18.637 J. Phys. Chem. B 2005, 109, 18.63718.644
Stabilitas fisik dan relaksasi dari amorf Indometasin
Sergey Vyazovkin * dan Ion Dranca Departemen Kimia, Universitas Alabama di Birmingham, 901 South 14th Street, Birmingham, Alabama 35.294
diterima: 5 Juni 2005; Dalam Final Form: 15 Agustus
2005R dan relaxation proses di indometasin amorf telah dipelajari dengan menggunakan diferensial scanning
kalorimetri. process telah terdeteksi sebagai puncak endotermik kecil yang muncul sebelum kaca langkah
transisi ketika pemanasan sampel sebelumnya anil di wilayah suhu 20 sampai 5 ° C. Energi aktivasi dari
process adalah ~57 kJ mol1, dan menunjukkan peningkatan dengan meningkatnya suhu saat mendekati
wilayah transisi kaca. Di wilayah transisi kaca, energi aktivasi yang efektif relaksasi menurun dengan
meningkatnya suhu 320160 kJ mol1. Pengukuran kapasitas panas telah memungkinkan untuk evaluasi wilayah
kooperatif menata ulang dalam hal ukuran linear (3,4 nm) dan jumlah molekul (90). relaxation memudar di
bawah 30 ° C, yang menyediakan perkiraan praktis untuk batas suhu yang lebih rendah dari ketidakstabilan
fisik dalam indometasin. Hal ini ditunjukkan secara eksperimental bahwa nukleasi indometasin terjadi di
wilayah suhu relaxation tersebut.
Pendahuluan
Mendapatkan farmasi kristal dalam bentuk amorf dalam kasus tertentu menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam bioavailabilitas. Masalah mendasar terkait dengan obat amorf padat adalah bahwa mereka secara inheren tidak stabil karena drive termodinamika yang kuat terhadap kristalisasi. Banyak studi telah peduli dengan mengevaluasi stabilitas fisik obat amorf. Sebagian besar penelitian ini telah difokuskan pada dinamika transisi kaca (Rrelaksasi), karena ini adalah proses yang pada pemanasan yang mengubah sistem amorf dari rendah ke negaramobilitas tinggi, di mana kristalisasi terjadi sangat cepat. Hal ini diketahui bahwa mobilitas molekul yang terkait dengan Rrelaksasi memudar dengan cepat karena suhu turun di bawah suhu transisi kaca, T
g.
Namun demikian, kristalisasi lambat cin indometha telah dilaporkan oleh beberapa workers14 pada temperatur
Gambar 1. Skema representasi dari ketergantungan suhu untuk waktu relaksasi (A) dan energi aktivasi yang efektif (B). (A) Rproses berikut ketergantungan VTF / WLF, dan process mengikuti ketergantungan Arrhenius. (B) Garis putusputus menunjukkan tren yang ideal diprediksi oleh VTF / WLF (Rproses) dan Arrhenius (process) persamaan; poin mewakili variasi aktual yang menyimpang dari rendah ideal sebagai 20 ° C, yaitu sekitar 25 ° C di bawah masingmasing T g
ketika mendekati wilayah R campuran (area menetas). nilai. Di sisi lain, relaksasi di indometasin amorf masih terdeteksi sebanyak 47 ° C di bawah T
g
0,5 Tampaknya umumnya berpikir bahwa pada suhu 50 ° C di bawah T
g,
ferential scanning kalorimetri (DSC) juga dapat digunakan untuk menyelidiki relaxations, seperti yang ditunjukkan untuk berbagai macam polymers.12 mobilitas molekul boleh terlalu diabaikan untuk menimbulkan
Namun, DSC digunakan untuk tujuan ini lebih jarang daripada relaksasi lainnya yang signifikan dan, karena itu, kristalisasi. Ini adalah
teknik seperti spectroscopy.13,14 mekanik dan dielectric tentu benar untuk Rrelaksasi yang membutuhkan koperasi
Hal ini sebagian karena efek termal masing adalah gerak kecil beberapa molekul dan karena itu memiliki energi yang besar
dan sulit untuk mendeteksi di regular DSC berjalan. Efek yang ditingkatkan penghalang untuk itu. Namun, gerak nonkooperatif lokal memiliki
entalpi. Pada pemanasan, entalpi hilang pulih dalam bentuk puncak anil endotermik yang muncul sebelum utama langkah transisi kaca. Efek ini awalnya ditemukan oleh Illers15 di pemanasan sampel polimer anil pada temperatur di bawah T g
disebut process.7 JohariGoldstein
Meskipun pentingnya mobilitas suhu rendah telah ditekankan, 5,8 telah ada sedikit studi yang sistematis berkaitan dengan mendeteksi relaxations dan mengukur kinetika mereka dalam gelas farmasi. Beberapa pekerjaan penting di daerah itu baru baru ini dimulai dengan menggunakan teknik dirangsang termal depolarisasi saat ini (TSDC) 0,911 dif
10.1021 / jp052985i CCC: $ 30.25 © 2005 American Chemical Society Ditampilkan di Web
2005/09/13.Entalpi terkait dengan peningkatan puncak anil dengan meningkatnya waktu anil. Penggunaan kali anil panjang (hingga 500 jam) yang digagas Chen16 dalam studi ekstensif tentang subT
g
relaksasi dari logam dan gelas anorganik. Kali anil dapat dikurangi menjadi kurang dari 1 jam dengan pendingin cairan di tingkat pendinginan yang sangat cepat yang menghasilkan fase kaca, yang selanjutnya dihapus dari keseimbangan dan, karena itu, melemaskan pada tingkat yang jauh lebih cepat. Pendekatan ini dilakukan oleh Bershtein dan Egorov12 dalam pekerjaan mereka pada polimer.
* Untuk siapa korespondensi harus ditangani. Email: vyazovkin@uab.edu.
Chen serta Bershtein dan Egorov tiba pada kesimpulan bahwa puncak anil berhubungan dengan relaksasi parsial
dari negara kaca yang terjadi melalui gerakan nonkooperatif lokal atau process tersebut. Relaksasi ini mewakili unfreezing bagian lebih cepat dari distribusi waktu relaksasi secara keseluruhan, bagian lebih lambat dari yang merupakan Rproses kooperatif. Sebuah asal molekul umum dari R dan relaxation proses telah dianjurkan secara luas di literature.7,12,1719 Walaupun kedua proses berkontribusi relaksasi fase kaca, kontribusi masingmasing berubah dengan suhu (Gambar 1A). Di sisi suhu yang lebih tinggi dari daerah transisi gelas, relaksasi didorong terutama oleh Rproses kooperatif, yang waktu biasanya relaksasi mematuhi ketergantungan suhu nonArrhenius seperti yang diberikan oleh VogelTamman Fulcher (VTF) dan / atau WilliamsLandelFerry (WLF) tions.7 equa pada temperatur di bawah T
g,
relaksasi terjadi melalui process nonkooperatif, waktu relaksasi yang dem onstrates suhu ketergantungan Arrhenius. Karena ketergantungan suhu kontribusi relatif dari R dan process, energi aktivasi yang efektif relaksasi didefinisikan sebagai
juga menunjukkan ketergantungan suhu karakteristik (poin pada Gambar 1B). Jenis ketergantungan pada awalnya diprediksi oleh Fox dan Flory, 20 dan agak kemudian diamati secara eksperimen oleh McLoughlin dan Tobolsky.21
Dari sudut pandang stabilitas fisik farmasi amorf, salah satu akan menjadi sebagian besar tertarik dengan penuaan fisik yang terjadi pada temperatur di bawah T
g,
yaitu, di wilayah di mana relaksasi adalah baik didominasi atau secara eksklusif didorong oleh process tersebut. Nemilov dan Johari22 barubaru ini membahas pentingnya process dalam jangka panjang sub T
g
penuaan, dan secara khusus menekankan bahwa proses terakhir memiliki energi aktivasi yang lebih rendah dan terjadi secara signifikan lebih cepat dari yang diperkirakan dari kinetika Rrelaksasi. Untuk alasan ini, studi Rrelaksasi dapat memberikan wawasan yang sangat terbatas ke dalam masalah stabilitas farmasi amorf. Dalam tulisan ini, kita menggunakan DSC untuk mendeteksi process, untuk menentukan variasi suhu di energi aktivasi yang efektif melaluikeluar dan proses Rrelaksasi, dan untuk mengevaluasi ukuran daerah kooperatif menata ulang pada transisi kaca di indometasin. Yang terakhir ini telah dipilih sebagai senyawa model karena telah dipelajari secara ekstensif, dan karena itu, banyak data tentang sifat fisik dan perilaku termal yang tersedia dalam literatur. Secara khusus, process di indometasin barubaru ini telah terdeteksi di suhu rendah TSDC studies.9 Meskipun dielectric23,24 dan mechanical25 spec troscopy juga telah diterapkan untuk relaksasi indometasin, penelitian telah difokuskan pada daerah temperatur R relaksasi, dan process belum dilaporkan. Untuk yang terbaik dari pengetahuan kita, kertas ini memberikan laporan pertama pada penerapan DSC untuk belajar relaxation dalam gelas farmasi.
Eksperimental Bagian
18.638 J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 39, 2005 Vyazovkin dan Dranca
E) R
d ln dT
τ
1(1)
wilayah suhu diuji dengan memanaskan sampel 30 sampai 180 ° C pada 20 ° C min1 dalam MettlerToledo TGA / SDTA851e thermobalance yang tidak mendeteksi kehilangan massa yang cukup dalam sampel meleleh.
Untuk transisi kaca (Rrelaksasi) studi, sampel kaca indometasin dipanaskan untuk ~ 40 ° C di atas suhu transisi gelas mereka dan diadakan pada suhu ini selama 10 menit untuk menghapus sejarah termal. Sampel kemudian didinginkan sampai ~ 40 ° C di bawah suhu transisi gelas pada tingkat 10, 15, 20, 25, dan 30 ° C min1. Segera setelah selesai segmen pendinginan, sampel dipanaskan pada tingkat dengan nilai absolut sama dengan laju pendinginan sebelumnya.
Untuk anil (relaxation) pengukuran, sampel dipadamkan dalam nitrogen cair dengan cepat dipindahkan dari itu ke dalam sel DSC dipertahankan pada 40 ° C. Setelah periode singkat stabilisasi pada suhu ini, sampel dipanaskan ke suhu anil, T,
dan diadakan di selama 30 atau 180 menit. Suhu anil adalah 30, 20, 10, 0, 5, 10, dan 20 ° C. Setelah selesai segmen anil, kami didinginkan sampel untuk 40 ° C dan segera dipanaskan mereka di atas T
g.
Tingkat pemanasan adalah 10, 15, 20, 25, dan 30 ° C min1. Kapasitas panas diukur pada sampel ~27 mg dengan menggunakan prosedur standar yang tepat untuk 1% 0,26 Sampel safir dari 41,48 mg digunakan sebagai calibrant tersebut. Program suhu yang digunakan untuk pengukuran kapasitas panas yang terlibat 5 menit dari isotermal ditahan pada 0 ° C, diikuti dengan pemanasan pada 10 ° C min1 sampai 90 ° C, dan 5 menit lagi terus isotermal pada suhu akhir. Semua pengukuran tersebut kita dilakukan dengan menggunakan MettlerToledo fluks panas DSC 822e dalam suasana aliran nitrogen (80 mL min1). The temper K arakteristik dan aliran panas kalibrasi dilakukan dengan menggunakan standar indium. Anil jangka panjang dilakukan dalam dua freezer, terus pada 5 dan 10 ° C. Meleleh, sampel padam (~ 10 mg) disegel di 40 uL Al panci, ditempatkan di freezer, dan anil sana selama kurang lebih 1 bulan. Selama periode ini, beberapa sampel telah dihapus dan dikenakan scan pemanasan DSC. Untuk menghindari pemanasan yang signifikan atas suhu anil, kita cepat ditransfer sampel dari freezer ke nitrogen cair, dari mana mereka dipindahkan langsung ke sel DSC yang pradidinginkan sampai 40 ° C. Setelah beberapa saat singkat equilibrium pada suhu ini, sampel dipanaskan pada suhu 10 ° C min1 0200 ° C.
Hasil dan Diskusi
Kaca Transisi atau rRelaksasi. Dalam DSC, transisi kaca muncul sebagai langkah kapasitas panas. (Gambar 2). Peningkatan q laju pemanasan menyebabkan langkah ini bergeser ke suhu yang lebih tinggi. Efek ini digunakan dalam metode populer dengan Moynihan et al.27 untuk mengevaluasi energi aktivasi yang efektif, E, dari kemiringan q ln vs T g
1 plot. Dalam karya asli mereka, Moynihan et al.27 menggunakan tiga perkiraan yang berbeda dari T
g
(onset ekstrapolasi, titik belok, dan maksimum overshoot entalpi), dan tidak mengamati perbedaan yang signifikan dalam E. Namun, nilai E paling sering dievaluasi dengan hanya menggunakan satu perkiraan T
g,
seperti Ttitik tengah g
atau suhu fiktif membatasi. Yang dihasilkan nilai E tunggal maka umumnya diganti dalam model Tool28Naraya naswamy29Moynihan30,31 (TNM), yang mencakup tiga parameter lebih pas (faktor preexponential, parameter earity nonlin, dan eksponen peregangan). Sebuah limitation32,33 besar model TNM adalah bahwa ia memprediksi suhu ketergantungan Arrhenius untuk waktu relaksasi dari cairan yang bertentangan dengan VTF biasanya diamati dan / atau WLF depend
Gambar 2. kurva DSC diperoleh dari pemanasan indometasin pada 10 ° C min1 segera setelah pendinginan ( “tidak ada penuaan”) dan setelah anil selama 180 menit pada temperatur yang berbeda, lokasi efek anil. Titik tengah T
g a.
adalah Arrows ~46 menunjukkan ° C untuk sampel nonusia. encies. Akibatnya, Kovacs et al.32 menekankan bahwa penerapan model TNM terbatas “hanya untuk sistem di mana viskositas mematuhi ketergantungan Arrhenius dalam dan di atas kisaran transisi kaca”. Sistem seperti kemudian dikenal sebagai cairan pembentuk kaca yang kuat yang bertentangan dengan cairan rapuh yang menunjukkan VTF yang / WLF behavior.34 Tingkat penyimpangan dari perilaku Arrhenius ditandai dengan kerapuhan dinamis, m. Asli bekerja dengan Moynihan et al.27 melaporkan nilai E untuk B
2 O 3 dan As 2 Se 3,
yang kerapuhan dinamis, masingmasing, 3235 dan 37,36 ini memenuhi syarat cairan masingmasing sebagai yang sangat kuat, yang menjelaskan mengapa ada variasi yang signifikan dalam energi aktivasi diamati ketika menggunakan tiga definisi yang berbeda dari T
g.
Di sisi lain, untuk transisi gelas sorbitol (m) 9335), Angell et al.37 memperoleh E secara signifikan lebih besar ketika T
g
ditentukan sebagai suhu awal daripada ketika T g
diperkirakan sebagai suhu puncak kapasitas panas . Efek yang sama dilaporkan oleh Hancock et al.38 untuk sejumlah gelas farmasi. Perhatikan bahwa aplikasi dari model TNM dengan paksakonstan nilai E cenderung demonstrate3942 ketergantungan suhu parameter stretch eksponen untuk sistem yang rapuh yang mungkin menjadi bentuk manifestasi dari variasi dalam energi aktivasi yang efektif.
Barubaru ini kami reported43 pada korelasi antara kerapuhan dinamis dan variabilitas dalam E untuk transisi kaca. Untuk dapat mendeteksi efek ini, kita proposed43,44 menggunakan method.45,46 isoconversional canggih Dibandingkan dengan metode populer oleh Flynn dan Wall47 dan dengan Ozawa, 48 metode ini memiliki dua keuntungan penting. Pertama, dapat mengobati kinetika yang terjadi dalam variasi suhu sewenangwenang, T (t), yang memungkinkan untuk akuntansi diri pemanasan / pendinginan. Untuk satu set n percobaan yang dilakukan melalui program pemanasan yang berbeda, T
i
(t), energi aktivasi dievaluasi setiap R diberikan dengan mencari E R,
yang meminimalkan fungsi
(E
Φ
R))
n Σ
ni) 1 j * i Σ
R)]
J [E
R,T
j(t
R)]
(2)
di mana
J [E
R,T
i(t
R)]≡
t ∫
R t R ΔR
exp
[RT
E
i (t)
R]
dt (3)
keuntungan kedua berasal dari integrasi numerik lebih wilayah waktu kecil (eq 3), yang menghilangkansistematis Stabilitasdan relaksasi dari amorf Indometasin J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 39, 2005 18.639
Gambar 3. Variasi energi aktivasi untuk Rrelaksasi dengan tingkat relaksasi. error46 diproduksi oleh Flynn dan metode Dinding dan Ozawa ketika E R
bervariasi secara luas dengan R. Dalam eq 3, R bervariasi dari ΔR ke 1 ΔR dengan langkah ΔR) m1, di mana m adalah jumlah interval yang dipilih untuk analisis. J integral dalam eq 3 diperkirakan numerik dengan menggunakan aturan trapesium. Minimalisasi dilakukan iterasi untuk setiap R untuk membangun ketergantungan E
R
pada R. Konversi R ditentukan dari data DSC (Gambar 2) sebagai capacity49 panas dinormalisasi sebagai berikut
C
p mana C p
N)
pe p
C
pg)
|
TC pg)
|
T
R (4)
≡
adalah kapasitas panas saat ini, dan C pg
dan C pe
adalah kapasitas panas kaca dan keseimbangan, masingmasing. Sebagai nilainilai C
pg danC pe
bergantung pada suhu, mereka perlu diekstrapolasi ke daerah suhu transisi kaca. Dengan menerapkan metode isoconversional ke R vs T data untuk tingkat pemanasan yang berbeda, kita memperoleh E
R
ketergantunganditunjukkan pada Gambar 3. Energi aktivasi efektif menurun 320160 kJ mol1. Penurunan E dengan transisi dari kaca ke keadaan cair juga telah dilaporkan oleh Hancock et al., 38 yang diperkirakan E untuk onset, titik tengah, dan offset transisi, dan memperoleh nilainilai masingmasing 385, 263, dan 190 kJ mol1. Nilainilai tunggal E dilaporkan dalam literature5,9,50,51 span kisaran 180380 kJ mol1.
E R
vs R plot telah diubah menjadi E R
vs T plot dengan mengganti R dengan suhu yang diperkirakan sebagai ratarata suhu yang sesuai dengan R ini pada tingkat pemanasan yang berbeda. Plot yang dihasilkan disajikan pada Gambar 4. Penurunan energi aktivasi yang efektif dengan meningkatnya suhu khas untuk transisi kaca. Kami barubaru ini mengamati efek yang sama untuk polistiren dan polystyrene com posite44 serta untuk poli (etilena tereftalat) (PET) dan boron oksida (B
2 O 3)
0,43 Penurunan E telah found43 berkorelasi dengan kerapuhan dinamis gelas, menjadi yang terbesar untuk segelas rapuh (PET) dan terkecil untuk segelas kuat (B
2 O 3).
Indometasin memberikan kasus menengah menunjukkan 2 kali penurunan E per 10 ° C. Dalam PET penurunan lebih dari 2 kali per 7 ° C, dan B
kurang dari 1,5 kali per 57 ° C.43
Penurunan E dapat dijelaskan dalam hal gerakan molekuler koperasi. Fase kaca memiliki sejumlah kecil volume bebas yang memungkinkan hanya gerakan lokal (yaitu, process) (Gambar 5) yang bertahan di bawah kaca transisi temper K arakteristik. Dengan meningkatnya suhu dan pendekatan wilayah transisi kaca, gerak molekul menjadi lebih intens, dan volume bebas meningkat, memulai Rproses.ini
Prosesmembutuhkan gelar besar kooperatititas antara molekul, yang menimbulkan penghalang energi yang besar diwakili oleh nilai besar E pada tahap awal transisi (Angka 1B dan 4). Sebagai volume bebas tumbuh dengan peningkatan K arakteristik temper, kemasan molekul menjadi lebih longgar, yang memungkinkan molekul untuk bersantai lebih mandiri (yaitu, dengan tingkat yang lebih kecil dari kooperatititas). Akibatnya, kendala energik bersantai, dan energi aktivasi yang efektif tetes. Perhatikan bahwa jatuhnya E konsisten dengan baik WLF dan persamaan VTF (Gambar 1B). Penurunan juga diprediksi oleh equation52 AdamGibbs
di mana k B
adalah konstanta Boltzmann, Δμ adalah energi aktivasi per partikel, dan z * adalah jumlah partikel yang mengatur ulang kooperatif. Dalam eq 5, z * berbanding terbalik dengan entropi configurational yang naik dengan T, sehingga baik * z dan energi aktivasi yang efektif (yaitu, z * Δμ) menurun dengan meningkatnya T.
Gambar 4. Variasi dari energi aktivasi untuk R dan relaxation proses dengan suhu ratarata proses. Angka dengan poin mewakili suhu anil. Garis putusputus menunjukkan nilai energi aktivasi untuk relaxation sesuai dengan korelasi E) 24RT
g.
Gambar 5. presentasi Skema dari Rproses kooperatif dan process nonkooperatif terjadi di wilayah kooperatif menata ulang ukuran. Daerah terbuka di tengahtengah merupakan pulau mobilitas.
18.640 J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 39, 2005 Vyazovkin dan Dranca
Gambar 6. Suhu ketergantungan kapasitas panas untuk cin indometha. Kapasitas panas pada transisi kaca (319 K) perubahan 1,191,56 J K1 g1. AT ditentukan sebagai interval suhu di mana C
p
perubahan 1684% dari total ΔC
p.
Ukuran Kooperatif menata ulang Daerah. Kacamata adalah sistem heterogen yang ditandai dengan kepadatan tions fluctua. Daerah yang lebih rendahdensity membentuk pulaupulau peningkatan mobilitas atau begitucalled7 Glarum cacat yang, dalam bentuk yang paling sederhana, yang holes.53 Menurut Donth, 7 jarak ratarata antara pulaupulau mobilitas,, ditentukan oleh volume kooperatif menata ulang wilayah, V
R,
yang dapat diperkirakan dari data kalorimetrik sebagai 3
V
≡
R)
k
BT
F (AT) g
2
Δ (C
V
di mana F adalah densitas (1,31 g cm3 untuk amorf indometha CIN3), AT adalah mean fluktuasi suhu, dan C V
Δ (C
V 2
adalah kapasitas panas isochoric. nilai Δ (C V
1) ditentukan sebagai mana C
Vg 1))
C
1 vg
C
1 Vl(7)
dan C Vl
masingmasing adalah, nilainilai dari kaca dan cair C V
diekstrapolasikan ke T g
(Gambar 6). Perbedaan antara kapasitas panas isobarik dan isochoric dapat diabaikan, 7 sehingga C
V
diganti dengan C p,
yang dapat diakses oleh pengukuran kalorimetrik. Hempel et al.54 menunjukkan bahwa seseorang dapat menjelaskan perbedaan sebagai berikut
Δ (C
V 1))
(0,74 (0,22) Δ (C
p 1)
(8)
Untuk transisi kaca diukur pada pemanasan sampel, AT diperkirakan sebagai
AT)
AT 2.5
(9)
di mana AT adalah interval suhu di mana C p
) A exp
(z* Δμ
k
B)
1684% dari total ΔC p
54 (Gambar 6).
(5)
Gambar 6 menunjukkan C p
langkah pada T
g dibandingkan kurva T yang ratarata T tiga pengukuran independen.Cyang diperoleh
p
Datasetuju sangat baik dengan measurements.8 sebelumnya Penerapan Persamaan 69 untuk C
p
data(Gambar 6) menghasilkan volume wilayah kooperatif menata ulang dari 40,5 Nm3. Panjang khas dari daerah kooperatif menata ulang (Gambar 5) atau jarak ratarata antara islands7 mobilitas diperkirakan) (V
R)
1/3 3.4 nm. Nilai ini sebanding dengan yang diperkirakan untuk sorbitol, 3,6 nm.54 Jumlah molekul yang terlibat diwilayah kooperatif menata ulang ditentukan oleh eq 107
di mana R adalah konstanta gas dan M) 357,8 g mol1 adalah berat molekul indometasin. Nilai yang dihasilkan adalah ~ 90 molekul. SubT
g
Annealing dan Relaxation. Selain keterbatasan tersebut, model TNM belum successful55,56 dalam menggambarkan anil pada suhu dapat tercapai bawah T
g.
Aplikasi kuantitatif umumnya terbatas pada ~ 20 ° C di bawah T g
0,57 Ini harus, bagaimanapun, disebutkan bahwa model TNM yang mampu memprediksi puncak anil, seperti yang ditunjukkan oleh Hodge dan Berens, 58 yang menerapkan model agar sesuai dengan proses Rrelaksasi utama bersamaan dengan puncak anil. Dalam prosedur mereka, mereka pertama kali diperkirakan energi aktivasi dan faktor preexponential untuk acara Rrelaksasi, dan kemudian bervariasi parameter nonlinier dan eksponen peregangan agar sesuai bersamaan kedua Rrelaksasi dan puncak anil. Prosedur ini tidak jelas memungkinkan untuk memperkirakan secara individual energi aktivasi untuk proses anil harus itu berbeda dari yang dari Rproses. Namun, itu known22 bahwa energi aktivasi untuk anil pada suhu jauh di bawah T
g
secara signifikan lebih kecil dari itu untuk Rproses. Hasil serupa diproduksi oleh Chen16 dan oleh Bershtein dan Egorov, 12 yang diusulkan untuk mengevaluasi energi aktivasi efektif anil dari pergeseran puncak anil dengan laju pemanasan sebagai berikut
di mana T p
adalah suhu puncak. Meskipun pendekatan ini telah digunakan secara luas oleh Chen et al. dan oleh Bershtein et al. dan menjadi rutinitas didirikan, harus diingat bahwa nilai T
umumnya tergantung pada sejarah termal dari kaca, sehingga nilai yang dihasilkan dari E merupakan koefisien suhu relaksasi yang mungkin tidak identik dengan aktivasi intrinsik energi. Di sisi lain, anil pada suhu jauh di bawah T
g
didominasi melemaskan bagian lebih cepat dari spektrum relaksasi terkait dengan process tersebut. Karena posisi plot Arrhenius untuk process ini known7 menjadi hampir independen dari variasi bebas volume, satu juga mungkin mengharapkan nilai E yang dihasilkan tidak menjadi sangat tergantung pada variasi dalam struktur kaca yang dihasilkan dari sejarah termal yang berbeda. Sebuah dukungan yang kuat untuk validitas metode berasal dari pekerjaan yang luas dengan Bershtein dan Egorov, yang demonstrated12 eksperimen untuk sejumlah polimer bahwa nilai E diperoleh eq 11 setuju juga dengan energi aktivasi relaxations sebagaimana ditentukan dari dinamis mekanik dan percobaan dielektrik. Sejak perjanjian yang baik juga dicapai dalam work44 kami sebelumnya pada sistem polystyrene, kami terus menerapkan metode ini dalam penelitian ini. Berbeda dengan Rrelaksasi yang membutuhkan gelar besar kooperatititas dari molekul di dekatnya, relaxation tersebut sebagai sociated dengan gerakan nonkooperatif lokal yang mudah dimulai di wilayah pulaupulau mobilitas (Gambar 5). relaxation adalah proses aktivasi termal, dan dapat dimulai hanya di atas suhu tertentu. Anil dari kaca di atas temperatur tersebut menyebabkan hilangnya entalpi yang dapat dipulihkan pada pemanasan ulang, dan biasanya terdeteksi dalam bentuk puncak endotermik yang luas dan dangkal yang dimulai segera muncul di atas T a.
Biasanya puncak anil mudah
Stabilitas dan relaksasi dari amorf Indometasin J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 39, 2005 18.641 1 N
R)
RT
M (AT)
gΔ (C
V)
(10)
E) R
2d ln q dT
p 1(11)
yang diperoleh anil sampel kaca di wilayah suhu ~0.8T g
dan lebih tinggi. Awalnya kami melakukan serangkaian 30 menit anil berjalan pada temperatur, T,
dari 30 sampai 20 ° C dalam 10 ° C bertahap. Puncak anil terdeteksi untuk T a)
20, 10, dan 0 ° C (Gambar 7). Meskipun puncak yang luas dan dangkal, mereka bisa langsung dikenali ketika membandingkan kurva DSC untuk sampel anil (Angka 2 dan 7) dengan bahwa untuk sampel nonusia (Gambar 2), yang menunjukkan dasar praktis lurus sebelum kaca langkah transisi.
Fakta bahwa puncak anil terdeteksi untuk interval yang agak sempit T yang
interval
lebih dari 40 ° C. Untuk meningkatkan efek, kami melakukan serangkaian 3 jam berjalan pada T a)
30, 5, 10, dan 20 ° C. Tidak ada puncak anil yang andal terdeteksi pada pemanasan sampel anil pada 30 ° C, yang menunjukkan bahwa di bawah suhu ini relaxation berhenti. Menentukan batas suhu rendah ini penting untuk mengevaluasi stabilitas fisik dari bahan kaca karena, menurut Struik, 59 penuaan tidak terjadi di bawah wilayah suhu relaxation tersebut.
Efek anil menjadi terlihat di sampel anil pada 5, 10, dan 20 ° C (Gambar 2). Untuk sampel anil pada 5 ° C, efek endotermik dangkal diamati pada tahap awal transisi kaca. Untuk sampel anil pada 10 ° C, salah satu bisa melihat defleksi endotermik yang sangat tumpang tindih dengan besar langkah transisi kaca, yang menjelaskan mengapa kita tidak bisa mendeteksi itu setelah anil selama 30 menit. Anil di T
a)
20 ° C tidak menghasilkan subT. g
efek Sebaliknya, kita amati peningkatan overshoot entalpi yang biasanya diamati dalam gelas berusia tidak jauh di bawah T
g.
Hasil tersebut menunjukkan bahwa pada indometasin, lokasi puncak anil sangat tergantung pada suhu pendinginan. Hal ini menunjukkan bahwa proses relaksasi yang mendasari memiliki energi activa tion efektif agak rendah.
Untuk mengevaluasi nilainilai E, kami menggunakan sampel anil pada 20, 10, dan 0 ° C. Nilainilai T p
telah ditentukan dari kurva DSC setelah mengurangkan garis pangkal lurus. Sampel anil pada T
a)
5 dan 10 ° C (Gambar 2) tidak dapat digunakan untuk evaluasi kinetik karena peristiwa anil yang sangat tumpang tindih dengan langkah transisi kaca, yang membuatnya hampir mustahil untuk menentukan nilainilai T p.
Gambar 7 memberikan contoh bagaimana puncak anil bergeser dengan suhu anil dan laju pemanasan. Plot ln q terhadap T
p
1 untuk setiap T yang
ditunjukkan pada Gambar 8. Hal ini terlihat (Gambar 8) bahwa plot yang linear, seperti khas relaxations, yang biasanya mematuhi hukum Arrhenius (cf., Gambar 1A) 0,7 pada suhu anil yang lebih rendah (20 dan 10 ° C), plot yang
Gambar 7. kurva DSC diperoleh dari pemanasan indometasin setelah anil selama 30 merupakan pemanasan menit pada pada temperatur yang berbeda, 20 ° C min 1; semua kurva lainnya T a.sesuai Kurva solid untuk 10 ° C min1. Panah menunjukkan lokasi puncak anil. Gambar 8. Mengevaluasi energi aktivasi (eq 11) untuk relaxation indometasin anil selama 30 menit pada suhu yang berbeda T
a.
praktis paralel, sehingga menimbulkan nilainilai masingmasing E) 56,5 dan 57,1 kJ mol1, sedangkan pada Tlebih yang
besar)0 ° C, nilai E agak lebih besar: 74,8 kJ mol1. Gambar 4 menyajikan ketergantungan dari energi aktivasi efektif dari asi relax pada suhu ratarata yang telah ditentukan sebagai mean dari T
nilaiuntuk tingkat pemanasan yang berbeda. Hasil yang diperoleh dalam perjanjian yang baik dengan data TSDC oleh Correira et al., 9 yang juga mengamati peningkatan E (6685 kJ mol1) untuk relaksasi sampel indometasin terpolarisasi pada 10 sampai 15 ° C.
Peningkatan E ditentukan dari puncak anil konsisten dengan ide asal molekul umum dan Rproses. Ketika kita mulai dengan memanaskan kaca pada suhu yang lebih rendah, kami mencairkan terutama bagian lebih cepat dari relaksasi distribusi waktu, yaitu, bagian yang terkait dengan gerak molekul lokal molekul individu yang yang bertanggung jawab untuk itu process (Gambar 5). Ketika suhu naik, gerakan lokal meningkat, terlibat molekul di dekatnya dalam gerakan koperasi bertanggung jawab untuk Rprosesproses yang berhubungan dengan bagian yang lebih lambat dari distribusi waktu relaksasi. Karena Rprocesss memiliki energi aktivasi nyata lebih besar, energi aktivasi efektif total untuk meningkat proses anil dengan meningkatnya suhu anil (lihat Gambar 1B). Hal ini jelas menunjukkan bahwa penggunaan suhu anil layak terendah akan menghasilkan perkiraan terdekat untuk energi aktivasi process tersebut. Itu berarti bahwa nilai kami ~57 kJ mol1 diperoleh pada T a)
20 ° C harus memberikan perkiraan yang wajar untuk relaxation di indometasin. Nilai ini setuju dengan baik dengan nilai 66 kJ mol1 diperoleh dengan Correira et al.9 dari data TSDC di mereka termurah T
a)
10 ° C. It also fits well into the empirical equation for the activation energy of the relaxation (E ) 24RT
g
) that was found by Kudlik et al.,60 and scrutinized extensively by Ngai and Capaccioli.61 For the experimental value of T
g
) 319 K (Figure 6), 24RT g
64 kJ mol1. ≈
Implications for Crystallization. The processes of relaxation drive a nonequilibrium glassy system toward the thermodynami cally stable crystalline state. Although crystallization should occur spontaneously below the melting point, the actual occur rence of the process in the glassy state is controlled by kinetic factors, regardless of the thermodynamic driving force.62 Crystallization is preceded by nucleation, whose rate is defined as63
I ) I
0 where I 0exp (
E
k
BT
D)
exp
(
ΔF*
T
)
(12)
is the preexponential factor, E D
is the activation energy
18642 J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 39, 2005 Vyazovkin and Dranca
TABLE 1: Physical Parameters of the r and Forms of Indomethacinγ
form
F (g cm3) T m
H f L f σ
r* (°C) (J g1)
(J m3) (J m2)
(nm) R 155 91 1.40 1.27 × 108 0.017 0.7 161 110 1.38 1.52 × γ 108 0.027 0.9
for diffusion across the phase boundary, and ΔF* is the maximum free energy for the formation of the critical size nucleus. Equation 12 contains two exponential terms that have opposite effects on the nucleation rate. Because the ΔF* value decreases with decreasing temperature as
ΔF*
∼
the ΔF* exponential term (eq 12) increases, giving rise to an increasing nucleation rate.
Once ΔF* falls below a certain limit, the rate of nucleation becomes controlled by diffusion, with a temperature dependence defined by the E
D
1 (T
m
(13)
r* )
T)
2
exponential term (eq 12). If E D
is independent of temperature, the rate of nucleation should vary with tem perature in accordance with the Arrhenius law. In reality, the rate of selfdiffusion in the glass transition region is associated with the rate of the Rrelaxation process, whose kinetics are not driven by a single relaxation time, having a single activation energy, but by a distribution of the times having different activation energies (cf., Figures 1 and 4). The situation is, however, simplified as the temperature drops markedly below T
, and the rate of selfdiffusion eventually becomes determined by the relaxation that can be characterized by a single activation energy. That is, when a glass is aged at the lower temperatures, the E
D
in eq 12 is likely to be similar to the activation energy of the relaxation. Nevertheless, the low energy barrier does not automatically mean a fast nucleation rate. Because the process occurs at low temperatures, the frequency of diffusion jumps over the energy barrier is significantly decreased. In other words, the nucleation rate is determined by the E
D
/T ratio, and can still be slow despite a low activation energy.
Another important issue for nucleation is the formation of the critical size nucleus in the lowmobility environment. Spontaneous crystallization can start only after the formation of stable nuclei that reach the critical size determined as63
2 T
σ
m L
fwhere is the surface tension, Lσ f
ΔT
(14)
is the heat of fusion per volume unit, and ΔT ) T m
T. In the temperature region of the relaxation, the formation of the critical nucleus could occur only via the local noncooperative motion of the individual molecules. The critical nucleus can form without engaging the Rprocess if its size is significantly smaller than the characteristic length of the cooperative motion, which is defined by the previously determined value of . The critical nucleus size for indomethacin can be estimated by using the literature data.4 The values of T m
and for crystallization of amorphous indometha cin have been measured4 for the R and forms (Table 1).σ γ The values of L
f
can be easily determined from the heats of fusion per mass unit and respective densities3 (Table 1). For instance, for the nucleation of amorphous indomethacin at 10 °C, substitution of the literature data in eq 14 yields r* ) 0.7 and 0.9 nm for the R and crystalline forms, respectively. Because these values are markedly smaller than the ) 3.4 nmγ determined earlier, selfassembly of the critical nucleus may occur without engaging the cooperative Rmotion. The question is whether the process alone can provide sufficient mass transport to secure nucleation. It certainly appears so, according to experiments of Oguni et al., who demonstrated that nucleation of oterphenyl64 and toluene65 does occur via the process in the temperature region several degrees above and below T
g
. Interestingly, Alie et al.66 have arrived at a similar conclusion when studying the crystallization of a drug 2565 °C above its T
g
. It may, therefore, be that nucleation is generally controlled by the local noncooperative motion below as well as above T
g
annealing of trehalose. Needless to say, nucleation is essential to the stability of amorphous systems, as prenucleated systems may crystallize at a significantly accelerated speed if the temperature is increased.
To probe whether detectable nucleation occurs in indometha cin, we performed prolonged annealing tests at T a
) 10 and 5 °C. The results of these tests are shown in Figures 9 and 10. The samples aged at 10 °C did not show any crystallization or melting events upon being heated (Figure 9). The only change seen in the DSC scans is a shift in the position of the annealing
Figure 9. DSC curves obtained from the heating of indomethacin at 10 °C min1 after longterm annealing at 10 °C. Arrows show the location of the annealing effect.
Stability and Relaxation of Amorphous Indomethacin J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 39, 2005 18643
Figure 10. DSC curves obtained from the heating of indomethacin at 10 °C min1 after longterm annealing at 5 °C. Inset shows a blowup of the section of the curve that is related to slow crystallization.
effect with an increasing annealing time. A similar effect was observed in longterm aging experiments by Chen.16 The effect is similar to that observed when increasing T
a
(Figures 2 and 7) in the sense that the use of longer annealing times allows for the detection of increased contribution from the slower part of the overall relaxation time distribution that is associated with the Rprocess. As a result, the annealing peak shifts toward the main Rrelaxation event, and ultimately turns into the regular enthalpy overshoot. This effect is clearly seen when comparing Figures 10 and 2. Annealing for 3 h at 5 °C yields an annealing peak right at the beginning of the main Rrelaxation (Figure 2), whereas after 2, 10, and 22 days, we observe an increasing enthalpy overshoot. As seen from Figure 10, no crystallization or melting is observed either immediately after quenching the melt or after 2 days of annealing at 5 °C. However, we were able to detect reproducible crystallization and melting in heating scans performed on the sample annealed for 10 days. Even more pronounced effects were observed after 22 days of annealing. These results suggest that during annealing, the glassy samples undergo an active nucleation process. The formed nuclei initiate crystallization when the annealed samples are heated. The size of the melting peaks can give us an idea of the amount of the crystalline phase formed when the annealed samples are heated. The respective heats of melting are 1.2 and 7.4 J g1 after annealing for 10 and 22 days, respectively. The measured heat of melting of crystalline indomethacin used in this study is 110.3 J g1. Therefore the amount of the crystalline phase produced when samples are heated does not exceed 7%. It means that the process of nucleation in samples annealed at 5 °C is still in the early stages, as the amount of nuclei formed is insufficient to cause complete crystallization when samples are heated.
The obtained data suggest that slow crystallization occurs at temperatures as low as 5 °C, ie, at 0.87T g
or 41 °C below T g
. This appears to be the lowest temperature at which evidence of nucleation in indomethacin has been obtained so far. This experiment places us in the highertemperature end of the relaxation region. Note that the experiments of Oguni et al. were conducted in the “mixed” R region (ie, 0.94T g
or 7 °C below T g
for toluene,65 and 0.93T g
or 16 °C below T g
for oterphenyl64). We plan to initiate a new series of annealing experiments on indomethacin at lower temperatures (0 and 5 °C) and continue the runs at 10 °C. The results of these studies will be reported when available. In the meantime, we conclude that nucleation studies in the temperature region of the relaxation of pharmaceutical glasses should be of both fundamental and practical importance. Conclusions
kJ mol1) is several times smaller than that of the Rrelaxation, the former is relatively fast, and can contribute to the nucleation of indomethacin. Evidence of nucleation has been obtained for samples annealed at 5 °C. All in all, we believe that the relaxations should be paid more attention when one is studying the physical stability of amorphous pharma ceuticals. On the other hand, it does not seem likely that amorphous pharmaceuticals would demonstrate any measurable physical instability below the temperature region of the re laxation, which in the case of indomethacin is around 30 °C.
Acknowledgment. This work was partially supported by the BoehringerIngelheim Cares Foundation. References and Notes
(1) Imaizumi, H.; Nambu, N.; Nagai, T. Chem. Pharm. Banteng. 1980, 28, 25652569. (2) Otsuka, M.; Kaneniwa, N. Chem. Pharm. Banteng. 1988, 36, 4026 4032.
(3) Yoshioka, M.; Hancock, BC; Zografi, GJ Pharm. Sci. 1994, 83, 17001705. (4) Andronis, V.; Zografi, GJ NonCryst. Solids 2000, 271, 236 248.
(5) Hancock, BC; Shamblin, SL; Zografi, G. Pharm. Res. 1995, 12, 799.
(6) Johari, GP; Goldstein, MJ Phys. Chem. 1970, 74, 20342035. (7) Donth, E. The Glass Transition: Relaxation Dynamics in Liquids and Disordered Materials; Springer: Berlin, 2001. (8) Shamblin, SL; Tang, X.; Chang, L.; Hancock, BC; Pikal, MJJ Phys. Chem. B 1999, 103, 41134121.
(9) Correia, NT; Ramos, JJM; Descamps, M.; Collins, G. Pharm. Res. 2001, 18, 17671774. (10) Shmeis, RA; Wang, Z.; Krill, SL Pharm. Res. 2004, 21, 2025 2030.
(11) Shmeis, RA; Wang, Z.; Krill, SL Pharm. Res. 2004, 21, 2031 2039.
(12) Bershtein, VA; Egorov, VM Differential Scanning Calorimetry of Polymers; Ellis Horwood: New York, 1994. (13) Hedvig, P. Dielectric Spectroscopy of Polymers; J. Wiley: New York, 1977.
(14) McCrum, NG; Read, BE; Williams, G. Anelastic and Dielectric Effects in Polymeric Solids; Dover: New York, 1991.
(15) Illers, K.H. Makromol. Chem. 1969, 127, 133. (16) Chen, HSJ NonCryst. Solids 1981, 46, 289305. (17) Meier, RJ; Struik, LCE Polymer 1998, 39, 3138. (18) Ngai, KLJ Chem. Phys. 1998, 109, 69826994. (19) Angell, CA In Supercooled Liquids, AdVances and NoVel Applications; ACS Symposium Series 676; American Chemical Society: Washington, DC, 1997; p 14.
(20) Fox, TG; Flory, PJJ Appl. Phys. 1950, 21, 581. (21) McLoughlin, JR; Tobolsky, AVJ Colloid Interface Sci. 1952, 7, 555.
(22) Nemilov, SV; Johari, GP Philos. Mag. 2003, 83, 3117. (23) Andronis, V.; Zografi, G. Pharm. Res. 1998, 15, 835842. (24) He, R.; Craig, DQMJ Pharm. Pharmacol. 2001, 53, 4148. (25) Andronis, V.; Zografi, G. Pharm. Res. 1997, 14, 410 414. (26) Wunderlich, B. Thermal Analysis; Academic Press: Boston, 1990. (27) Moynihan, CT; Eastel, AJ; Wilder, J.; Tucker, JJ Phys. Chem. 1974, 78, 26732677.
(28) Tool, AQJ Am. Ceram. Soc. 1946, 29, 240. (29) Narayanaswamy, OSJ Am. Ceram. Soc. 1971, 54, 491. (30) Moynihan, CT; Easteal, AJ; DeBolt, MA; Tucker, JJ Am. Ceram. Soc. 1976, 59, 12.
(31) DeBolt, MA; Easteal, AJ; Macedo, PB; Moynihan, CTJ Am. Ceram. Soc. 1976, 59, 16.
(32) Kovacs, AJ; Hutchinson, JM; Aklonis, JJ The Structure of NonCrystalline Materials; Gaskell, PH, Ed.; Taylor & Francis: London, 1977; p153.
18644 J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 39, 2005 Vyazovkin and Dranca
(33) Matsuoka, S. Relaxation Phenomena in Polymers; Hanser Publish ers: Munich, 1992.
(34) Angell, CAJ NonCryst. Solids 1991, 131133, 13. (35) Bohmer, R.; Ngai, KL; Angell, CA; Plazek, DJJ Chem. Phys. 1993, 99, 4201.
(36) Honma, T.; Benino, Y.; Komatsu, T.; Sato, R.; Dimitrov, VJ Chem. Phys. 2001, 115, 7207. (37) Angell, CA; Stell, RC; Sichina, WJ Phys. Chem. 1982, 86, 1540.
(38) Hancock, BC; Dalton, CR; Pikal, MJ; Shamblin, SL Pharm. Res. 1998, 15, 762767. (39) Sasabe, H.; Moynihan, CTJ Polym. Sci., Part B: Polym. Phys.. 1978, 16, 1447.
(40) Simon, SL Macromolecules 1997, 30, 4056. (41) O'Reilly, JM; Hodge, IMJ NonCryst. Solids 1991, 131 133, 451. (42) Robertson, CG; Santangelo, PG; Roland, CMJ NonCryst. Solids 2000, 275, 153.
(45) Vyazovkin, SJ Comput. Chem. 1997, 18, 393402. (46) Vyazovkin, SJ Comput. Chem. 2001, 22, 178183. (47) Flynn, H.; Wall, LAJ Res. Nat. Bur. Stand. 1966, 70, 487 523.
(48) Ozawa, T. Bull. Chem. Soc. JPN. 1965, 38, 18811886. (49) Hodge, IMJ NonCryst. Solids 1994, 169, 211266. (50) Ramos, JJM; Correia, NT; TaveiraMarques, R.; Collins, G. Pharm. Res. 2002, 19, 18791884.
(51) Ramos, JJM; TaveiraMarques, R.; Diogo, HPJ Pharm. Sci. 2004, 93, 15031507.
(52) Adam, G.; Gibbs, JHJ Chem. Phys. 1965, 43, 139146. (53) Glarum, SHJ Chem. Phys. 1960, 33, 639. (54) Hempel, E.; Hempel, G.; Hensel, A.; Schick, C.; Donth, EJ Phys. Chem. B 2000, 104, 24602466.
(55) Angell, CA; Ngai, KL; McKenna, GB; McMillan, PF; Martin, SW Appl. Phys. Putaran. 2000, 88, 3113.
(56) McKenna, GB; Simon, SL In Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry; Cheng, SZD, Ed.; Elsevier Science: Amsterdam, 2002; Vol. 3, p 49.
(57) Hutchinson, JM Prog. Polym. Sci. 1995, 20, 703. (58) Hodge, IM; Berens, AR Macromolecules 1982, 15, 762. (59) Struik, LCE Physical Aging in Amorphous Polymers and Other Materials; Elsevier: Amsterdam, 1978.
(60) Kudlik, A.; Benkhof, S.; Blochowicz, T.; Tschirwitz, C.; Ro ssler, EJ Mol. Struct. 1999, 479, 201218. (61) Ngai, KL; Capaccioli, S. Phys. Putaran. E 2004, 69, 0315011 0315015.
(62) Zhou, D.; Zhang, GGZ; Law, D.; Grant, DJW; Schmitt, EAJ Pharm. Sci. 2002, 91, 18631872. (63) Papon, P.; Leblond, J.; Meijer, PHE The Physics of Phase Transitions; Springer: Berlin, 2002. (64) Hikima, T.; Hanaya, M.; Oguni, M. Bull. Chem. Soc. JPN. 1996, 69, 1863.
(65) Hatase, M.; Hanaya, M.; Hikima, T.; Oguni, MJ NonCryst. Solids 2002, 307310, 257.