Aplicación de la espectroscopia vibracional como técnica de control en la industria farmacéutica

Abstract

En aquesta Tesi Doctoral s'han desenvolupat mètodes d'anàlisis basats en l'espectroscòpia en l'infraroig proper (NIR) i en l'espectroscòpia Raman per la seva aplicació en la indústria farmacèutica. En aquesta indústria, és necessari garantir la qualitat dels productes tant a la seva arribada com a la seva alliberació, procés que pot ser lent si s'empren tècniques tradicionals com el HPLC. Les alternatives espectroscòpiques utilitzades en aquest treball són tècniques ràpides i no destructives, que no requereixen l'ús de dissolvents i no generen residus. En molts casos, s'han usat instruments portàtils, tant NIR com IR, per comprovar el seu funcionament en comparació als equips de sobretaula. En la introducció, es descriuen les tècniques espectroscòpiques utilitzades, tant el seu fonament teòric com la seva instrumentació, i s'expliquen els mètodes quimiomètrics utilitzats, així com el procés de construcció dels models. La primera part de la Tesi està dedicada a la identificació de productes utilitzant diferents mètodes de reconeixement de pautes a espectres NIR i Raman, destacant la utilització d'una biblioteca en cascada. Fent ús d'ambdues tècniques espectroscòpiques i instruments portàtils, s'ha estudiat la identificació de comprimits de diferents marques comercials, amb igual principi actiu, però fabricats per diferents laboratoris. S'ha pogut discriminar segons l'origen de fabricació. En un altre capítol, s'ha construït i validat, interna i externament, una biblioteca d'espectres NIR que assegura la identitat de 436 materials de partida que es reben en una indústria farmacèutica. Durant el desenvolupament, s'ha ensenyat com resoldre problemes habituals en construir aquest tipus de biblioteques. A més, s'ha elaborat una anàlisi de riscos per disminuït els falsos negatius de productes fora d'especificació, avaluant el risc de cada factor identificat i proposant accions mitigadores, en cas necessari. Amb els resultats obtinguts quotidianament en la recepció dels productes en la indústria, s'ha avaluat el comportament de les biblioteques desenvolupades i el resultat de l'aplicació de les accions per disminuït els falsos negatius. En la segona part de la Tesi s'ha determinat la concentració d'APIs en producte acabat, i estudiar l'aplicació de les tècniques espectroscòpiques per assegurar la uniformitat de contingut (UC) de dosis en APIs. Utilitzant l'espectroscòpia Raman i un instrument portàtil, s'ha determinat la concentració d'ibuprofèn en un gel comercial. Els pretractaments del senyal duts a terme permeten emprar un mètode de calibració univariant. A més, emprant la mateixa tècnica, però amb un instrument de sobretaula, s'ha suggerit un mètode per determinar la UC de dosis en comprimits sencers i en les fraccions en les quals es pot dividir; s'ha optimitzat el nombre mínim de mesures que proporcionen un resultat correcte a pesar de la possible agregació del API en comprimits. Finalment, s'ha estudiat la determinació simultània d'APIs que es troben junts en el mateix comprimit, però en condicions de gran desproporció entre les seves concentracions, fet que pot provocar que la contribució del majoritari en l'espectre influeixi en la determinació del minoritari. Per això, s'han utilitzat mesures NIR realitzades amb un instrument de sobretaula i un portàtil, per estudiar les diferències en els resultats obtinguts amb ambdós instruments en el cas de quantificacions complexes. S'ha emprat un mètode de calibració multivariable amb bons resultats i s'ha aplicat a l'estudi de la UC de dosis.

En esta Tesis Doctoral se han desarrollado métodos de análisis basados en la espectroscopia en el infrarrojo cercano (NIR) y en la espectroscopia Raman para su aplicación en la industria farmacéutica. En esta industria, se requiere garantizar la calidad de los productos tanto a su llegada como a su liberación y puede ser un proceso lento cuando se utilizan técnicas tradicionales como HPLC. Las alternativas espectroscópicas utilizadas en este trabajo son técnicas rápidas y no destructivas, que no requieren el uso de disolventes y no generan residuos. En muchos casos se ha empleado equipos portátiles, tanto NIR como IR, para comprobar su desempeño frente al de los equipos de sobremesa. En la introducción, se describen las técnicas espectroscópicas empleadas, tanto su fundamento teórico como su instrumentación; y se explican los métodos quimiométricos utilizados, así como el proceso de construcción de los modelos. La primera parte de tesis está dedicada a la identificación de productos utilizando distintos métodos de reconocimiento de pautas a espectros NIR y Raman, destacando la utilización de bibliotecas en cascada. Utilizando ambas técnicas espectroscópicas y equipos portátiles, se ha estudiado la identificación de comprimidos de distintas marcas comerciales, con el mismo principio activo, pero fabricados por distintos laboratorios. Se han podido discriminar según el origen de fabricación. En otro capítulo se ha construido y validado, interna y externamente, una biblioteca de espectros NIR que garantiza la identidad de 436 materiales de partida que se reciben en una industria farmacéutica, mostrando cómo solventar los problemas habituales que surgen en la construcción de este tipo de bibliotecas. Se ha realizado un análisis de riesgos para disminuir los falsos negativos de productos fuera de especificaciones, evaluando el riesgo de cada factor y proponiendo acciones mitigadoras de dicho riesgo en caso necesario. Con los datos obtenidos cotidianamente en la recepción de productos en la industria, se ha evaluado el comportamiento de las bibliotecas construidas y el resultado de la aplicación de las acciones para disminuir los falsos negativos. En la segunda parte de la tesis se ha determinado la concentración de APIs en producto acabado y la aplicación de las técnicas espectroscópicas para asegurar la uniformidad de contenido de la dosis del API. Utilizando espectroscopia Raman y un instrumento portátil, se ha determinado la concentración de ibuprofeno en un gel comercial. Los pretratamientos de la señal realizados permiten utilizar un método de calibración univariante. También utilizando espectroscopia Raman, pero con un instrumento de sobremesa, se ha propuesto un método para determinar la uniformidad de contenido de dosis en comprimidos enteros y en las fracciones en las que se puede dividir; se ha optimizado el número mínimo de medidas que proporcionan un resultado correcto a pesar de la posible agregación del API en el comprimido. Finalmente, se ha estudiado la determinación simultánea de APIs que se encuentran juntos en el mismo comprimido, pero en condiciones de gran desproporción entre sus concentraciones, lo que puede ocasionar que la contribución al espectro del compuesto mayoritario influya en la determinación del minoritario. Para ello se han utilizado medidas NIR, realizadas tanto con un equipo de sobremesa como con un equipo portátil, para estudiar las diferencias en los resultados obtenidos con ambos tipos de equipos en caso de cuantificaciones complejas. Se ha utilizado un método de calibración multivariable con buenos resultados y se ha aplicado al estudio de uniformidad de contenido de dosis.

In this Doctoral Thesis, analysis methods based on near-infrared (NIR) and Raman spectroscopy have been developed for their application in the pharmaceutical industry. In this industry, it is necessary to ensure the quality of all products in both their reception and release. Such necessity could be a slow process when using traditional techniques such as HPLC. The spectroscopic techniques are a great alternative to conventional methods as they are fast and non-destructive, without the need for solvents, and no generation of residuals. In most cases, portable instruments, both NIR and IR, have been employed to assess their performance over the benchtop ones. The introduction presents a summary of the fundamentals and instrumentation of the spectroscopic techniques employed. Furthermore, the chemometric methods and the steps followed to construct them are also explained. The first part of the Thesis is dedicated to the identification of products using different pattern recognition methods and NIR and Raman data. In this part, the use of cascading libraries is highlighted. First, using both spectroscopic techniques and portable instruments, the identification of tablets commercialized by different industries has been studied. These samples contain the same API but are produced by several laboratories. Hence, it has been possible to discriminate against them according to their origin. Second, a NIR spectral library has been constructed and validated, internally and externally, to identify 436 raw materials received in the pharmaceutical industry. Therefore, it has been demonstrated how to solve usual problems when constructing these libraries. In addition, a risk analysis has been performed to reduce the number of false positives when using these libraries. Hence, the risk of each factor has been studied and mitigation actions proposed. The performance of the library and the mitigation actions have been evaluated with the results of new raw materials identification. The second part of the Thesis is related to the determination of the API concentration in finished products and ensuring API dose content uniformity (CU). First, the content determination of ibuprofen in gel samples has been carried out. This determination is performed using Raman spectroscopy and one portable instrument. The signal pretreatment performed allows using a univariate calibration method. Second, with the use of Raman spectroscopy and a benchtop instrument, a method to determine the CU of tablets has been proposed. This method allows the measure of CU in the entire tablet and their fractions. Therefore, the minimum number of measures to obtain adequate results has been optimized even though the possible aggregation of the API. Finally, the simultaneous determination of two APIs in the same tablets has been performed. Both APIs are at a high different mass proportion, which may interfere in the determination of the minority API. Thus, NIR measurements obtained with portable and benchtop instruments are used to quantify both APIs. In this case, a multivariable calibration method has been used to construct the methods. Hence, the CU has also been determined and, the results of both instruments compared.