Quantification of the active ingredient in a pharmaceutical topical gel formulation

Quantifikace účinné látky v lokálním gelovém lékovém přípravku pomocí FT-NIR (přehled)

Význam tématu

Analýza topických formulací (gely, krémy, masti) představuje v farmaceutické praxi specifickou výzvu, protože běžné analytické postupy často vyžadují časově náročné extrakce a složité předúpravy. Metoda blízké infračervené spektroskopie (FT-NIR) umožňuje rychlou, nedestruktivní a často bezkontaktní kvantifikaci složek v hotových formulacích, což zkracuje dobu testování a usnadňuje zavedení kontrolních bodů v produkci a vývoji.

Cíle a přehled studie / článku

Tento application note hodnotí použití FT-NIR v transmisním režimu (Thermo Scientific Antaris) pro kvantifikaci ketoprofenu v čiré (translucentní) karbopolové gelové formulaci. Cílem bylo prokázat, že FT-NIR může být přesnou a rychlou alternativou k tradičním analytickým postupům při měření obsahu účinné látky v rozmezí 0–8 % (w/w). Studie zahrnovala přípravu vzorků s různým obsahem ketoprofenu, akvizici spekter, tvorbu kalibrací a ověření přesnosti a opakovatelnosti měření.

Použitá metodika a instrumentace

Popis formulací a příprava vzorků:

• Formulace byly založeny na Carbopol 980 jako zahušťovadle, triethanolaminu pro neutralizaci a vytvoření gelové konzistence, dále propylenglykolu a vodě jako rozpouštědle / ko-rozpouštědle.
• Obsahy ketoprofenu ve formulacích: 0 %, 1 %, 2 %, 4 %, 6 % a 8 % (w/w). Pro každou úroveň byly připraveny čtyři oddělené alikvoty pro posouzení reprodukovatelnosti; u 4% úrovně bylo některé měření opakováno šestkrát pro určení RSD.
• Postup: příprava zásobního roztoku Carbopolu ve vodě a propylenglykolu, rozpuštění ketoprofenu v ko-rozpouštědle s triethanolaminem, smíchání s Carbopol zásobou a ruční homogenizace do gelu; následné plnění do 7 mm jednorázových skleněných vialů a odstředění (1000–3000 rpm, do ~10 min) pro odstranění vzduchových bublin.

Použitá instrumentace:

• Spektrometr: Thermo Scientific Antaris FT-NIR Analyzer, transmisní modul (měření v transmisním režimu).
• Detektor: InGaAs.
• Akviziční parametry: spektrální rozsah 4000–10000 cm−1, rozlišení 4 cm−1, 64 soustředěných (co-averaged) skenů, doba měření ~47 s na vzorek, pokojová teplota ~21 °C.
• Poznámka: v textu je zmíněna dostupná novější generace Antaris II s lepší rychlostí a výkonem.

Chemometrické postupy:

• Software: Thermo Scientific TQ Analyst.
• Metody modelování: Stepwise Multiple Linear Regression (SMLR) a Partial Least Squares (PLS‑I). Pro konečnou kvantifikaci byl zvolen jednoduchý single‑point SMLR model jako pragmatický test proveditelnosti.
• Předzpracování spekter: multiplicative scatter correction (MSC), Norris derivace a Savitzky–Golayovy derivace byly použity pro zlepšení signálu a kompenzaci rozptylu a baseline efektů.
• Vybraná kalibrační frekvence: 8792 cm−1 (oblast druhého C–H overtonu ketoprofenu) identifikovaná jako nejvíce korelující s obsahem látky.
• Volba počtu PLS latentních proměnných určena pomocí PRESS a RMSECV s leave‑one‑level‑out protokolem.

Hlavní výsledky a diskuse

Spektrální pozorování:

• Sušený ketoprofen vykazoval dobře definované signály v NIR oblasti; druhé C–H overtony poskytly vhodný analytický prvek pro kalibraci v matrici gely.
• Druhotné derivace překrytých spekter gelů prokázaly dostatečné rozdíly mezi koncentracemi pro kvantitativní modelování, přesto že základní matrice (Carbopol, propylenglykol, voda, triethanolamin) vytváří vlastní spektrální kontribuce.

Kvalita kalibrace a validace:

• Konečný SMLR single‑point model při 8792 cm−1 dosáhl korelačního koeficientu R2 ≈ 0,9996 a RMSEC ≈ 0,0775 % (abs.).
• RMSECV z leave‑one‑level‑out cross‑validace byl ≈ 0,0990 %, což je mírně vyšší než RMSEC, jak se očekává při omezené validaci.
• Kontrolní (check) vzorky mimo kalibrační sadu vykázaly malé rozdíly mezi skutečným a predikovaným obsahem: pro 1 % = 0 % odchylka, pro 4 % = +0,55 %, pro 6 % = −0,33 %.
• Opakovatelnost: u 4% vzorku byla měřena série 6 replik s %RSD ≈ 0,10 %, což indikuje vysokou přesnost opakování při stejném vzorku a podmínkách.

Diskuse praktické stránky výsledků:

• FT-NIR v transmisním režimu je pro tento typ průhledných až poloprůhledných gelů vhodný – umožňuje rychlé analýzy bez extrakce a s nízkou chybou v rámci očekávaných farmaceutických limitů.
• Pro konzistentní výsledky je kritické zajistit dobrou homogenitu formulace, eliminaci vzduchových bublin a stabilní geometrické uspořádání měření (stejné vialy, stejná hloubka vzorku), protože NIR je citlivý na rozptyl a fyzikální vlastnosti vzorku.
• Přenositelnost kalibrací mezi různými přístroji a mezi generacemi (Antaris → Antaris II) vyžaduje pozornost a případné opravné postupy (standardizační datové sady, instrumentální normalizace).

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy zavedení FT-NIR transmisní analýzy pro lokální gely:

• Rychlost: měření trvá desítky sekund, takže metoda je vhodná pro rutinní kontrolu hotových produktů nebo pro in‑process kontrolu (PAT).
• Minimalizace předúprav: nedestruktivní analýza bez nutnosti extrakce účinné látky z matrice u průhledných/translucentních gelů.
• Vysoká přesnost a opakovatelnost: nízké RMSEC/RMSECV a nízké RSD v replikacích.
• Snížení spotřeby chemikálií a odpadů při analýzách oproti chemickým extrakcím a chromatografii.

Omezení a faktory pro implementaci:

• Metoda je nejvhodnější pro průhledné až poloprůhledné vzorky; silně neprůhledné nebo silně disperzní formulace mohou vyžadovat alternativní geometrii (reflexe) nebo přípravu vzorku.
• Nutnost vybudovat kvalitní kalibraci zahrnující variabilitu matrice, teploty a potencionálních složek formulace.
• Vyžaduje kompetence v chemometrii pro správné předzpracování, výběr vlnové délky a validaci modelu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Krátkodobé a střednědobé trendy:

• Rozšíření použití FT-NIR pro inline či online monitorování výroby (PAT), zejména u výrobních linek gelů a kosmetických produktů.
• Větší využití přenosných a modulárních NIR systémů pro rychlé místní kontroly ve výrobě a skladech.
• Pokročilejší postupy chemometrie a strojového učení pro robustnější modely odolné vůči změnám matrice a instrumentu.

Dlouhodobé možnosti:

• Integrace NIR s hyperspektrálním zobrazováním pro prostorové mapování homogenity formulace.
• Standardizace a validace mezilaboratorních kalibrací a vypracování certifikovaných referenčních materiálů pro přenositelnost kalibrací.

Závěr

Studie prokázala, že FT-NIR transmisní spektroskopie pomocí Antaris přístroje umožňuje rychlé, přesné a reprodukovatelné kvantitativní stanovení ketoprofenu v čirých karbopolových gelech bez nutnosti extrakce. Kalibrační model založený na signálu při 8792 cm−1 dosáhl vynikajících statistických parametrů (R2 ≈ 0,9996; RMSEC ≈ 0,0775 %; RMSECV ≈ 0,0990 %) a kontrolní měření potvrdila malou chybu predikce. FT-NIR tak představuje praktickou alternativu pro rutinní analýzy topických gelů, pokud jsou splněny podmínky vhodné optické propustnosti a konzistence vzorku.

Reference

1. Drennen J.K., Kramer E.G., Lodder R.A., Critical Reviews in Analytical Chemistry, 22(6), 443 (1991).
2. Kirsch J.D., Drennen J.K., Applied Spectroscopy Reviews, 30(3), 139 (1995).
3. Morisseau K.M., Rhodes C.T., Drug Development and Industrial Pharmacy, 21, 1071 (1995).
4. Bradfield K.B., Forbes R.A., Journal of Near Infrared Spectroscopy, 5, 41 (1997).
5. Last I.R., Prebble K.A., Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 11(11/12), 1071 (1993).
6. Isaksson T., Naes T., Applied Spectroscopy, 42, 1273 (1988).
7. Williams P., Norris K., Cereal Chemistry, 61, 158 (1984).
8. Savitzky A., Golay M.J.E., Analytical Chemistry, 36, 1627 (1964).