.4.
Calculate the shelf life at 25ºC.
TEMPERATURE EFFECTS
25
120
k 22900 1 1
log
k (2.3)(1.987) 298 393
− ⎛ ⎞
= −⎜ ⎟
⎝ ⎠
2 a
1 2 1
k E 1 1
log
k 2.303R T T
⎛ ⎞−
= −⎜ ⎟
⎝ ⎠
-525
120
k
8.7 x 10
k
= k25 = (8.7 x 10-5) (9 x 10-6 s-1)
= 7.85 x 10-10 s-1
8
90 -10 -1
0.105
t 1.34 x 10 s
7.85 x 10 s
= = 4.25 years
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27
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Example
The following rate constants were determined for 5-fluorouracil
decomposition at pH 9.90.
(a) Determine the activation energy at this pH;
(b) Extrapolate the graph to room temperature (25ºC) and
determine the rate constant and shelf life at this temperature.
TEMPERATURE EFFECTS
t (ºC) 106
k (s-1
)
80 0.96
70 0.32
60 0.118
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Answer: (a) from the Arrhenius plot of the data we obtain
The slope
B= -12.31=Ea/R
Ea = 24.5 kcal/mol
TEMPERATURE EFFECTS
0.01
0.1
1
10
2.800 2.850 2.900 2.950 3.000 3.050
1/T (Kº)
Logk
8
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
29
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Tecnología Farmacéutica
0.01
0.1
1
10
2.800 2.850 2.900 2.950 3.000 3.050
1/T (Kº)
Logk
(b) From extrapolation of the graph to 25ºC (1/T = 0.00335),
we obtain log k25ºC = -8.86. k25ºC = 1.38 x 10-9 s-1
t90 = 7.6 x 107 s = 2.4 years
Note that Ea is always positive.
TEMPERATURE EFFECTS
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
30
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Q10-Value Calculations:
Consider the ratio of rate constants kT2/kTl at two temperatures
T1 and T2. Consider T1=T2+10º
The quantity Q10 is defined as
The Q10 factor can be calculated from the next equation:
(T 10)
10
T
k
Q
k
+
=
(T 10) a
10
T
k E 1 1
Q exp
k R T 10 T
+ ⎡ ⎤⎛ ⎞
= = − −⎜ ⎟⎢ ⎥+⎝ ⎠⎣ ⎦
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31
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Q10-Value Calculations:
The activation energies for drug decompositions usually fall in the
range 12 to 24 kcal/mol.
Next table gives values of Ea corresponding to three rounded
values of Q10.
These values of Q10 = 2, 3, or 4 to represent low, average, and
high estimates of Q10 when Ea is unknown
Q10 (30 to 20ºC) Ea (kcal/mol)
2.0 12.2
3.0 19.4
4.0 24.5
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32
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Tecnología Farmacéutica
Q10-Value Calculations:
For an arbitrary change in temperature, ΔT = T2 - T1,
(T T) ( T /10)
T 10
T
k
Q Q
k
+Δ Δ
Δ = =
9
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33
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Tecnología Farmacéutica
Q10-Value Calculations:
For an arbitrary change in temperature, ΔT = T2 - T1,
Multiplying the exponential term by
gives
a
T
E T
Q exp
R (T T)(T)
Δ
⎡ ⎤⎛ ⎞Δ
= ⎢ ⎥⎜ ⎟+ Δ⎝ ⎠⎣ ⎦
10 T 10
10 T 10
+
+
i
a
T
E T 10 (T 10)
Q exp
R (R T)(T) 10 (T 10)
Δ
⎡ ⎤Δ +
= ⎢ ⎥+ Δ +⎣ ⎦
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
34
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Q10-Value Calculations:
a
T
[ T /10][(T 10)/(T T)]
a
E 10 T (T 10)
Q exp
R (T 10)(T) 10 (T T)
E 10
exp
R (T 10)(T)1
Δ
Δ + +Δ
⎡ ⎤Δ +
= ⎢ ⎥+ + Δ⎣ ⎦
⎡ ⎤
= ⎢ ⎥+⎣ ⎦
[ T /10][(T 10) /(T T)]
T 10Q Q Δ + +Δ
Δ =
This equation is exact. However, since T ≈ 300K, (T + 10)/(T + ∆T) ≈ 1,
(T T) T/10
T 10
T
k
Q Q
k
+Δ Δ
Δ =
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
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Q10-Value Calculations:
Example Calculate the factors by which rate constants may
change for:
(a) a 25 to 50ºC temperature change
(b) a 25 to 0ºC temperature change.
Answer:
(a) ΔT = +25,
= 5.7, 15.6, 32 for Q10 = 2, 3, 4, respectively
Thus the rate increases between 6-fold and 32-fold, with a
probable average increase of about 16-fold.
(25 25) (25/10)
25 10
25
k
Q Q
k
+
+ = =
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
36
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Q10-Value Calculations:
(b) a 25 to 0ºC temperature change.
Answer:
ΔT = -25,
= 1/5.7, 1/15.6, 1/32 for Q10 = 2, 3, 4, respectively
Thus the rate decreases to between 1/6 and 1/32 of the initial
rate.
(0 25) ( 25/10)
25 10
0
k
Q Q
k
− −
− = =
10
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
37
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Q10-Value Calculations:
• Q = 4 provides the largest estimate for the increase in rate
with increasing temperature,
• Q = 2 provides the smallest reasonable estimate for the
decrease with decreasing temperature.
Example: Using Q10 = 2, 3, 4, calculate the half-life change from
70ºC to 25ºC for methyl paraben at pH 4.
We have ΔT = 25 - 70 = -45,
Q-45= 1/23, (Q10=2)
Q-45= 1/140, (Q10=3)
Q-45= 1/512, (Q10=4)
Since k70ºC = 1.6 x 10-6 s-1 (from the monograph) then
t½ (70ºC) = 4.3 x 107 s = 501 days
t½ (25ºC) = 31 yr (Q =2)
= 199 yr (Q = 3)
= 709 yr (Q = 4)
.
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
38
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SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
The expiration date is given for room temperature. What is
the expected extension of the shelf life in a
refrigerator?
The expiration date is given for refrigeration conditions.
How long may the product be left at room temperature?
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
39
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SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
The expiration date is for room-temperature conditions, and it
is desired to heat the product in sterilization. What percent
decomposition can be expected at the higher temperature?
Problems of this type require estimates of the effect of
temperature on the shelf life. Assuming we do not have
exact Ea values available, we use the Q10 values of 2, 3,
and 4 to make such estimates.
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
40
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SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
The expiration date is for room-temperature conditions, and it
is desired to heat the product in sterilization. What percent
decomposition can be expected at the higher temperature?
0
90
0
0.1[D ]
t
k
=
90
1
0.105
t
k
=
Zero order
First order
1
90
(T T)
a
t (T)
k +Δ
=
11
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
41
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or, since t90(T1) = a/kT1:
SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
90 2 ( T /10)
T1 10
a
t (T )
k Q Δ
=
i
90 1
90 2 ( T /10)
10
t (T )
t (T )
Q Δ
=
the estimate of t90(T2) is independent of the order.
a positive ΔT (T2 > T1) reduces the shelf life,
a negative ΔT(T2 < T1) increases it.
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
42
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SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
Example A.
The expiration period for a reconstituted product is 18 h at room
temperature.
Estimate the expiration period when the product is stored in the refrigerator.
ΔT = -20ºC,
t90 (5ºC) = 18 * 22 = 72 h (Q = 2)
= 18 *32 = 162 h (Q = 3)
= 18 * 42 = 288 h (Q = 4)
conservative estimate would be 72 h and a likely estimate 162 h.
90 1
90 2 ( T /10)
10
t (T )
t (T )
Q Δ
= 90 ( 20/10)
10
18
t (5º)
Q −
=
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
43
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SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
Example B.
A newly reconstituted product is labeled to be stable for 24 h in a
refrigerator. What is the estimated shelf life at room temperature?
t90 (5ºC) = 24 h
t90 (25ºC) = 24/4 = 6 h (Q = 2)
= 24/9 = 2.7 h (Q = 3)
= 24/16 = 1.5 h (Q = 4)
Thus a likely value is about 3 h, with a conservative estimate of
1.5 h and a possible value of 6 h.
90 1
90 2 ( T /10)
10
t (T )
t (T )
Q Δ
= 90 (20/10)
10
24
t (25º)
Q
=
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
44
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SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
If the product has been stored for a known length of time
at another temperature:
1. compute the time interval at the specified
temperature that would give the equivalent
decomposition to that which occurred at the actual
storage temperature and
2. subtract this value from or add it to the label date for
a new expiration date.
12
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
45
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SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
Example
The expiration date for a product is one year from the current date when
stored in a refrigerator. The product has been stored-for one month at
room temperature. If the product is now returned to the refrigerator,
what is the new expiration date?
Answer
One month at room temperature would be equivalent to
1 *22 = 4 months (Q = 2)
1 *32 = 9 months (Q = 3)
1 *42 = 16 months (Q = 4)
that is, 4, 9, or 16 months at 5ºC.
The most likely estimate is 9 months, hence if the product is returned to the
refrigerator, only 3 months would be left.
( T /10)90 1
90 2 90 2 10( T/10)
10
t (T )
t (T ) t (T ) Q
Q
Δ
Δ
= → ⋅
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
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Tecnología Farmacéutica
SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS
Example.
The ampicillin monograph in the Physicians' Desk Reference (1) states
that the reconstituted suspension is stable for 14 days in a
refrigerator. If the product is left at room temperature for 12 h, what
is the reduction in the expiration period?
0.5 * 22 = 2 days (Q = 2)
0.5 * 32 = 4.5 days (Q = 3)
0.5 * 42 = 8 days (Q = 4)
The expected reduction is thus 4.5 days.
( T /10)90 1
90 2 90 2 10( T/10)
10
t (T )
t (T ) t (T ) Q
Q
Δ
Δ
= → ⋅
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
47
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Influencia del pH
Example:pH-Rate profile for the dehydration of streptovitacin A at 70°C
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48
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pH-Rate profile for hydrolysis of citric acid anhydride at 25°C
Example1
Influencia del pH
13
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
49
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D. pH EFFECTS (2). Sigmoid Curves
pH-Rate profile for aspirin hydrolysis at 25°C
Example2: Hydrolysis of aspirin.
where k3 > kl and k" > k'.
The rate equation is
rate = k1[RCOOH][H+] +
k'[RCOOH] + k"[RCOO-] +
k3[RCOO-][OH-]
The pKa of aspirin is 3.6, so the
plateau region of the curve (pH 4
to 8) is accounted for primarily by
the k" term, that is, hydrolysis of
the anion. This reaction is
responsible for the instability of
aspirin in solution dosage forms
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
50
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Depto. Farmacia y
Tecnología Farmacéutica
D. pH EFFECTS (3). Bell-Shaped Curves
Some pH-rate profiles show
maxima, often with a "bell
shaped" peak.
Hydrolysis of penicillin G catalyzed
by 3,6-bis (dimethylaminomethyl)-
catechol.
Catalysis is produced by the monoanion of the catechol derivative,
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
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Tecnología Farmacéutica
Vías de degraddación química
Hidrólisis
Oxidación
Racemización
Descarboxilación
Polimerización
Descomposición enzimática
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Tecnología Farmacéutica
Inhibición de la oxidación
Proteger de la luz
Evitar presencia oxígeno
Uso agentes antioxidantes
14
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53
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Tecnología Farmacéutica
Antioxidantes sistemas hidrófilos
Combinaciones inorgánicas de azufre:
sulfitos (olor y sabor desagradables)
Combinaciones orgánicas de azufre: (olor
y sabor desagradables)
Ácido ascórbico: tópicas, parenterales,
orales
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
54
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Tecnología Farmacéutica
Antioxidantes sistemas lipófilos
Naturales: Tocoferoles
Sintéticos y semisintéticos:
− Ácido gálico y ésteres del ácido gálico
− Ésteres ácido ascórbico
− Butilhidroxianisol(BHA)
− Butilhidroxitolueno(BHT)
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
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Tecnología Farmacéutica
Sinérgicos
Reforzadores de acción: ácido fosfórico,
citríco, tartárico
Inactivadores de catalizadores: EDTA
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
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Tecnología Farmacéutica
Sobredosificación
Antibióticos, vitaminas
Exceso de contenido activo que es
necesario tener en cuenta para garantizar
la estabilidad, es decir, la compensación
de la pérdida de principio activo prevista
durante el periodo de conservación.
15
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
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Tecnología Farmacéutica
Inestabilidad biológica
Conservadores: requisitos
Tolerancia fisiológica
Compatibilidad
Estabilidad química
Olor y sabor
Espectro activo
Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad
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Clasificación conservantes
Fenoles
Alcoholes alifáticos y aromáticos
Compuestos orgánicos de mercurio
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  • 1. 1 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 1 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Estabilidad de Medicamentos Caracteristicas esenciales de calidad: − Contenido en sustancia activa − Forma farmacéutica y caracteres organolépticos − Flora microbiana − Toxicidad − Biodisponibilidad Estables, seguros, eficaces Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 2 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Contenido en sustancia activa Periodo de validez: − reducción del 10% en sustancia activa − Toxicidad no aumenta debido a productos de degradación Fecha de caducidad: mes y año Periodo de validez máximo 5 años (RD 736/1987 de 17 de marzo) Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 3 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Estudios de estabilidad Sobre la sustancia activa Fase de preformulación: − Sólido y disolución − Compatibilidad con excipientes − Estabilidad frente a operaciones básicas Especialidad terminada − Ensayos a largo plazo − Ensayos de envejecimiento acelerado. Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 4 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Alteraciones de los medicamentos Inestabilidad Física Inestabilidad Química Inestabilidad Microbiológica
  • 2. 2 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 5 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Inestabilidad Física: alteración de las caracteristicas galénicas Consecuencias: − Aspecto − Regularidad de la dosificación − Biodisponibilidad (caducidad biofarmacéutica) Vias degradación física: − Polimorfismo − Crecimiento cristalino − Sedimentación − Floculación − Coalescencia Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 6 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Inestabilidad química Cinética química Orden y molecularidad de la reacción Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 7 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica a typical chemical reaction D and W, "colliding" to form one or more product molecules, the rate of reaction: proportional to the number of collisions a the number of collisions is proportional to the product of the concentrations of the two species: − Reaction rate ∝ [D]*[W] Reaction rate corresponds to the rate of loss of D and is denoted (d[D]/dt) Stability Calculations D W P Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 8 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica − Reaction rate ∝ [D]*[W] − we let k2 be the rate constant Stability Calculations D W P d[D] [D][W] dt − α 2 d[D] k [D][W] dt − =
  • 3. 3 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 9 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Order of reaction: sum of the exponents of the concentration terms in the rate equation Stability Calculations 2 d[D] k [D][W] dt − = Second order reaction Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 10 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Order of reaction: − If the water concentration W is held constant (by having a large excess, as in most solutions) then : where k1= k2 [W] and the reaction is apparent first order or pseudo first order Stability Calculations 2 d[D] k [D][W] dt − = 1 d[D] k [D] dt − − Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 11 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Order of reaction: − If, now, in addition, we also fix the drug concentration (e.g., by making a suspension), the equation becomes: where k0 = k1[D] = k2[D][W] and the reaction is apparent zero order Stability Calculations 0 d[D] k dt − = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 12 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Cn-1*t-1-dC/dt=k*Cnn C-1*t-1-dC/dt=k*C2 -dC/dt=k*C*B 2 t-1-dC/dt=-k*C1 C*t-1-dC/dt=k0 Unidades kEcuación velocidad Orden
  • 4. 4 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 13 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica -dC/dt=k*C22 -dC/dt=-k*C1 -dC/dt=k0 Ecuación integrada Ecuación velocidad Orden 0C C k t= − ⋅ 0 k t C C e− ⋅ = ⋅ 0 1 1 k t C C = + ⋅ Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 14 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica First-Order Calculations D P 1k t 0[D] [D] e− = First order 1.0 10.0 100.0 1000.0 0 100 200 300 400 500 Time (min) LnConcentration First order 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 0 100 200 300 400 500 Time (min) Concentration T1/2 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 15 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica The half-life, t½: is the time for [D] to become [D]/2, First-Order Calculations 1 2 1 2 0 0 1 1 [D] ln ln[D] k t 2 ln2 t k = − = 1 2 1 0.693 t k = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 16 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica The shelf-life, t90: usually taken to be the time for [D] to reach 0.90[D], that is, 10% decomposition, First-Order Calculations 90 1 0.105 t k =
  • 5. 5 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 17 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Example: aspirin (acetylsalicylic acid) at pH 2.5 the (pseudo-first-order) rate constant is 5 x 10-7s-1 at 25ºC. half-life shelf life First-Order Calculations 1 2 6 -7 0.693 t 1.39 x 10 s 5 x 10 = = 5 90 -7 0.105 t 2.1 x 10 s 5 x 10 = = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 18 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica rate equation with no concentration dependence. Integrating from t = 0 to t = t with [D] = [D]0 at t = 0, [D] = [D]0 - k0*t Zero-Order Calculations 0 d[D] k dt − = 0 [D] t 0 [D] 0 d[D] k dt= −∫ ∫ Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 19 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica [D] = [D]0 - k0*t Half life Shelf-life Zero-Order Calculations 1 2 0 0 0.5[D] t k = 0 90 0 0.1[D] t k = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 20 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Zero-Order Calculations D] = [D]0 - k0*t Zero order 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 Time mins Concentration 1 2 0 0 0.5[D] t k =
  • 6. 6 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 21 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Zero-Order Calculations Example: aspirin (acetylsalicylic acid) at pH 2.5 the (pseudo-first-order) rate constant is 5 x 10-7s-1 at 25ºC. Aspirin solubility 0.33 g/100 mL. for an aspirin suspension: zero-order rate k0 = 5 x 10-7s-1 x 0.33 g/100 mL = k0 = 1.65 x 10-7 g/(100mL * s) Dose of aspirin: 650 mg/teaspoon(5 mL) = 13 g/100 mL. shelf life 6 90 -7 (0.1)(13) t 7.9 x 10 s=91 days 1.65 x 10 = = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 22 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica TEMPERATURE EFFECTS Activation Energy Calculations Reaction rates are proportional to the number of collisions per unit time. the number of collisions increases as the temperature increases. The reaction rate constant is observed to have an exponential dependence on temperature described by the Arrhenius equation k = A exp(-Ea/RT) − k :reaction rate constant − A :constant − Ea: activation energy of the chemical reaction − T : the absolute temperature (t ºC + 273.16ºC). log k = log A - Ea/2.303RT Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 23 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica TEMPERATURE EFFECTS Extent of reaction EnergyKcal/mol 0 10 20 30 40 50 60 Eact= 12 Kcal/mol A+B reactants B+C products Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 24 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 3 3.2 3.4 3.6 3.8 (1/T(Kº))*1000 LogK TEMPERATURE EFFECTS Slope= 3.51*103 Ea= 3.51*103*(2.303)*(1.987)=16.1 Kcal/mol Typical Arrhenius plot of log k against 1/T,
  • 7. 7 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 25 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Compound Reaction Ea (kcal/mol) Ascorbic Acid Oxidation 23 Aspirin Hydrolysis 14 Atropine Hydrolysis 14 Benzocaine Hydrolysis 19 Chloramphenicol Hydrolysis 20 Epinephrine Oxidation 23 Procaine Hydrolysis 14 Thiamine Hydrolysis 20 TEMPERATURE EFFECTS Activation Energies for Some Drug Decomposition Reactions Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 26 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Example: Sulfacetamide. first-order rate constant in the pH-independent region (5-11) K= 9 x 10-6 s-1 at 120ºC. Ea= 22.9 kcal/mol at pH 7.4. Calculate the shelf life at 25ºC. TEMPERATURE EFFECTS 25 120 k 22900 1 1 log k (2.3)(1.987) 298 393 − ⎛ ⎞ = −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 2 a 1 2 1 k E 1 1 log k 2.303R T T ⎛ ⎞− = −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ -525 120 k 8.7 x 10 k = k25 = (8.7 x 10-5) (9 x 10-6 s-1) = 7.85 x 10-10 s-1 8 90 -10 -1 0.105 t 1.34 x 10 s 7.85 x 10 s = = 4.25 years Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 27 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Example The following rate constants were determined for 5-fluorouracil decomposition at pH 9.90. (a) Determine the activation energy at this pH; (b) Extrapolate the graph to room temperature (25ºC) and determine the rate constant and shelf life at this temperature. TEMPERATURE EFFECTS t (ºC) 106 k (s-1 ) 80 0.96 70 0.32 60 0.118 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 28 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Answer: (a) from the Arrhenius plot of the data we obtain The slope B= -12.31=Ea/R Ea = 24.5 kcal/mol TEMPERATURE EFFECTS 0.01 0.1 1 10 2.800 2.850 2.900 2.950 3.000 3.050 1/T (Kº) Logk
  • 8. 8 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 29 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica 0.01 0.1 1 10 2.800 2.850 2.900 2.950 3.000 3.050 1/T (Kº) Logk (b) From extrapolation of the graph to 25ºC (1/T = 0.00335), we obtain log k25ºC = -8.86. k25ºC = 1.38 x 10-9 s-1 t90 = 7.6 x 107 s = 2.4 years Note that Ea is always positive. TEMPERATURE EFFECTS Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 30 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: Consider the ratio of rate constants kT2/kTl at two temperatures T1 and T2. Consider T1=T2+10º The quantity Q10 is defined as The Q10 factor can be calculated from the next equation: (T 10) 10 T k Q k + = (T 10) a 10 T k E 1 1 Q exp k R T 10 T + ⎡ ⎤⎛ ⎞ = = − −⎜ ⎟⎢ ⎥+⎝ ⎠⎣ ⎦ Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 31 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: The activation energies for drug decompositions usually fall in the range 12 to 24 kcal/mol. Next table gives values of Ea corresponding to three rounded values of Q10. These values of Q10 = 2, 3, or 4 to represent low, average, and high estimates of Q10 when Ea is unknown Q10 (30 to 20ºC) Ea (kcal/mol) 2.0 12.2 3.0 19.4 4.0 24.5 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 32 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: For an arbitrary change in temperature, ΔT = T2 - T1, (T T) ( T /10) T 10 T k Q Q k +Δ Δ Δ = =
  • 9. 9 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 33 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: For an arbitrary change in temperature, ΔT = T2 - T1, Multiplying the exponential term by gives a T E T Q exp R (T T)(T) Δ ⎡ ⎤⎛ ⎞Δ = ⎢ ⎥⎜ ⎟+ Δ⎝ ⎠⎣ ⎦ 10 T 10 10 T 10 + + i a T E T 10 (T 10) Q exp R (R T)(T) 10 (T 10) Δ ⎡ ⎤Δ + = ⎢ ⎥+ Δ +⎣ ⎦ Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 34 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: a T [ T /10][(T 10)/(T T)] a E 10 T (T 10) Q exp R (T 10)(T) 10 (T T) E 10 exp R (T 10)(T)1 Δ Δ + +Δ ⎡ ⎤Δ + = ⎢ ⎥+ + Δ⎣ ⎦ ⎡ ⎤ = ⎢ ⎥+⎣ ⎦ [ T /10][(T 10) /(T T)] T 10Q Q Δ + +Δ Δ = This equation is exact. However, since T ≈ 300K, (T + 10)/(T + ∆T) ≈ 1, (T T) T/10 T 10 T k Q Q k +Δ Δ Δ = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 35 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: Example Calculate the factors by which rate constants may change for: (a) a 25 to 50ºC temperature change (b) a 25 to 0ºC temperature change. Answer: (a) ΔT = +25, = 5.7, 15.6, 32 for Q10 = 2, 3, 4, respectively Thus the rate increases between 6-fold and 32-fold, with a probable average increase of about 16-fold. (25 25) (25/10) 25 10 25 k Q Q k + + = = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 36 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: (b) a 25 to 0ºC temperature change. Answer: ΔT = -25, = 1/5.7, 1/15.6, 1/32 for Q10 = 2, 3, 4, respectively Thus the rate decreases to between 1/6 and 1/32 of the initial rate. (0 25) ( 25/10) 25 10 0 k Q Q k − − − = =
  • 10. 10 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 37 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Q10-Value Calculations: • Q = 4 provides the largest estimate for the increase in rate with increasing temperature, • Q = 2 provides the smallest reasonable estimate for the decrease with decreasing temperature. Example: Using Q10 = 2, 3, 4, calculate the half-life change from 70ºC to 25ºC for methyl paraben at pH 4. We have ΔT = 25 - 70 = -45, Q-45= 1/23, (Q10=2) Q-45= 1/140, (Q10=3) Q-45= 1/512, (Q10=4) Since k70ºC = 1.6 x 10-6 s-1 (from the monograph) then t½ (70ºC) = 4.3 x 107 s = 501 days t½ (25ºC) = 31 yr (Q =2) = 199 yr (Q = 3) = 709 yr (Q = 4) . Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 38 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS The expiration date is given for room temperature. What is the expected extension of the shelf life in a refrigerator? The expiration date is given for refrigeration conditions. How long may the product be left at room temperature? Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 39 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS The expiration date is for room-temperature conditions, and it is desired to heat the product in sterilization. What percent decomposition can be expected at the higher temperature? Problems of this type require estimates of the effect of temperature on the shelf life. Assuming we do not have exact Ea values available, we use the Q10 values of 2, 3, and 4 to make such estimates. Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 40 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS The expiration date is for room-temperature conditions, and it is desired to heat the product in sterilization. What percent decomposition can be expected at the higher temperature? 0 90 0 0.1[D ] t k = 90 1 0.105 t k = Zero order First order 1 90 (T T) a t (T) k +Δ =
  • 11. 11 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 41 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica or, since t90(T1) = a/kT1: SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS 90 2 ( T /10) T1 10 a t (T ) k Q Δ = i 90 1 90 2 ( T /10) 10 t (T ) t (T ) Q Δ = the estimate of t90(T2) is independent of the order. a positive ΔT (T2 > T1) reduces the shelf life, a negative ΔT(T2 < T1) increases it. Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 42 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS Example A. The expiration period for a reconstituted product is 18 h at room temperature. Estimate the expiration period when the product is stored in the refrigerator. ΔT = -20ºC, t90 (5ºC) = 18 * 22 = 72 h (Q = 2) = 18 *32 = 162 h (Q = 3) = 18 * 42 = 288 h (Q = 4) conservative estimate would be 72 h and a likely estimate 162 h. 90 1 90 2 ( T /10) 10 t (T ) t (T ) Q Δ = 90 ( 20/10) 10 18 t (5º) Q − = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 43 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS Example B. A newly reconstituted product is labeled to be stable for 24 h in a refrigerator. What is the estimated shelf life at room temperature? t90 (5ºC) = 24 h t90 (25ºC) = 24/4 = 6 h (Q = 2) = 24/9 = 2.7 h (Q = 3) = 24/16 = 1.5 h (Q = 4) Thus a likely value is about 3 h, with a conservative estimate of 1.5 h and a possible value of 6 h. 90 1 90 2 ( T /10) 10 t (T ) t (T ) Q Δ = 90 (20/10) 10 24 t (25º) Q = Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 44 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS If the product has been stored for a known length of time at another temperature: 1. compute the time interval at the specified temperature that would give the equivalent decomposition to that which occurred at the actual storage temperature and 2. subtract this value from or add it to the label date for a new expiration date.
  • 12. 12 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 45 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS Example The expiration date for a product is one year from the current date when stored in a refrigerator. The product has been stored-for one month at room temperature. If the product is now returned to the refrigerator, what is the new expiration date? Answer One month at room temperature would be equivalent to 1 *22 = 4 months (Q = 2) 1 *32 = 9 months (Q = 3) 1 *42 = 16 months (Q = 4) that is, 4, 9, or 16 months at 5ºC. The most likely estimate is 9 months, hence if the product is returned to the refrigerator, only 3 months would be left. ( T /10)90 1 90 2 90 2 10( T/10) 10 t (T ) t (T ) t (T ) Q Q Δ Δ = → ⋅ Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 46 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica SHELF-LIFE ESTIMATION METHODS Example. The ampicillin monograph in the Physicians' Desk Reference (1) states that the reconstituted suspension is stable for 14 days in a refrigerator. If the product is left at room temperature for 12 h, what is the reduction in the expiration period? 0.5 * 22 = 2 days (Q = 2) 0.5 * 32 = 4.5 days (Q = 3) 0.5 * 42 = 8 days (Q = 4) The expected reduction is thus 4.5 days. ( T /10)90 1 90 2 90 2 10( T/10) 10 t (T ) t (T ) t (T ) Q Q Δ Δ = → ⋅ Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 47 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Influencia del pH Example:pH-Rate profile for the dehydration of streptovitacin A at 70°C Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 48 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica pH-Rate profile for hydrolysis of citric acid anhydride at 25°C Example1 Influencia del pH
  • 13. 13 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 49 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica D. pH EFFECTS (2). Sigmoid Curves pH-Rate profile for aspirin hydrolysis at 25°C Example2: Hydrolysis of aspirin. where k3 > kl and k" > k'. The rate equation is rate = k1[RCOOH][H+] + k'[RCOOH] + k"[RCOO-] + k3[RCOO-][OH-] The pKa of aspirin is 3.6, so the plateau region of the curve (pH 4 to 8) is accounted for primarily by the k" term, that is, hydrolysis of the anion. This reaction is responsible for the instability of aspirin in solution dosage forms Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 50 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica D. pH EFFECTS (3). Bell-Shaped Curves Some pH-rate profiles show maxima, often with a "bell shaped" peak. Hydrolysis of penicillin G catalyzed by 3,6-bis (dimethylaminomethyl)- catechol. Catalysis is produced by the monoanion of the catechol derivative, Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 51 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Vías de degraddación química Hidrólisis Oxidación Racemización Descarboxilación Polimerización Descomposición enzimática Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 52 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Inhibición de la oxidación Proteger de la luz Evitar presencia oxígeno Uso agentes antioxidantes
  • 14. 14 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 53 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Antioxidantes sistemas hidrófilos Combinaciones inorgánicas de azufre: sulfitos (olor y sabor desagradables) Combinaciones orgánicas de azufre: (olor y sabor desagradables) Ácido ascórbico: tópicas, parenterales, orales Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 54 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Antioxidantes sistemas lipófilos Naturales: Tocoferoles Sintéticos y semisintéticos: − Ácido gálico y ésteres del ácido gálico − Ésteres ácido ascórbico − Butilhidroxianisol(BHA) − Butilhidroxitolueno(BHT) Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 55 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Sinérgicos Reforzadores de acción: ácido fosfórico, citríco, tartárico Inactivadores de catalizadores: EDTA Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 56 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Sobredosificación Antibióticos, vitaminas Exceso de contenido activo que es necesario tener en cuenta para garantizar la estabilidad, es decir, la compensación de la pérdida de principio activo prevista durante el periodo de conservación.
  • 15. 15 Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 57 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Inestabilidad biológica Conservadores: requisitos Tolerancia fisiológica Compatibilidad Estabilidad química Olor y sabor Espectro activo Tecnologia Farmacéutica. Estabilidad 58 © Marival Bermejo Depto. Farmacia y Tecnología Farmacéutica Clasificación conservantes Fenoles Alcoholes alifáticos y aromáticos Compuestos orgánicos de mercurio Compuestos de amonio cuaternario Ácidos carboxílicos Otros.