Solubility and Dissolution Rate of Active Pharmaceutical Ingredients: Dissolution Media and Effect of Enhancers

Abstract

The present doctoral thesis is focused on the effect of pH, enhancers and biorelevant media in the Solubility and the Dissolution Rates of some selected acidic active pharmaceutical ingredients (API). Because of the effect of these physicochemical parameters in the bioavailability of drugs and their pharmacological action, deepen the knowledge on the factors affecting the dissolution properties is of paramount importance in the drug development process. Solubility and dissolution rates are examined in different aqueous solutions and buffering systems, accounting for the pH values of main interest in the gastrointestinal tract (2.0, 5.8 and 6.5), together with dissolution media that simulate intestinal fluids in fasted (FaSSIF) and fed states (FeSSIF). It is also determined in these media and discussed the effect of some excipients intended as dissolution enhancers, such as cyclodextrins, polyvinylpyrrolidones and hydroxypropylcellulose. Finally, differential scanning calorimetry was used to identify solid-solid interactions between excipients and APIs. As a complementary investigation, this thesis also presents a comparative study of the reference shake-flask and potentiometric CheqSol methods for the determination of solubility, including APIs with different acid/base properties (acidic, amphoteric and basic). The study confirms that solubility is pH dependent, and an accurate pKa determination of the drugs is needed to detect the presence of concurrent aggregation or complexation reactions affecting the amount of compound dissolved. As expected, the addition of excipients increases the solubility of APIs, but in different degrees depending on the drug, excipient, and pH conditions. Solubility in simulated intestinal fluids is generally improved, and the addition of excipients might increase, diminish or even cancel the enhancement, depending on the matrix formed. Interestingly, the factors improving the solubility of an API do not necessarily enhance its dissolution rate. The release of the drug from its compressed solid form (tablet) is a complex process, involving an aqueous boundary layer between the solid and the bulk solution. The results of this thesis point out the need of systematic and detailed dissolution studies in the step of pharmaceutical formulation, as long as the enhancement produced by a particular excipient in a singular dissolution medium can be characteristic of an individual API, and these results cannot be uncritically extended to other drugs.

La presente tesis doctoral se enfoca en el efecto del pH, excipientes y medios biorelevantes sobre la solubilidad y velocidad de disolución de algunos principios activos (PA). Dado el efecto de estos parámetros fisicoquímicos en la biodisponibilidad de los fármacos y su acción farmacológica, el profundizar en el conocimiento de los factores que afectan estas propiedades de disolución es de suma importancia en el desarrollo de medicamentos. La solubilidad y velocidad de disolución se examinan en diferentes soluciones y sistemas tamponadores, de acuerdo a valores de pH de interés del tracto gastrointestinal, junto a medios de disolución que simulan fluidos intestinales. También se determina el efecto que puedan tener en estos medios, sustancias como excipientes que aumenten la disolución, tales como ciclodextrinas, polivinilpirrolidonas e hidroxipropilcelulosa. Calorimetría diferencial de barrido fue utilizada para identificar interacciones sólido-sólido entre excipientes y PA. Complementariamente, en esta tesis también se presenta un estudio comparativo entre el método de referencia de equilibrio de fases y el método potenciométrico CheqSol para la determinación de solubilidad, incluyendo PA de diferentes propiedades fisicoquímicas. El estudio confirma la dependencia entre pH y solubilidad, una medición exacta del pKa de los fármacos es necesaria para detectar la presencia de agregados o complejos que afecten la cantidad de muestra disuelta. Como se esperaba, la adición de excipientes incrementa la solubilidad pero en diferente grado dependiendo del compuesto, el excipiente y las condiciones de pH. La solubilidad generalmente es mejorada cuando se usan medios biorelevantes, mientras que el uso de excipientes en estos medios podría incrementar, disminuir o cancelar el efecto de solubilización, dependiendo de la matriz formada. Sorpresivamente, los factores que incrementan la solubilidad no necesariamente lo hacen en la velocidad de disolución. La liberación del compuesto desde la superficie de la tableta es un proceso complejo, relacionado con la capa acuosa intermedia entre la tableta y la solución. Los resultados de esta tesis señalan la necesidad de estudios sistemáticos y detallados en el paso previo de formulación farmacéutica, pues la mejora producida por un excipiente en particular en condiciones singulares del medio, puede ser característica para un PA específico, y estos resultados no deben ser extrapolados sin criterio a otros fármacos.