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Galenische Prüfungen - Teil 2

In zwei Teilen möchten wir Ihnen eine bunte Palette von ausgewählten galenischen Prüfungen vorstellen. Nachdem wir uns in der vorigen Ausgabe bereits mit Prüfungen für feste Arzneimittel wie Tabletten und Kapseln beschäftigt haben, widmet sich dieser zweite Teil den Prüfungen für flüssige Arzneiformen, wie z. B. Augentropfen oder Injektionslösungen. Während bei festen Arzneimitteln einige Parameter wie beispielsweise Bruchfestigkeit, Zerfallszeit oder Friabilität mechanisch bestimmt werden, so kann bei flüssigen Arzneimitteln ein erheblicher Prüfumfang schon optisch bewerkstelligt werden. Zum einen geben Färbung und Trübung Auskunft über mögliche Verunreinigungen in den Lösungen. Zum anderen geben Parameter wie Brechungsindex – hier machen wir einen Abstecher in die Optik –, Dichte und pH-Wert unter anderem Aufschluss darüber, ob sich das flüssige Arzneimittel während der Lagerung im Rahmen von Stabilitätsprüfungen verändert hat.

Klarheit und Opaleszenz

Opaleszenz bewirkt, dass Flüssigkeiten nicht mehr als klar erscheinen, sondern eine Trübung aufweisen. Dabei wird die Trübung durch ungelöste Substanzen in der Flüssigkeit verursacht, die das Licht streuen oder absorbieren. Auftreffende Lichtstrahlen können daher die Flüssigkeit nicht ungehindert durchdringen.
Die Prüfung der Klarheit und Opaleszenz von Flüssigkeiten ist ein wichtiger Reinheitsparameter, mit dem schwerlösliche Verunreinigungen bis hinab in den Spurenbereich bestimmt werden können. Gemäß Arzneibuch ist die Prüfung als Vergleich der zu prüfenden Flüssigkeit mit einem Trübungsstandard durchzuführen. Aufgrund seiner Eigenschaften hat sich polymeres Formazin als Medium für den Trübungsstandard durchgesetzt, obwohl aufgrund der Toxizität der Lösung immer wieder nach Alternativen gesucht wird. Während andere Flüssigkeiten teils stark unterschiedliche Trübungseindrücke liefern – je nachdem in welchen Winkel das Licht durch die Flüssigkeit fällt – zeigt Formazin eine recht gleichmäßige Lichtstreuung, unabhängig davon, ob die Streuung in der Durchsicht (0°-Winkel im Vergleich zur eintretenden Lichtstrahlung) oder das Streulicht (90°-Winkel im Vergleich zur eintretenden Lichtstrahlung) beurteilt wird.
Der Formazin-Standard ist kommerziell als Lösung erhältlich oder kann aus Hydrazinsulfat und Methenamin selbst hergestellt werden. Formazin setzt sich aus unterschiedlich langen kettenförmigen Polymeren zusammen, die sich zufällig räumlich miteinander vernetzen. Somit entstehen unterschiedlichste Variationen an Partikeln in Bezug auf Größe und Form und das sind beste Voraussetzungen, um als Vergleich für die potentiell ebenfalls unterschiedlichsten Partikel in der Prüfflüssigkeit herzuhalten. Für einen visuellen Vergleich mit Prüflösungen wird der Formazin-Standard in unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt. Standards und Prüfflüssigkeiten werden dann in Neßler-Zylinder (genau genormte farblose Glaszylinder mit flachem Boden) gefüllt und in Durchsicht gegen einen dunklen Untergrund visuell vergleichend beurteilt. Um die Lichtstreuung und die Eignung der Lösungen beurteilen zu können, müssen sich Wasser und zwei der verdünnten Formazin-Standards optisch voneinander unterscheiden lassen. Als „klar“ wird eine Flüssigkeit bezeichnet, wenn die Trübung nicht stärker als bei Wasser oder der schwächsten Verdünnung des Formazin-Standards ist.

Färbung

Ebenso wie die Trübung kann auch die Färbung von Flüssigkeiten als unspezifische Reinheitsprüfung herangezogen werden, mit der beispielsweise oxidativ entstandene Abbauprodukte in Lösungen während der Stabilitätsprüfung erfasst werden können. Da sich Farben zwar benennen lassen, jeder Mensch aber eine andere Farbempfindung besitzt, sind im Arzneibuch die Farbstammlösungen Rot, Blau und Gelb festgelegt. Diese Lösungen sind kommerziell erhältlich. Werden sie selbst hergestellt, wird anschließend die exakte Zusammensetzung durch Titration der Lösungen überprüft. Aus den Stammlösungen von Cobalt(II-)-chlorid (rot), Kupfer(II)-sulfat (blau) und Eisen(III)-chlorid (gelb) werden durch Mischen in unterschiedlicher Zusammensetzung die Farblösungen B (braun), BG (bräunlich gelb), G (gelb), GG (grünlich gelb) und R (rot) hergestellt. Diese Lösungen werden wiederum in unterschiedliche Konzentrationen weiterverdünnt. Alle Verdünnungsschritte erfolgen mit verdünnter Salzsäure, da die Gelbfärbung der Eisen(III)-chlorid-Ionen pH-abhängig ist. Damit Unterschiede in der Färbung überhaupt wahrgenommen werden können, sind die Lösungen, sowohl die Prüfflüssigkeit als auch die Farblösungen, stark verdünnt einzusetzen. Die Prüfung erfolgt ähnlich der Prüfung auf Klarheit und Opaleszenz: Die Lösungen werden in Neßler-Zylinder gefüllt und in Durchsicht gegen einen weißen Untergrund vergleichend visuell beurteilt. Als „farblos“ werden so Flüssigkeiten bezeichnet, die das Aussehen von Wasser aufweisen oder keine stärkere Färbung zeigen, als die am schwächsten gefärbte Farblösung Braun.

pH-Wert

Der saure oder alkalische (basische) Charakter einer wässrigen Lösung wird durch den pH-Wert ausgedrückt. Der pH-Wert ist definiert als negativer dekadischer Logarithmus der Aktivität bzw. Konzentration der Hydroxonium-Ionen (H3O+-Ionen) und wird in einer Skala von 0 bis 14 dargestellt. Da sich die Aktivität der Hydroxonium-Ionen mit steigender Temperatur ändert (typischerweise steigt sie an), wird der pH-Wert meist zwischen 20°C und 25°C bestimmt.
Im Labor wird der pH-Wert potentiometrisch mit Hilfe eines pH-Meters gemessen. Das Messprinzip beruht darauf, dass zwei Elektroden in die wässrige Lösung eintauchen und die durch die Wanderung der Hydroxonium-Ionen verursachte Potentialdifferenz gemessen wird. Während eine der Elektroden für die Hydroxonium-Ionen empfindlich ist (z.B. Glaselektrode), dient die andere Elektrode als Bezugselektrode (z.B. Silber/Silberchlorid-Elektrode). Beide Elektroden sind oft als kombinierte Elektroden in einer Messkette zusammengefasst, in die zusätzlich noch ein Temperatursensor integriert ist.
Das pH-Meter wird mit mindestens zwei unterschiedlichen Pufferlösungen justiert und dann eine Kalibriergerade ermittelt. Die Kalibriergerade ist definiert durch die Steigung (wird ermittelt durch die Spannungsdifferenz zwischen Pufferlösungen unterschiedlicher pH-Werte: -59 mV/pH bei 25°C) und die Asymmetrie (Nullpunkt von pH 7,0: 0 mV). Üblicherweise werden für die Kalibrierung kommerziell erhältliche Pufferlösungen verwendet, alternativ ist die Herstellung von Pufferlösungen im Arzneibuch beschrieben.
Je nach Art des erhaltenen Arzneimittels ist ein spezieller pH-Bereich für die Dosierung sehr wichtig. So sollten Augentropfen beispielsweise einen pH-Wert zwischen 7,1 und 7,5 aufweisen, um dem pH-Wert des Auges möglichst nahe zu kommen. Dazu werden häufig Puffersysteme eingesetzt, die leichte saure oder alkalische Änderungen ausgleichen können und so den pH-Wert stabil halten.

(Relative) Dichte

Die Dichte ρ ist als Quotient aus Masse und Volumen definiert und wird üblicherweise in g/cm³ bzw. g/ml angegeben (absolute Dichte). Da die Dichte temperaturabhängig ist, muss immer dann, wenn die Dichte als Stoffkonstante angegeben ist, die zugehörige Temperatur mit angegeben werden. Meist wird die Dichte bei 20°C angegeben.
Im Arzneibuch ist dagegen die relative Dichte d beschrieben. Die relative Dichte d ist das Verhältnis der Dichte der Flüssigkeit gegenüber der Dichte von Wasser bei 20°C. Damit hat die relative Dichte keine Einheit und wird als dimensionslose Zahl angegeben. Sie wird häufig auch als d ausgedrückt – die Dichte im Verhältnis von Wasser bei 4°C – der Temperatur mit der kleinsten Ausdehnung und somit größten Dichte von Wasser.
In der Pharmaanalytik haben sich in Bezug auf die Dichtebestimmung Pyknometer und Biegeschwinger durchgesetzt.
Ein Pyknometer ist ein Glaskolben, dessen Glasstopfen von einer Kapillare durchzogen ist. Falls das Volumen des Pyknometers nicht durch Eichung genau bekannt ist, kann das Füllvolumen auch bestimmt werden. Dazu wird das trockene Pyknometer zuerst leer gewogen und anschließend mit einer Flüssigkeit bekannter Dichte – hier wird meist Wasser verwendet – gefüllt, im Wasserbad temperiert und anschließend gewogen. Aus der bekannten Dichte der Flüssigkeit und der Massendifferenz des gefüllten und leeren Pyknometers lässt sich das Volumen berechnen. Nun wird das Pyknometer mit der zu prüfenden Flüssigkeit gefüllt, abermals temperiert, gewogen und die Dichte der Flüssigkeit berechnet. Um das Ergebnis nicht zu verfälschen, ist es wichtig, die Temperierung genau einzuhalten und darauf zu achten, dass das Pyknometer exakt gefüllt ist: Es dürfen sich keine Luftblasen in der Flüssigkeit befinden und es muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die durch den Kapillarstopfen ablaufende überschüssige Flüssigkeit an der Außenwand des Pyknometers sorgfältig abgewischt wird.
Laut Arzneibuch muss bei der Wägung der Luftauftrieb nicht berücksichtigt werden. Durch die Vernachlässigung des Luftauftriebs ergibt sich ein systematischer Fehler an der 3. Nachkommastelle. Alternativ lässt sich die Dichte auch mit einem digitalen Densimeter mit Schwingungswandler, beispielsweise mit einem Biegeschwinger bestimmen.
Hierbei wird die Flüssigkeit in ein U-Rohr gefüllt und temperiert. Das U-Rohr wird durch einen Elektromagneten in Schwingung versetzt und die Dauer einer Schwingung gemessen. Die Schwingungsdauer ändert sich, je nach Masse der eingefüllten Flüssigkeit: Je größer die Masse einer Flüssigkeit ist, desto länger benötigt eine Schwingung. Da die Geräteparameter (Innenvolumen des Rohrs und Schwingungskonstante) gleichbleiben, ist die Schwingungsdauer somit nur von der Masse der Flüssigkeit abhängig. Anhand einer Kalibriergeraden (unter Einsatz von Substanzen bekannter Dichte, meist Luft und Wasser) lässt sich die Dichte der Flüssigkeit dann berechnen. Exakte Dichtemessungen von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität sind nach dieser Methode etwas problematisch, da durch die Viskosität der Flüssigkeit das Schwingungsverhalten des Biegeschwingers gedämpft wird und somit eine höhere Dichte als die tatsächliche angezeigt wird. Vorteilhaft an der Dichtebestimmung mittels Biegeschwinger sind die recht einfache und schnelle Handhabung und der Einsatz geringer Probenvolumina von einem bis zwei Millilitern pro Bestimmung.

Brechungsindex

Ebenso wie die Dichte beschreibt der Brechungsindex (auch Brechzahl genannt) eine charakteristische Eigenschaft von Flüssigkeiten.
Beim Übertritt von einem optisch dünneren Medium (z. B. Luft) in ein optisch dickeres Medium (z. B. Wasser) wird bei auftreffenden Lichtstrahlen ein Teil im gleichen Winkel reflektiert und der andere Teil zum Lot hin gebrochen (Refraktion), d.h. die Lichtstrahlen verändern ihre Richtung. Der Brechungsindex beschreibt nun das Verhältnis von Sinus des Einfallswinkels eines Lichtstrahls im optisch dünneren Medium (sin α) zum Sinus des gebrochenen Lichtstrahls im optisch dickeren Medium (sin β) – Abbildung links. Dieses Gesetz der Optik macht man sich bei der Bestimmung des Brechungsindex von Flüssigkeiten mittels Refraktometer zunutze. Hierbei wird typischerweise der Grenzwinkel der Totalreflektion bestimmt. Wenn beim Übergang der Lichtstrahlen von einem optisch dickeren Medium (z. B. Glasprisma) in ein optisch dünneres Medium (z. B. Flüssigkeit) der Einfallswinkel entsprechend groß ist, verlaufen die gebrochenen Lichtstrahlen an der Grenzfläche entlang – der Winkel im optisch dünneren Medium beträgt somit 90° (sin 90° = 1) – und die Lichtstrahlen treten dadurch nicht in das optisch dünnere Medium ein. Es erfolgt nur von einem Teil der Lichtstrahlen eine Reflektion ins optisch dickere Medium (Totalreflektion an der Grenzfläche).
Beim Abbé-Refraktometer erfolgt eine präzise Bestimmung des Grenzwinkels, indem eine dünne Flüssigkeitsschicht zwischen zwei Prismen aufgetragen wird. Da die Lichtbrechung nicht konstant ist, sondern stark von der Temperatur und der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängt, werden die Prismen auf die gewünschte Temperatur – üblicherweise 20°C – temperiert. Als Wellenlänge wird sich auf die Natrium-D-Linie (589 nm) bezogen, wobei meist weißes Licht im Beleuchtungsprisma verwendet wird und die D-Linie des Natriumlichts über einen optischen Filter herausgefiltert wird.
Während beim Digitalrefraktometer der Brechungsindex optoelektronisch bestimmt wird, muss beim Abbé-Refraktometer das Fadenkreuz am Okular eingestellt werden (schwarzer Bereich entspricht hierbei dem Grenzwinkel der Totalreflektion) und anschließend wird an der Skala der Brechungsindex abgelesen. Zusätzlich zur Skala für den Brechungsindex verfügen manche Geräte auch über eine Oechsle-Skala. Diese dient zur Zuckergehaltsbestimmung in Wein. Das gleiche Prinzip wird ebenfalls eingesetzt, um den Wassergehalt in Honig zu bestimmen.