Tema 4: Propiedades de las Pequeñas Partículas FQF II 2024 PDF

TEMA 4: PROPIEDADES DE LAS PEQUEÑAS PARTÍCULAS Sara Ramos Vides FISICOFARMACIA II 2024 OBJETIVO GENERAL Analizar el efecto del tamaño de las partículas en las propiedades fisicoquímicas y biofarmacéuticas de las sustancias farmacológicas y en sus formas de dosificación.  Comprender el con...

TEMA 4: PROPIEDADES DE LAS PEQUEÑAS PARTÍCULAS Sara Ramos Vides FISICOFARMACIA II 2024 OBJETIVO GENERAL Analizar el efecto del tamaño de las partículas en las propiedades fisicoquímicas y biofarmacéuticas de las sustancias farmacológicas y en sus formas de dosificación.  Comprender el concepto de tamaño de partícula que se aplica a las ciencias farmacéuticas. Familiarizarse con las unidades de tamaño de partículas, área y volumen y cálculos típicos. Describir los métodos de caracterización de las partículas. Indicar las propiedades fundamentales para cualquier colección de partículas. Control del tamaño de las partículas en el desarrollo de formulaciones y productos. El término tamaño de partícula se utiliza principalmente para indicar las dimensiones de polvos sólidos, partículas líquidas y burbujas de gases. El conocimiento y el control del tamaño y el rango de tamaño de las partículas y las gotas influye directamente en la biodisponibilidad y en la capacidad de fabricación de formulaciones líquidas y sólidas. REDUCCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULAS O PULVERIZACIÓN. Es una operación consistente en la reducción del tamaño de una partícula. (droga, sustancia medicamentosa o excipiente).  Objetivos de la pulverización ❖Dotar a los sólidos de una granulometría similar para evitar la segregación en las mezclas. ❖Aumenta la posibilidad de dispersión del sólido en un líquido. ❖Aumentar la velocidad de disolución del sólido en un líquido ❖Asegurar la distribución homogénea de fármacos en formas farmacéuticas sólidas con dosificación baja. ❖Aumentar la superficie específica de las partículas para mejorar la biodisponibidad del producto. ❖Mejorar la capacidad de cobertura en el caso de utilizar el sólido para hacer recubrimientos. ❖Obtención de preparados galénicos, como son los polvos simples y los polvos compuestos.  Características del material a dividir que se deben considerar Características físicas Características químicas Punto de fusión Abrasividad Estructura de la partícula Corrosividad Sistema cristalino Oxidabilidad Dureza y friabilidad Higroscopicidad Contenido acuoso del sólido Inflamabilidad Características toxicológicas  Clasificación de las partículas de acuerdo con su tamaño. Dimensiones promedio Tamaño de partícula, Diámetro Ejemplos Micrómetros µm = 10-6m = 10-4cm µm 0.5-10 Suspensiones, emulsiones finas 10-50 Partículas de emulsiones gruesas, partículas de suspensiones floculadas 50-100 Rango de polvos finos 150-1000 Rango de polvos gruesos 1000-3360 Promedio de tamaño de gránulos Parámetros relacionados con el tamaño y la forma de las partículas:  Las principales características de los materiales granulares son: Tamaño de la partícula. Forma de la partícula. Densidad. Porosidad. Dureza. Área Superficial. Fuerzas Eléctricas.  Distribución del tamaño de partícula La distribución del tamaño de partícula en ingredientes activos y excipientes es una de las características físicas que tiene mayor influencia a la hora de fabricar productos farmacéuticos , ya que su clasificación depende de las dimensiones de las partículas. Puede afectar tanto a sus propiedades y a su comportamiento cuando son ingeridos por el ser humano, como a su estabilidad y apariencia externa. Si se trata de una partícula no esférica, se toma a menudo como diámetro equivalente, el diámetro de la esfera del mismo volumen que la partícula. Otra escogencia es el diámetro del círculo de la misma área, que la proyección de la imagen de la partícula en su posición más estable. Estas son los criterios clásicos de los métodos que usan aparatos basados sobre fenómenos físicos, ópticos o eléctricos. Dan resultados satisfactorios en casos de granos casi esféricos. Sin embargo, no es siempre el caso como se puede ver en la Figura. PROYECCIONES  Á𝒓𝒆𝒂 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 = 𝟒𝝅𝒓𝟐 2 Esfera 𝟒 𝟑 𝑽𝒐𝒍ú𝒎𝒆𝒏 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 = 𝝅𝒓 𝟑 3 Proyección de la esfera Círculo Á𝒓𝒆𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝒄í𝒓𝒄𝒖𝒍𝒐 = 𝝅𝒓𝟐 𝑑𝑉𝑆 = 2𝑟 El tamaño de partícula basado en peso es igual al diámetro de la esfera que tiene el mismo peso que una partícula dada. Diámetro medio aritmético (da) que se obtiene en función del porcentaje en un número de partículas de cada tamaño y el diámetro medio de las mismas Tabla 4.1 La distribución granulométrica describe el tamaño y el número de partículas. Esto aplica para un conjunto de materiales ya sean sólidos dispersos, en suspensión o emulsiones. Número y distribución de peso Obtención de datos basados en la distribución de pesos. Utilización de los métodos Tamiz y sedimentación. La distribución de pesos provee la forma y la densidad general de las partículas. Métodos para medir el tamaño de las partículas  1- Métodos directos. VENTAJAS Método más popular y preciso Permiten observación directa de la partícula Verificación de dispersión y aglomeración de la muestra Razonablemente económico Ventajas de las técnicas de caracterización microscópicas. Las técnicas de microscopía son muy útiles para analizar la textura y la composición química de los distintos elementos, ya que permiten obtener información precisa sobre todo tipo de compuestos. Conocer su comportamiento ayuda a los fabricantes a elegir los mejores materiales y optimizar los procesos de diseño y fabricación de nuevos productos.  - Microscopía óptica Un microscopio óptico usa luz visible para formar una imagen de la superficie de una muestra. Metodo adecuado para caracterizar partículas entre 0.25 𝜇𝑚 𝑦 100𝜇𝑚. Se aplica en suspensiones, aerosoles y emulsiones El tamaño se expresa por diámetro proyectado 𝑑𝑃  i) Microscopia Electrónica. Herramientas: Microscopio electrónico de transmisión (MET) y microscopio electrónico de barrido ( SEM) El SEM proporciona una imagen tridimensional detallada de la superficie de la muestra. El TEM proporciona una imagen bidimensional proyectada de la estructura interna de la muestra. MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN (TEM): Electrones de transmisión. Alta resolución. Utiliza la naturaleza transmisiva de un haz de electrones para observar la estructura interna y los detalles de la muestra. MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) Escaneado de electrones dispersos. Crea gradualmente una imagen de toda la muestra escaneando la superficie de la muestra y adquiriendo señales en cada localización. La imagen tiene una alta resolución y detalles topológicos de la superficie y puede utilizarse para analizar características como la morfología de la muestra, la textura, la distribución de partículas. La microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) es una combinación de SEM y TEM: es decir, se obtiene una imagen de transmisión utilizando un método de barrido. Microfotografía TEM de una zeolita Micrografía de SEM de polvo de Aluminio compactado a 58 kN Microscopía electrónica: imagen por TEM (izquierda) e imagen por SEM (derecha) de fibras de colágeno en la matriz extracelular del tubo digestivo Otras Técnicas Microscópicas Microscopía óptica avanzada (MOA) Microscopía de efecto de túnel (STM) Microscopía de fuerzas atómicas (AFM) Las partículas están sujetas a agitación horizontal o vertical. Este movimiento provoca que las partículas se retengan en la abertura de la malla del filtro o pasen por este. El paso de la partícula depende del tamaño de la abertura del filtro, la orientación de la partícula y la cantidad de encuentros de esa partícula con la superficie del filtro. lustración esquemática de cómo se utiliza la sedimentación para determinar el tamaño de partícula. Las cuatro células de muestra rectangulares muestran el estado de sedimentación en función del tiempo, con las partículas rojas grandes cayendo al fondo de la celda de muestra más rápidamente que las partículas verdes medianas y las pequeñas partículas azules. Ultracentrifugación Se denomina ultracentrifugación a la técnica de centrifugación en la que se alcanzan velocidades de rotación de hasta 150.000 rpm, obteniéndose así fuerzas centrífugas de hasta 106 veces la fuerza de la gravedad. Separación de ADN La centrifugación es una de las técnicas más utilizadas para asilar y purificar muestras de ADN. Análisis de sangre. La centrifugación es la manera más sencilla para separar la sangre en sus componentes principales. Centrifugación en la industria láctea. La leche es una suspensión estable de grasas y sólidos lácteos en agua. Separación y aislamiento de enzimas. Muchas enzimas y proteínas utilizadas en la industria farmacéutica, las sintetizan microorganismos especializados alterados genéticamente. Una vez sintetizadas, estas enzimas se separan rompiendo las células de los microorganismos que las produjeron y centrifugando la mezcla resultante. ULTRACENTRIFUGACIÓN  ESFERICIDAD Esfericidad () es el área superficial de una esfera de un volumen igual al de la partícula dividida por el área superficial de la partícula. 𝑨 𝒅𝒆 𝒖𝒏𝒂 𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 𝒄𝒐𝒏 𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒊𝒈𝒖𝒂𝒍 𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒂𝒓𝒕í𝒄𝒖𝒍𝒂 𝝍= 𝑨𝒓𝒆𝒂 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒂𝒓𝒕í𝒄𝒖𝒍𝒂 (16) 𝑽𝒑𝒂𝒓𝒕í𝒄𝒖𝒍𝒂 = 𝑽𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 (17) Ejemplo. Calcular el factor de forma (λ) y la esfericidad (ψ) de un Octaedro de 5 cm de arista. 𝑨𝑷 𝝀= ∗ 𝒅𝑽𝑺 𝑽𝑷 𝑨𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 𝒄𝒐𝒏 𝒊𝒈𝒖𝒂𝒍 𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒒𝒖𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒄𝒖𝒍𝒂 𝝍= 𝑨𝑷𝒂𝒓𝒕í𝒄𝒖𝒍𝒂 Octaedro de 5 cm de arista. 𝑨𝑷 = 𝑨𝒐𝒄𝒕𝒂𝒆𝒅𝒓𝒐 = 𝟐 𝟑 ∗ 𝒂𝟐 𝟐 𝑽𝑷 = 𝑽𝒐𝒄𝒕𝒂𝒆𝒅𝒓𝒐 = ∗ 𝒂𝟑 𝟑 𝑨𝑷 = 𝟖𝟔. 𝟔𝟎𝟐𝟓 𝒄𝒎𝟐 𝑽𝑷 = 58.926 𝒄𝒎𝟑 Octaedro con una de sus diagonales perpendiculares a uno de los planos de proyección. Fig. 1 y una de sus caras sobre el plano horizontal. Fig. 2  𝟑𝒂𝟐 𝟑 𝑨𝒉𝒆𝒙á𝒈𝒐𝒏𝒐 = 𝟐 𝑨𝒄í𝒓𝒄𝒖𝒍𝒐 = 𝝅𝒓𝟐 hexágono círculo 𝟑𝒂𝟐 𝟑 𝟐 𝟐 = 𝝅𝒓  𝑨𝑷 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂: 𝝀 = ∗ 𝒅𝑽𝑺 𝑽𝑷 𝑫𝒆𝒔𝒑𝒆𝒋𝒂𝒏𝒅𝒐 𝒆𝒍 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒐: 3𝑎2 3 𝑟= = 4.5469 cm ; dvs = 9.094 cm 2𝜋 𝟖𝟔. 𝟔𝟎𝟐𝟓 𝒄𝒎𝟐 𝝀= ∗ 𝟗. 𝟎𝟗𝟒𝒄𝒎 58.926 𝒄𝒎 𝟑 𝝀 = 𝟏𝟑. 𝟑𝟔  𝑨𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 𝒄𝒐𝒏 𝒊𝒈𝒖𝒂𝒍 𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒒𝒖𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒄𝒖𝒍𝒂 𝝍= 𝑨𝑷𝒂𝒓𝒕í𝒄𝒖𝒍𝒂 𝑨𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 = 𝟒𝝅𝒓𝟐 𝟒 𝟑 𝑽𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 = 𝝅𝒓 𝟑 𝑽𝑷 = 𝑽𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂  𝟑 𝟒 𝟑 𝟓𝟖. 𝟗𝟐𝟔𝒄𝒎 = 𝝅𝒓 𝟑 3 176.778𝒄𝒎𝟑 𝑟= r = 𝟐. 𝟒𝟏𝟒𝒄𝒎 4𝜋 𝑨𝒆𝒔𝒇𝒆𝒓𝒂 = 𝟒𝝅(𝟐. 𝟒𝟏𝟒)𝟐 𝒄𝒎𝟐 = 𝟕𝟑. 𝟐𝟑𝒄𝒎𝟐 𝟕𝟑. 𝟐𝟑𝒄𝒎𝟐 𝝍= = 𝟎. 𝟖𝟓 𝟖𝟔. 𝟔𝟎𝟐𝟓𝒄𝒎𝟐 c) Densidad de la partícula 𝜌 Partículas rugosas y Partículas duras y lisas esponjosas  A MAYOR DUREZA DISMINUYE POSIBILIDAD DE DEFORMACIÓN Y DE ADHERENCIA MEJORES CONDICIONES DE FLUJO Y AUMENTO DE LA POROSIDAD DE SUS LECHOS  Está relacionada con el tamaño de la partícula. Menor tamaño: mayor área superficial.  El incremento del área superficial supone un aumento en la capacidad para: ✓ Captación de gases por adsorción. ✓ Fijación de humedad. ✓ Reactividad química. ✓ Velocidad de disolución. ✓ Atracción sobre partículas vecinas. ✓ Actividad electrostática. FUERZAS ELÉCTRICAS. Cualquier cuerpo puede adquirir carga eléctrica, ese fenómeno se conoce como electrización. Si tiene más protones, estará cargado positivamente pero si tiene más electrones, su carga será negativa. Las partículas tienden a adquirir cargas eléctricas superficiales al ser agitadas. ✓ Elementos metálicos, óxidos básicos, dextrosa y harinas tienden a cargarse en forma negativa. ✓ Elementos no metálicos, óxidos ácidos, almidones, carbón, sal común y azufre adquieren carga positiva. Importancia en farmacia PROPIEDADES FÍSICAS, FORMULACIÓN DE QUÍMICAS Y PREPARADOS FÍSICAMENTE FARMACOLÓGICAS ESTABLES Y CON RESPUESTA FARMACOLÓGICA. TAMAÑO DE PARTÍCULA LIBERACIÓN DEL MANUFACTURA DE FÁRMACO DE LA FORMA TABLETAS Y DE DOSIFICACIÓN CÁPSULAS.  PROPIEDADES DE FLUJO Los estudios de fluidez o pruebas reológicas nos sirven de guía sobre cuales excipientes se pueden utilizar. La fluidez de un polvo es un parámetro de elevada importancia en el manejo de polvos farmacéuticos. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL GRADO DE FLUIDEZ Composición química Fuerzas de cohesión del material Tamaño de partícula Humedad DENSIDAD APARENTE DE UN POLVO Es la relación de la masa de una muestra de polvo sin asentar y su volumen, incluida la contribución del volumen del espacio vacío entre las partículas. DENSIDAD COMPACTADA DE UN POLVO Se obtiene después de golpear mecánicamente un recipiente de medición graduado que contiene la misma muestra de polvo utilizada en la prueba de densidad aparente.  INDICE DE HAUSNER Es un valor relacionado con la fluidez de un polvo pero que toma en cuenta la densidad aparente y la densidad compactada. Su fórmula es: IH = Densidad Compactada/ Densidad Aparente. INTERPRETACION DEL INDICE DE HAUSNER INDICE DE HAUSNER FLUIDEZ 1.09-1.10 Excelente 1.10-1.14 Muy Buena 1.14-1.19 Buena 1.19-1.25 Regular >1.25 Pobre  COMPRESIBILIDAD El término compresibilidad se refiere a la propiedad de las sustancias polvosas para compactarse. Se calcula por medio del índice de compresibilidad: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 − 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 %𝐶 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 33