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Modern Pharmaceutics Fourth Edition, Revised and Expanded edited by
Gilbert S. Banker University of Iowa Iowa City, Iowa
Christopher T. Rhodes University of Rhode Island Kingston, Rhode Island
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DRUGS AND THE PHARMACEUTICAL SCIENCES Executive Editor
James Swarbrick PharmaceuTech, Inc. Pinehurst, North Carolina
Advisory Board Larry L. Augsburger University of Maryland Baltimore, Maryland
David E. Nichols Purdue University West Lafayette, Indiana
Douwe D. Breimer Gorlaeus Laboratories Leiden, The Netherlands
Stephen G. Schulman University of Florida Gainesville, Florida
Trevor M. Jones The Association of the British Pharmaceutical Industry London, United Kingdom
Jerome P. Skelly Alexandria, Virginia
Hans E. Junginger Leiden/Amsterdam Center for Drug Research Leiden, The Netherlands
Felix Theeuwes Alza Corporation Palo Alto, California
Vincent H. L. Lee University of Southern California Los Angeles, California
Geoffrey T. Tucker University of Sheffield Royal Hallamshire Hospital Sheffield, United Kingdom
Peter G. Welling Institut de Recherche Jouveinal Fresnes, France
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Preface
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Contents
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Contributors
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Chapter 1 Drug Products: Their Role in the Treatment of Disease, Their Quality, and Their Status and Future as Drug-Delivery Systems Gilbert S. Banker 7 ) / , ) / , ) /
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Table 3 Drug Excreted into the Urine Versus Time DU Time Amount Cumulative amount D1 U (mg) interval (h) excreted (mg) excreted, DUa (mg) 0.0–0.5 0.5–1.0 1.0–1.5 1.5–2.0 2.0–2.5 2.5–3.0 3.0–6.0 6.0–12.0 a
37.5 18.5 10.0 5.2 1.8 1.3 1.0 0.0
37.5 56.0 66.0 71.2 73.0 74.3 75.3 75.3
37.8 19.3 9.3 4.1 2.3 1.0 0.0 0.0
D1 U ¼ 75:3 mg.
lnðD1 U
DU Þ þ lnðD1 U
D0U Þ ¼ kel t
of elimination, and it can be directly related to the physiological function of these organs. For example, the renal clearance rate (RCR) of a drug can be calculated using the following equation: RCR ¼
ð18Þ Example. In the example plotted in Fig. 6, the amount of drug excreted over the 0- to 0.5-hour interval was 37.5 mg. If the plasma concentration at 0.25 hour (the middle of the interval) was 10 mg=mL, what was the renal clearance rate? From Eq. (18), 37:5 mg=0:5 h 10 m g=mL ¼ 7:5 L=h ¼ 125 mL=min
RCR ¼
Since D0U ¼ 0 (there is no drug in urine when t ¼ 0), lnðD1 U
DU Þ
lnðD1 U
DU Þ ¼
ln D1 U ¼
kel t
kel t þ ln D1 U
amount excreted in urine per unit time plasma concentration
ð17Þ
Equation (17) is in the form of the equation for a straight line ( y ¼ mx þ b), where t is one variable (x), kel is determined from the slope (m), ln D1 U is the DU ) the other variable (y). constant (b), and ln (D1 U Thus a plot of ln (D1 DU ) versus time is a straight U line with a slope providing a value of kel and an in1 tercept of ln D1 U . Since DU is the total amount excreted and DU is the amount excreted up to time t, D1 DU is the amount remaining to be excreted U (ARE). A typical ARE plot is shown in Fig. 6. Example. The plot in Fig. 6 was constructed using the data shown in Table 3. Note that the concentration of the drug in each urine specimen is not the information analyzed. The total amount excreted over each time interval and throughout the entire study must be determined. As a result, the experimental details of a urinary excretion study must be very carefully chosen, and strict adherence to the protocol is required. Loss of a single urine specimen, or even an unknown part of a urine specimen, makes construction of an ARE plot impossible.
The glomerular filtration rate (GFR) in normal males is estimated to be 125 mL=min, and the results of the example calculation suggest that the drug is cleared by GFR. If the RCR had been less than 125 mL=min, tubular reabsorption of the drug would have been suspected. If it had been greater than 125 mL=min, tubular secretion would have been involved in the drug elimination. Drugs can be cleared from the body by metabolism as well as renal excretion, and when this occurs it is not possible to measure directly the amount cleared by metabolism. However, the total clearance rate (TCR), or total body clearance, of the drug can be calculated from its pharmacokinetic parameters using the following equation: TCR ¼ kel Vd
ð19Þ
Example. The biological half-life of procaine in a patient was 35 minutes, and its volume of distribution was estimated to be 58 L. Calculate the TCR of procaine. kel ¼
0:693 ¼ 0:0198 min 35 min
1
TCR ¼ kel Vd
V. CLEARANCE RATE AS AN EXPRESSION OF DRUG-ELIMINATION RATE A clearance rate is defined as the volume of blood or plasma completely cleared of drug per unit time. It is a useful way to describe drug elimination because it is related to blood or plasma perfusion of various organs
¼ 0:0198 min 1 58 L ¼ 1:15 L=min When a drug is eliminated by both metabolism and urinary excretion, it is possible to calculate the metabolic clearance rate (MCR) by the difference between TCR and RCR:
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Table 4
Drug Recovered in Urine
Time interval (h)
Cumulative Amount excreted amount excreted D1 unchanged DU U unchanged, DUa (mg) (mg) (mg)
0.0–0.5 0.5–1.0 1.0–1.5 1.5–2.0 2.0–3.0 3.0–6.0 6.0–12.0 12.0–24.0 a
75 55 40 30 40 40 10 0
75 130 170 200 240 280 290 290
215 160 120 90 50 10 0 0
D1 U ¼ 290 mg.
D1 ke U ¼ 0 DB kel 290 mg ke ¼ 500 mg 0:578 h 1 ke ¼ 0:335 h 1 From Eq. (24), kel ¼ ke þ km km ¼ 0:578
0:335 ¼ 0:243 h 1
It is important to reemphasize the following assumptions inherent in this type of calculation: 1.
It must be assumed that urine collections were accurately timed and that complete urine specimens were obtained at each collection time. It is also assumed that the assay procedure is accurate and reproducible. 2. It is assumed that all processes of elimination obey first-order kinetics. 3. It is assumed that any drug not appearing unchanged in urine has been metabolized. Furthermore, if the drug is not administered by IV injection, it must also be assumed that the dose is completely absorbed. (The IV route was chosen for the preceding example specifically to avoid the need to introduce this assumption.)
person was 1.2 hours. If the same drug were administered to a person with no kidney function but with a normal liver, it would be impossible for this individual to excrete unchanged drug. They would, however, be able to metabolize the drug at the same rate as a normal individual. The net result would be that the overall kel would be reduced to the value of km , and the biological half-life would increase to 0:693 0:693 ¼ ¼ 2:85 h km 0:243 h 1 Thus, the biological half-life of a drug can increase dramatically when the organs of elimination are diseased or nonfunctional; it may increase to varying degrees if these organs are partially impaired. At the present time no simple relationship exists between clinical measurements of liver function and the value of km . Fortunately, kidney function can be measured quantitatively using standard clinical tests, and it is directly related to ke for a number of drugs. Great success has been achieved in using kidney clearance measurements to predict the biological half-lives of a number of drugs. This is best illustrated with a drug that is eliminated exclusively by urinary excretion. Example. Kanamycin is a member of the aminoglycoside class of antibiotics, all of which are eliminated exclusively by glomerular filtration. Creatinine is a natural body substance that is cleared almost exclusively by glomerular filtration, and creatinine clearance rate is frequently used as a diagnostic tool to determine glomerular filtration rate. The relationship
A. Significance of ke and km in Patients with Kidney or Liver Disease In the foregoing example, the drug was administered to a healthy subject who had normal kidney and liver function. The estimated biological half-life in this
Fig. 8 Plot of kanamycin clearance rate versus creatinine clearance rate.
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Chapter 6 Chemical Kinetics and Drug Stability J. Keith Guillory and Rolland I. Poust 7 ) / , ) / , ) /
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Table 4 Rate Expressions for Zero-, First-, and Second-Order Reactions Second-order
Differential rate expression Integrated rate expression t1=2
Zero-order
First-order
a ¼ b ¼ c0
dc ¼k dt c0 c k¼ t c0 2k
dc ¼ kc dt 1 c0 k ¼ ln t c 0:693 k
dc ¼ kc2 dt 1 1 ¼ kt c c0 1 c0 k
a 6¼ b dc ¼ kca cb dt 1 bða ln k¼ tða bÞ aðb
xÞ xÞ
(i) When x ¼ 0:5a 1 kða
bÞ
ln
0:5ab aðb 0:5aÞ
(ii) When x ¼ 0:5b 1 kða t90%
c0 10k
0:105 k
0:11 c0 k
bÞ
ln
bða 0:5bÞ 0:5ab
(i) When x ¼ 0:1a 1 kða
bÞ
ln
0:9ab aðb 0:1aÞ
(ii) When x ¼ 0:1b 1 kða
theory is also extensively exploited in pharmacokinetics; for further information on this subject, see Chapter 3.] The concentration symbols in Table 4 are defined as follows: c is the concentration of the drug at any time t and c0 is the initial concentration. In the last column describing a second-order reaction in which the reactants A and B do not have the same initial concentrations, these are designated as a and b, respectively; x is the concentration reacted at time t.
bÞ
ln
bða 0:1bÞ 0:9ab
In a reaction of either zero-order or second-order, the time to reach a certain fraction of the initial concentration, for example, t1=2 or t90% [the time required for the drug concentration to decrease to 90% of its original value (i.e., 10% degradation)] is dependent on c0 . This is illustrated in Fig. 1, in which a zero-order reaction (Fig. 1a) and a second-order reaction (Fig. 1b) are plotted with two initial concentrations. It is readily seen that for a zero-order reaction, the t1=2 increases
Fig. 1 Effect of initial concentration on the half-life of (a) a zero-order and (b) a second-order reaction. In (a), k ¼ 2 mg=yearmL; curve A, initial concentration c0 ¼ 10 mg=mL, t1=2 ¼ 2:5 years; curve B, c0 ¼ 5 mg=mL, t1=2 ¼ 1:25 years. In (b), k ¼ 0:5 mL=mg-year; curve C, c0 ¼ 1 mg=mL, t1=2 ¼ 2 years; curve D, c0 ¼ 0:5 mg=mL, t1=2 ¼ 4 years.
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Chapter 7 Preformulation Jens T. Carstensen 7
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Chapter 9 Disperse Systems Wandee Im-Emsap and Juergen Siepmann * 7 F , ,
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Table 1 Classification Scheme of Disperse Systems on the Basis of the Physical State of the Dispersed Phase and the Dispersion Medium Dispersion medium
Dispersed phase
Solid
Liquid
Gas
Solid
Solid suspension (zinc oxide paste, toothpaste)
Liquid
Solid emulsion (hydrophilic petrolatum USP, butter) Solid foam Foamed plastics Pumice
Suspension (tetracycline oral suspension USP, bentonite magma NF) Emulsion (mineral oil emulsion USP, Milk)
Solid aerosol (epinephrine bitartrate inhalation aerosol USP, smoke) Liquid aerosol (nasal sprays, fog)
Foam Effervescent salts in water Carbonated beverages
None
Gas
Pharmaceutical and other examples are given in parentheses.
and molecular dimensions. Generally, three classes are distinguished: molecular, colloidal, and coarse dispersions. Molecular dispersions are homogeneous in character and form true solutions. Colloidal dispersions are intermediate in size between true solutions and coarse dispersions. The term ‘‘colloidal’’ is usually applied to systems in which the particle size of the dispersed phase is in the range of 1–1000 nm and where the dispersion medium is a liquid. Nanoparticles distributed within a liquid and aqueous polymer dispersions for pharmaceutical coating applications are examples of colloidal systems. (Colloidal dispersions are described in more detail in Table 2
Sec. VI.) Dispersions containing larger dispersed phases, usually 10–50 mm in size, are referred to as ‘‘coarse dispersions,’’ which include most pharmaceutical suspensions and emulsions. The defined size ranges and limits are somewhat arbitrary since there are no specific boundaries between the categories. The transition of size ranges, either from molecular dispersions to colloids or from colloids to coarse dispersions, is very gradual. For example, an emulsion may exhibit colloidal properties, and yet the average droplet size may be larger than 1 mm. This is due to the fact that most disperse systems are heterogeneous with respect to their particle size [1–2].
Classification Scheme of Disperse Systems on the Basis of the Particle Size of the Dispersed Phase
Category Molecular dispersion
Colloidal dispersion
Coarse dispersion
Range of particle size < 1.0 nm
1.0 nm–1.0 mm
> 1.0 mm
Characteristics of system
Examples
Particles invisible by electron microscopy; pass through semipermeable membranes; generally rapid diffusion Particles not resolved by ordinary microscope but visible by electron microscopy; pass through filter paper but not semipermeable membranes; generally slow diffusion Particles visible by ordinary microscopy; do not pass through normal filter paper or semipermeable membranes
Oxygen molecules, potassium and chloride ions dissolved in water Colloidal silver sols, surfactant micelles in an aqueous phase, aqueous latices and pseudolatices Pharmaceutical emulsions and suspensions
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and stable. Unique to parenteral emulsions are the requirements for droplet size and surface charge [190], since the parameters have a direct effect on both toxicity and stability.
Particle Size The British Pharmacopoeia (1980) states that the diameter of emulsion globules for intravenous administration may not exceed 5 mm. Emulsion globules larger than 4–6 mm are known to increase the incidence of emboli and may cause changes in blood pressure [32, 190]. However, lipid particles larger than 7.5 mm have been reported to deform and pass through the pulmonary vasculature without difficulty [191]. In general, emulsions that contain globules 200–500 nm in size tend to be most physically stable. Smaller emulsions are utilized by the body more rapidly than larger ones [190].
Surface Charge A reduction in the electrical charge is known to increase the flocculation and coalescence rates. Sufficient high zeta potential (> 7 30 mV) ensures a stable emulsion by causing repulsion of adjacent droplets. The selection of suitable surfactants can help to optimize droplet surface charges and thus enhance emulsion stability. Lipid particles with either positive or negative surface charges are more stable and are cleared from the bloodstream more rapidly than those with neutral charge [192, 193].
Ingredients Oils. Among many investigated oils, soy oil, middlechain triglycerides (MCT), safflower oil, and cottonseed oils are favoured for use as the oil phase due to their low incidence of toxic reactions. Purity is regarded as an important criterion for parenteral use. Undesirable contaminants such as hydrogenated oil, saturated fatty materials, pigments, or oxidative decomposition products should be minimized. Emulsifiers. Natural lecithin is one of the most widely used emulsifiers because it is metabolized in the body. However, type I allergic reaction to soybean lecithin emulsified in lipid solutions has been observed [195]. Among the synthetic emulsifying agents, block copolymers of polyoxyethylene-polyoxypropylene (poloxamer) have attracted increasing interest for parenteral emulsions. Other examples of emulsifiers commonly found in parenteral formulations are given in Table 9 [190].
Table 9 Most Commonly Used Emulsifiers in Parenteral Emulsions Emulsifiers
Range
Egg lecithin Soyabean lecithin Phosphatidylcholine Glycerol=propylene glycol Glyceryl fatty acid esters Pluronic F68, 88, 108 Poloxamer 401 (Pluronic L121) Polysorbate 80
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Source: Adapted from Ref. 190.
Additives. Additives are used to adjust the tonicity and pH of emulsions and to increase emulsion stability. Glycerol is a commonly used isotonic agent for parenteral emulsions. The pH of the emulsion should be also adjusted close to a physiological pH of 7–8 by adding aqueous solutions of NaOH or HCl. Tocopherols and oleic acid may be added as antioxidants and stabilizer, respectively. Some commercially available fat emulsions and their compositions are listed in Table l0 [144].
Sterilization Autoclaving can be used for the sterilization of parenteral emulsions, provided the required sterilization conditions do not lead to significant product degradation. Alternatively, parenteral emulsions can be Table 10 Compositions of Some Commercially Available Fat Emulsions Trade name (company)
Oil phase
Emulsifier
Intralipid (Kabi-Vitrum) Lipofundins
Soybean oil 10–20% Soyabean oil
(Braun) Lipofundins
10–20% Cottonseed oil
(Braun) Liposyn (Abbot) Travemulsion (Travenol)
10% Safflower oil 10–20% Soybean protein 10–20%
Lecithin 1.2% Soyabean lecithin 0.75–1.2% Soyabean lecithin 0.75% Lecithin 1.2% Lecithin 1.2%
Other components Glycerol 2.5% Xylitol 5% Sorbitol 5% Glycerol 2.5% Glycerol 2.5%
Source: Ref. 144.
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Chapter 11 Hard and Soft Shell Capsules Larry L. Augsburger
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Fig. 25 Response surfaces for the effect of formulation variables on percent of piroxicam dissolving from capsules in 10 minutes. (From Ref. 100.)
examination of Table 6 generally indicates a " 1 such that piroxicam is generally dissolution rate limited, which is consistent with piroxicam’s BCS Class II classification. For the slow formulation, a ¼ 6:50, indicating that dissolution was severalfold, dominating over permeability in controlling overall piroxicam absorption. These data also point up the role of
Table 6
formulation. The fast capsule was formulated using the milled piroxicam, 1% sodium lauryl sulfate, and lactose, which promoted dissolution such that kd ffi k1p . Indeed, because of formulation design, the fast product is slightly more permeability rate limited than dissolution rate limited, overcoming piroxicam’s biopharmaceutic properties.
Apparent Permeability and Dissolution Rates for Piroxicam Capsules
Formulation
Apparent permeability rate constant, k1p SE; h 1
First-order dissolution rate constant, kd SE; h 1
a ¼ kpd SE
7.26 1.12 7.17 1.10 10.7 2.6 11.3 3.8 9.00 1.14
8.10 0.60 4.66 0.10 3.13 0.20 1.75 0.05
0.896 0.138 1.54 0.24 3.42 0.84 6.50 2.17
Fast (Q45a ¼ 95) Moderate (Q45 ¼ 87) Innovator (Q45 ¼ 80) Slow (Q45 ¼ 65) Mean
k1
SE, Standard error. a % of labeled content dissolving in 45 minutes. Source: Refs. 100 and 102.
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Chapter 12 Parenteral Products James C. Boylan
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Chapter 13 Design and Evaluation of Ophthalmic Pharmaceutical Products John C. Lang, Robert E. Roehrs,* Denise P. Rodeheaver, Paul J. Missel, Rajni Jani, and Masood A. Chowhan ! $ , *
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and safer molecules like Polyquad (a polymeric quaternary ammonium compound) and Dymed. Specifically, Polyquad is resistant to absorption into the lenses; thus, there is little to diffuse out of the lens into the eye, leading to corneal toxicity, an inherent problem associated with nonpolymeric quaternary ammonium compounds. FDA and the USP have specific standards for preservative effectiveness that these products must meet. The FDA standards detailing the method were published in 1985 [327]. Oxidizing agents and nonoxidizing chemical disinfectants that are nontoxic at product concentrations are used to disinfect lenses chemically. Hydrogen peroxide is used primarily as an oxidizing agent [328]. It is used in concentrations of 0.6–3.0%. Peroxides are very toxic to the cornea of the eye. After the disinfection cycle, and before placing the lens in the eye, hydrogen peroxide must be completely neutralized by reducing agents, catalase, or transition metals, such as platinum. An ideal chemical-disinfecting agent would have the following properties: (a) it should be nonirritating, nonsensitizing, and nontoxic in tests for cytotoxicity; (b) it should have an adequate antimicrobial spectrum and be able to kill ocular pathogens during a short lens-soaking period; (c) it should not bind to the lens surface; and (d) it should be compatible with the lens and not cause lens discoloration or alter the tint of colored contact lenses. Polyquad and Dymed have most of these characteristics. They have been introduced recently into the marketplace and are performing to expectations [329,330]. Contact lens wearers may experience increasing awareness of their lenses during the day owing to ocular dryness [331]. With some lens materials, this increase in awareness may arise from a decrease in the wettability of the lens surface. Dehydration of the lens or accumulation of debris on the lens surface can cause similar symptoms [332]. The lens wearer may achieve relief from these symptoms with periodic administration of lubricating rewetting drops [333]. These solutions contain polymers or surfactants that enhance the wettability of the surface, facilitate the spreading of tears, and improve the stability of the tear film. They may also provide cushioning and lubrication actions, thereby reducing the frictional force between the eyelids and the lens. Some products are specifically designed to rehydrate the lens. These products are unpreserved and packaged in a unit-dose. However, a preservative is required for a multidose product. The emphasis that patients place on convenience has led to the development of single-bottle care products referred to as ‘‘multi-purpose solutions.’’ Such
products do not require a separate cleaner and in some instances can be used as a rewetting drop. However, they require rubbing and rinsing lenses in order to achieve adequate cleaning. Recent advances in technology along with careful selection of formulation components have resulted in a product that does not require a rubbing step [334]. This product has met all the microbiological and cleaning efficacy requirements, including those proposed in the ISO Guidelines.
Table 12 Types of Tests and Requirements Proposed by FDA for Product Development I. Chemistry=manufacturing A. Solution=container descriptions B. Solution stability testing C. Lens group selection for solution testing II. Toxicology A. Solution testing 1. Acute oral toxicity assessment 2. Acute systemic toxicity assessment 3. Acute ocular irritation and cytotoxicity assessment 4. Sensitization=allergic response assessment a. Preservative uptake and release test b. Guinea pig maximization testing B. Container=accessory testing 1. In vitro testing 2. Systemic toxicity testing 3. Primary ocular irritation testing III. Microbiology A. Sterilization of the solution by the manufacturer 1. Validation of the sterilization cycle 2. USP sterility tests 3. USP type preservative effectiveness test 4. USP microbial limits test B. Shelf life testing requirements 1. Shelf life sterility 2. Shelf life preservative effectiveness 3. Extension of shelf life protocol C. Disinfection of the lens 1. Chemical disinfection systems a. Contribution of elements test b. D-value determinations c. Multi-item microbial challenge test IV. Clinical A. Patient characteristics B. Number of eyes duration and number of investigators C. Initial patient visit parameters
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Table 1 Typical Elastomeric Formulation Ingredients Elastomer
Base material
Curing agent Accelerator Activator Antioxidant Plasticizer Filler Pigment
Form cross-links Type and rate of cross-link Efficiency of accelerators Antidegradant Processing aid Physical properties Color
Table 2 Typical Thermoset Rubber Formulations
Chlorobutyl Calcined clay Paraffinic oil Titanium dioxide Carbon black Thiuram Zinc oxide Hindered phenol AO Total
PHR
%
100 75 8 2 0.25 0.35 3 1 189.60
52.7 39.6 4.2 1.1 0.13 0.18 1.6 0.53 100.0
Table 3 Typical Thermoplastic Rubber Formulation
Kraton G Paraffinic oil Calcined clay Total
PHR
%
100 10 30 140
71.4 7.1 21.5 100.0
Table 4 Rubber-Curing Agents and Accelerators Metal oxides Resins Peroxides Amines Dithiocarbamates Thiurams Sulfenamides Thiazoles
elastomers for specific applications in all cases because of the multiplicity of product and end-use situations.
A. Mechanical Properties of Elastomers For the most part, these are formulation-specific parameters and cannot be assessed on individual
closures [6]. These include tensile strength, elongation at break, and modulus of elongation. These last two properties are important in compound selection in the area of coring and during needle penetration. The more an elastomer stretches before the needle punctures it, the smaller the core and resultant penetration hole. Compression set and durometer hardness are also important mechanical properties. Compression set is defined as the amount by which an elastomer fails to return to its original thickness after being subjected to a standard compressive load or deflection for a specified time at a specified temperature. A low percent compression set typifies a more compression resistant elastomeric formulation. Compression set of a closure on a sealed vial is a factor in maintaining the sterility and potency of the drug itself. Compression set of a plunger in a syringe or cartridge system is critical. The plunger fits snugly against the side of the barrel, maintaining a seal. If the compression set percentage is too high, there may be potential problems of leakage, loss of sterility, or potency loss. On the other hand, if the compression set percentage is too low, the break-loose force or the travel force may be too great. These can sometimes be adjusted with external lubricants prior to assembly. The detachment force of the plunger rod from the syringe plunger tip may also be too low. In addition to normal compression set test conditions, usually 22 hours at 70 C in a hot air oven, pharmaceutical elastomeric closures may be subjected to compression set conditions simulating steam sterilization cycles in an autoclave for 30 minutes at 121 C. Also, sterilizing cycles employing ETO, radiation, or dry heat are used. Comparison data between formulations are used to develop compression set values that will identify potentially acceptable compounds under these conditions. Durometer hardness is defined as the measure of resistance to indentation using either a macro- or microhardness tester. To the pharmaceutical drug manufacturer, hardness is important because of its relationship to ultimate mechanical properties — particularly modulus. In general, softer compounds of the same elastomer base have better coring and reseal properties, whereas harder compounds tend to process better on high-speed filling lines. An additional consideration under mechanical properties is the characterization of formulation performance by measuring solvent resistance. This parameter is defined as the ability of an elastomeric closure to retain original mechanical and physical properties without undue dimensional change, decomposition or
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[14]. If a product is light sensitive, appropriate measures to protect it must be taken. This can take the form of addition of opacifying agents to the plastic, use of aluminum foil laminations, or employing light-resistant secondary packaging.
E. Polymer Modification Interactions affecting the properties of the plastic container, as a consequence of contact with the drug preparation, are also of importance. To a large extent, the protective or functional aspects of a plastic container are directly related to its mechanical properties. While this can be satisfactory initially, changes resulting from interactions can occur gradually and require evaluation as part of the stability testing program. Polyethylene and polystyrene are examples of plastics subject to environmental stress cracking. Crack resistance tests have shown that surfactants, alcohols, organic acids, vegetable and mineral oils, and ethers provide an active environment for stress cracking of polyethylene. Table 6 lists typical sterile devices and plastic materials used to fabricate them, while Tables 7–9 list the potential effects of sterilization processes on polymeric materials. The effect of gamma irradiation on elastomeric closures has been studied by the Parenteral Drug Association [15].
Table 7 Gas Sterilization — Effects on Polymeric Materials Advantage: low temperature sterilization Considerations: ETO reactivity with polymer=product ETO penetration=aeration varies with polymer ETO and degradation product toxicity Impact on seal integrity
Table 8 Steam Sterilization — Effects on Polymeric Materials Curling=aging effect Viscoelastic effects and impact on functionality Solubility changes of polymer Dimensional effects Moisture content in polymer
Table 9 Ionizing Radiation — Effects on Polymeric Materials Free radical and excited ion formation Bond scission=cross-linking Cosmetic effects Drug=polymer reactions Effects vary with geometry=additives
Table 6 Parenteral Drug Administration Devices
Recent advances in plastics development include: Sterile device Containers for blood products Disposable syringes
Irrigating solution containers
i.v. Infusion fluid containers
Administration sets
Catheter
Plastic material Polyvinyl chloride Polycarbonate Polyethylene Polypropylene Polyethylene Polypropylene Polyvinyl chloride Polyethylene Polypropylene Polyvinyl chloride Nylon (spike) Polyvinyl chloride (tubing) Polymethylmethacrylate (needle adapter) Polypropylene (clamp) Teflon Polypropylene Thermoplastic elastomers
Fewer extractables Greater biocompatibility Cleaner materials Specialty laminates Gamma irradiation resistance
IV. METAL Materials used for various pharmaceutical drug-delivery systems include tin-plated steel, mild steel, stainless steel, tin-free steel, and aluminum and its various alloys.
A. General Properties Metal is strong, opaque, and impermeable to moisture, gases, odors, light, bacteria, etc. It is resistant to high and low temperatures. Malleable and ductile, metal is usually used in thin sections.
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Table 18
Examples of Packaging Concerns for Common Classes of Drug Products
Degree of concern associated with the route of administration
Highest High
Low
Likelihood of packaging of component — dosage form interaction High
Medium
Inhalation aerosols Injectables Ophthalmic solutions Transdermal patches Nasal aerosols Topical solutions Oral solutions
Sterile powders Injection
The regulatory authorities in the United States have issued interim guidelines for the interchangeability of blister packaging materials. The initial suggested criterion for consideration is: ‘‘a change in container closure system of unit dose packaging (blisters) for non-sterile solid dosage forms is permitted as long as the new package provides the same or better protective properties and any new primary packaging component materials have been used in and been in contact with CDER approved products of the same type.’’ Examples of packaging concerns for common classes of drug products are listed in Table 18.
X. IN SUMMARY Packaging of pharmaceutical dosage forms and medical devices have many requirements in common with other commercial products. Package design must address the finished products’ needs, including: Physical and chemical properties of the product Deteriorating factors in the environment Process requirements Package machine operation Storage and distribution requirements Distribution flow and timing Methods of distribution Successful packaging can be achieved when all factors in the system are addressed adequately.
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Topical powders Oral powders
Low
Oral tablets Capsules
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Chapter 18 Optimization Techniques in Pharmaceutical Formulation and Processing Joseph B. Schwartz .
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Fig. 10 Secondary properties of various suspensions yielding zero dose variation. (From Ref. 16.)
‘‘global best.’’ The type of predictor equation used with this type of design is a second-order polynomial of the following form: Y ¼ a0 þ a1 X1 þ
þ a5 X5 þ a11 X21 þ
þ a12 X1 X2 þ a13 X1 X3 þ
þ a55 X25
þ a45 X4 X5
Table 2 Formulation Variables (Independent) X1 X2 X3 X4 X5
Diluent ratio Compressional force Disintegrant level Binder level Lubricant leve1
Table 3 Response Variables (Dependent) Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8
Disintegration time Hardness Dissolution Friability Weight uniformity Thickness Porosity Mean pore diameter
ð9Þ
where Y is the level of a given response, aij the regression coefficients for second-order polynomial, and Xi the level of the independent variable. The full equation has 21 terms, and one such equation is generated for each response variable. The usefulness of the equation is evaluated by the R2 value, or the index of determination, which is an indication of the fit. In most cases the fit was satisfactory, and the equations were used. One possible disadvantage of the procedure as it is set up is that not all pharmaceutical responses will fit a second-order regression model. In fact, further analysis was attempted, and the results indicated that one of the responses was adequately described by a modified third-order model (inter-action terms were eliminated.) However, a significant advantage of the digital system utilized is that it can be modified to accept other mathematical models — another order polynomial, any other empirical relationship, or a mathematical model based on first principles. For the optimization itself, two major steps were used: the feasibility search and the grid search. The feasibility program is used to locate a set of response constraints that are just at the limit of possibility. One selects the several values for the responses of interest (i.e., the responses one wishes to constrain), and a search of the response surface is made to determine whether a solution is feasible. For example, the constraints in Table 6 were fed into the computer and were relaxed one
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Chapter 23 The Pharmacist and Veterinary Pharmaceutical Dosage Forms J. Patrick McDonnell * . !
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Chapter 24 Dietary Supplements Teresa Bailey Klepser *
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