Activité de Karl Fischer par rapport à l'activité de l'eau dans les produits pharmaceutiques

Water has long been recognized as important in determining product safety and stability. Karl Fischer titration is a widely used analytical method for quantifying water content in a variety of pharmaceutical products. Simply knowing the total amount of water by Karl Fischer may not be the most effective method for understanding the effects of water on safety and stability. Water activity (a_w) is an alternative water measurement that provides essential information about the energy or availability of water in a product. Numerous scientific investigations demonstrate that water activity is a better predictor of product safety and stability than total amount of water. Water activity has been used in the food industry for decades as an effective tool, and with the publication of USP Method <1112>, it is now considered a viable option in the pharmaceutical industry as well.

Toutes les eaux ne sont pas égales

L'eau dans un système peut être considérée comme présente sous trois formes générales : l'eau en vrac ou "libre", l'eau absorbée et l'eau "liée" ou monocouche. L'eau en vrac ou "libre" a la même énergie et les mêmes propriétés que l'eau pure. L'eau absorbée est maintenue moins fermement, mais a toujours une énergie réduite et des propriétés différentes de celles de l'eau pure. L'eau "liée" a une énergie réduite en raison de la liaison physique directe de l'eau à la matrice par liaison hydrogène ou ionique. En réalité, les molécules d'eau passent facilement d'une forme à l'autre et il est impossible de quantifier la quantité d'eau dans une forme donnée. L'état énergétique global de l'eau est plutôt déterminé par les contributions relatives de chacune de ces couches d'eau. Une réduction de l'énergie de l'eau (c'est-à-dire une baisse de l'activité de l'eau) se traduit par une diminution de l'eau disponible pour influencer les réactions biologiques et chimiques. L'analyse de la teneur en eau fournit la quantité totale d'eau mais ne différencie pas le type d'eau.

Les titrages Karl Fischer sont efficaces pour quantifier même l'eau étroitement "liée" et sont souvent considérés comme une meilleure méthode d'analyse de l'humidité que la perte à la dessiccation. En fait, cette eau supplémentaire mesurée par Karl Fischer est souvent appelée eau "liée". Bien que l'analyse Karl Fischer puisse fournir une détermination plus complète de la teneur totale en eau, elle ne fournit que la quantité d'eau et non l'état énergétique de l'eau. L'activité de l'eau mesure l'énergie ou la "disponibilité" de l'eau. Elle ne dépend pas de la quantité d'eau mais des contributions relatives de chaque type d'eau. Par conséquent, l'activité de l'eau fournit de meilleures corrélations avec les taux de réaction biologique et chimique que l'analyse de Karl Fischer.

Qu'est-ce que l'activité de l'eau ?

L'activité de l'eau décrit l'état énergétique thermodynamique de l'eau dans un système. Bien que cela ne soit pas scientifiquement correct, il peut être utile de se représenter l'activité de l'eau comme la quantité d'eau "disponible" dans un système. Elle n'est pas déterminée par la quantité d'eau présente dans un produit, mais est une comparaison de la mesure dans laquelle l'eau du produit ressemble et se comporte comme de l'eau pure. Les valeurs d'activité de l'eau vont de 0 (os sec) à 1,0 (eau pure). Lorsque l'activité de l'eau diminue, l'eau contenue dans un produit perd de l'énergie et est moins "disponible" en tant que solvant pour la croissance microbienne, la réactivité chimique ou la migration de l'humidité. Par exemple, l'eau d'un produit dont l'activité de l'eau est de 0,80 a suffisamment d'énergie pour favoriser la croissance des moisissures, alors que l'eau d'un produit dont l'activité de l'eau est inférieure à 0,60 ne peut favoriser la croissance d'aucun micro-organisme. L'eau devient également plus mobile à mesure que l'activité de l'eau augmente, ce qui influence la mobilité moléculaire ainsi que les taux de réaction chimique et enzymatique.

Plus scientifiquement, l'activité de l'eau est définie comme la pression de vapeur de l'eau (p) sur un échantillon divisée par la pression de vapeur de l'eau pure (_po) à une température donnée. En mesurant cette pression de vapeur par rapport à la pression de vapeur de l'eau pure à la même température, il est possible de déterminer l'énergie de l'eau dans l'échantillon. Ceci est raisonnable car l'eau qui est associée chimiquement ou physiquement dans un échantillon a une énergie plus faible et ne passera pas facilement en phase vapeur, diminuant ainsi la pression de vapeur au-dessus de l'échantillon.

Pourquoi mesurer l'activité de l'eau ?

L'activité de l'eau est le meilleur indice de la croissance microbienne. Un produit peut contenir un pourcentage relativement élevé d'humidité, mais si l'eau est chimiquement "liée" à des humectants ou à des solutés, tels que des sels, des sucres ou des polyols, l'eau n'est biologiquement pas disponible pour la croissance microbienne. Le concept d'activité de l'eau sert les microbiologistes et les technologues alimentaires depuis des décennies et constitue le critère le plus couramment utilisé pour la sécurité et la qualité des aliments. Chaque micro-organisme a une activité de l'eau limite en dessous de laquelle il ne peut pas se développer. Il n'existe pas de relation directe entre la teneur en eau et la croissance microbienne.

Il existe également une relation étroite entre l'activité de l'eau et la stabilité physique des produits. Les différences de niveaux d'activité de l'eau entre les composants ou entre un composant et l'humidité de l'environnement constituent une force motrice pour la migration de l'humidité. Il est essentiel de savoir si l'eau absorbera ou désorbera un composant particulier pour prévenir la dégradation, en particulier si l'une des substances est sensible à l'humidité. Par exemple, si des quantités égales de composant 1 à 2 % d'humidité et de composant 2 à 10 % d'humidité doivent être mélangées, y aura-t-il un échange d'humidité entre les composants ? La teneur en eau finale du matériau mélangé serait de 6 %, mais y a-t-il eu un échange d'humidité entre les composants 1 et 2 ? La réponse dépend de l'activité de l'eau des deux composants. Si les activités de l'eau des deux composants sont identiques, il n'y aura pas d'échange d'humidité.

De même, deux ingrédients ayant la même teneur en eau peuvent ne pas être compatibles lorsqu'ils sont mélangés ensemble. Si deux matériaux ayant des activités de l'eau différentes mais la même teneur en eau sont mélangés ensemble, l'eau s'ajustera entre les matériaux jusqu'à ce qu'une activité de l'eau équilibrée soit obtenue. Ainsi, dans le cas d'un produit à plusieurs composants, pour éviter la migration de l'humidité, il convient de faire correspondre l'activité de l'eau des deux composants. Si l'un des composants a une activité de l'eau plus élevée que l'autre, l'eau migrera de l'activité de l'eau élevée vers l'activité de l'eau faible. Cette migration peut entraîner des changements indésirables dans la qualité des deux composants. Par conséquent, l'activité de l'eau fournit des informations utiles pour la conception de la formulation, les conditions de fabrication et les exigences en matière d'emballage.

Remplacement de Karl Fischer par l'activité de l'eau

L'analyse Karl Fischer peut produire des résultats fiables dans des conditions contrôlées, mais elle est sujette à de nombreuses sources de variation. Elle implique également l'utilisation de certains produits chimiques peu recommandables et nécessite une formation pour être effectuée correctement. Il y a donc plusieurs raisons de trouver une alternative viable. L'activité de l'eau peut remplacer l'analyse Karl Fischer, non pas parce qu'elle fournit les mêmes informations, mais parce qu'elle fournit des informations plus utiles. Les résultats fournis par une analyse de l'activité de l'eau ne ressembleront pas à la teneur en humidité de Karl Fischer, mais fourniront de meilleures corrélations avec la sécurité microbienne, la stabilité chimique et les propriétés physiques. Ceci est particulièrement vrai pour les produits qui peuvent subir d'importants changements de stabilité alors que la teneur en eau ne subit que de petites variations difficiles à mesurer.

Quel est le lien entre Karl Fischer et l'activité de l'eau ?

Il existe une relation entre la teneur en eau Karl Fischer et l'activité de l'eau, mais elle est complexe et propre à chaque produit. Une augmentation de l'activité de l'eau s'accompagne généralement d'une augmentation de la teneur en eau, mais de manière non linéaire. Cette relation entre l'activité de l'eau et la teneur en eau à une température donnée est appelée isotherme de sorption de l'humidité. Pour la plupart des produits, l'isotherme est de forme sigmoïdale, bien que les matériaux qui contiennent de grandes quantités de molécules cristallines aient une courbe isotherme de type J. De nombreuses équations différentes sont utilisées pour caractériser la relation isotherme d'un produit. Pour de petites plages d'activité de l'eau, la régression linéaire peut décrire une relation isotherme, mais elle fonctionne rarement pour l'ensemble de la plage d'activité de l'eau. Des équations plus complexes sont utilisées pour caractériser l'isotherme pour toute la gamme d'activité de l'eau. Les équations les plus courantes sont les équations Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) et Brunauer-Emmett-Teller (BET). Comme la régression linéaire, ces équations sont ajustées pour trouver les coefficients qui expliquent le mieux la relation isotherme. Des logiciels d'analyse de données sont utilisés pour déterminer ces coefficients, qui peuvent ensuite être utilisés pour prédire la teneur en eau à n'importe quel niveau d'eau et vice versa.

Une analyse complète de l'humidité à l'aide d'un seul instrument

Bien que l'activité de l'eau soit une alternative viable à la teneur en eau Karl Fischer pour déterminer la sécurité et la qualité des produits, il peut toujours être nécessaire de connaître la teneur en eau pour déterminer la pureté. L'activité de l'eau peut encore remplacer Karl Fischer à cette fin, car il est possible de déterminer la teneur en eau sur la base de l'activité de l'eau grâce à la relation isotherme de sorption de l'humidité. Un instrument de mesure de l'activité de l'eau pourrait ainsi remplacer le Karl Fischer en fournissant à la fois des mesures de la teneur en eau et de l'activité de l'eau.

En savoir plus sur l'activité de l'eau dans les produits pharmaceutiques

Le Dr Brady Carter explique comment utiliser l'activité de l'eau dans les produits pharmaceutiques pour contrôler la stabilité des comprimés et prolonger la durée de conservation.

Les thèmes abordés sont les suivants

• Comment évaluer la stabilité d'une pilule
• Les bases de l'activité de l'eau
• Teneur en eau en fonction de l'activité de l'eau
• Comment mesurer l'activité de l'eau
• Isothermes de sorption de l'humidité et leur utilisation
• Prévention de la croissance microbienne
• Prévenir la dégradation de l'API
• Intégrité du revêtement en gel
• Migration de l'humidité dans les capsules
• Détermination de l'hygroscopicité relative
• Activité de l'eau et transition vitreuse
• Détermination du point de déliquescence
• Excipients
• Humidité de stockage
• Emballage pour une durée de conservation prolongée
• Une procédure accélérée de test de stabilité