Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét (SEM) & EDS trong nghiên cứu và phát triển dược phẩm

Nghiên cứu và phát triển Dược phẩm đang ngày càng phát triển, mục tiêu hiểu rõ các thuộc tính micro và nano của các chế phẩm thuốc là rất quan trọng. Trung tâm của nỗ lực này là việc triển khai các công nghệ hình ảnh tiên tiến như kính hiển vi điện tử quét (SEM) – một kỹ thuật cốt lõi được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật để phân tích hình thái và bề mặt của vật liệu. Phương pháp này hoạt động bằng cách cho chùm electron tập trung quét trên bề mặt mẫu trong môi trường chân không, tạo ra nhiều tín hiệu electron được phát hiện và xử lý để tạo thành hình ảnh phóng to. Ngoài việc hình ảnh hóa, tia X phát ra trong quá trình quét cũng cho phép nghiên cứu thành phần nguyên tố với SEM; quá trình này được gọi là quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS). Khi kết hợp, hai kỹ thuật này cung cấp một lượng thông tin phong phú và toàn diện về mẫu.

Phân tích SEM cho phép các nhà khoa học tối ưu hóa công thức thuốc bằng cách cung cấp thông tin chi tiết về kích thước và thành phần nguyên tố của các hạt. Thông tin này rất cần thiết để hiểu sự phân bố của thành phần dược chất (API) và xác định các tạp chất vi lượng là nguyên nhân chính dẫn đến rủi ro về chất lượng và an toàn sản phẩm. Khả năng hình ảnh linh hoạt của nó cũng có thể được sử dụng để quan sát các thành phần dược phẩm theo thời gian nhằm làm sáng tỏ các cơ chế micro của hệ thống phân phối thuốc được kiểm soát và đánh giá độ ổn định. Thêm vào đó, kỹ thuật này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị phân phối thuốc bằng cách phục vụ như một công cụ kiểm soát chất lượng và phân tích sự cố.

Xác định đặc trưng hình thái hạt bằng kính hiển vi điện tử quét

Việc xác định kích thước, để tối ưu hoá và duy trì hiệu quả lâm sàng của nhiều loại sản phẩm thuốc, việc xác định hình dạng và hình thái bề mặt của bột dược phẩm là rất quan trọng. Các hạt nhỏ hơn – do diện tích bề mặt riêng lớn – thường liên quan đến tốc độ hòa tan nhanh hơn. Sự phân bố kích thước trong một lô vật liệu thuốc là một chỉ số chất lượng chính của quy trình sản xuất. Một lô có phân bố kích thước hạt đồng nhất thường được coi là tiêu chuẩn vàng, vì nó đảm bảo sự giải phóng thuốc đồng nhất và liều lượng đồng đều trong các sản phẩm. Tuy nhiên, sự biến đổi có thể dẫn đến sự khác biệt lâm sàng trong cách thuốc được hấp thụ và chuyển hóa trong cơ thể. Mặt khác, việc hiểu cách hình thái hạt ảnh hưởng đến tính chất chảy và đóng gói là cần thiết để tối ưu hóa công thức thuốc. Ví dụ, các tinh thể giống như kim có thể có tính chất chảy kém hơn so với các hạt có hình cầu hơn. Do đó, việc phân tích hình dạng hạt giúp lựa chọn quy trình sản xuất và công thức phù hợp nhất.

Hệ thống phân tích hạt tự động Phenom ParticleX là một trong các giải pháp của SEM cho phép phát hiện nhanh chóng các biến thể kích thước hạt thông qua hình ảnh độ phân giải cao tự động. ParticleX cũng là một công cụ thống kê toàn diện, thu thập dữ liệu hình học và thành phần nguyên tố trên hàng trăm hoặc hàng nghìn hạt riêng lẻ và biên soạn kết quả trong các báo cáo, đồ thị và bảng dễ tiếp cận cho người dùng.

Hình 1. Một ví dụ về giao diện người dùng của phần mềm phân tích hạt tự động Phenom ParticleX. Tổng cộng có 434 hạt đã được đưa vào phân tích hình ảnh SEM và EDS, tạo ra các bảng và biểu đồ mà người dùng có thể kiểm soát để xem và báo cáo. Tại đây, có thể thấy rằng hạt phong phú nhất có đường kính hình tròn tương đương trong khoảng 12 μm với một chút hơn 60 lần đếm.

Xác định phân bố API trong các công thức thuốc bằng SEM

Các API ở dạng tinh khiết thường thiếu tính khả dụng sinh học và dược động học phù hợp, cần sử dụng thêm các thành phần không hoạt tính. Do đó, việc kết hợp hiệu quả các API vào các công thức như viên nén, viên nang, nhũ tương, gel và miếng dán với tá dược là cần thiết để nâng cao tính khả dụng sinh học. Sự lựa chọn và tỷ lệ cụ thể của tá dược phụ thuộc vào các yếu tố như tính tan của API, dạng liều, động học giải phóng và phương pháp mà thuốc được đưa vào cơ thể.

Hình 2. Hình ảnh SEM và bản đồ EDS của một bột dược phẩm cho thấy rằng API, chủ yếu được cấu thành từ nitơ, tập trung ở các vùng lõm của các hạt tá dược dựa trên carbon, hydrogen và oxygen. Dữ liệu được thu thập bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử để bàn Phenom với các tính năng EDS tích hợp.

Các nhà sản xuất thuốc dựa vào hình ảnh độ phân giải cao và quang phổ để phân tích các công thức ở quy mô vi mô và nano. SEM kết hợp EDS cung cấp hình ảnh bề mặt chi tiết và bản đồ thành phần của các hạt, trung gian và sản phẩm thuốc cuối cùng. Ví dụ trong hình 2 cho thấy sự cân bằng bám dính của API trong bộ hít bột khô. Khi đem so sánh hình ảnh chụp được bằng kính hiển vi điện tử quét với bản đồ EDS cho thấy API giàu nitơ không tập trung nhiều vào các vùng bề mặt nhẵn và lồi mà chủ yếu vào các vùng lõm của tá dược. Do đó, việc hiểu rõ hình thái bề mặt của các hạt tá dược là vô cùng quý giá để đánh giá mức độ bám dính của API thông qua các cơ chế tương tác.

Phát hiện tạp chất vi lượng bằng kính hiển vi điện tử quét đầu dò EDS

Đảm bảo độ tinh khiết của các công thức thuốc là rất quan trọng đối với sự an toàn và hiệu quả của bệnh nhân. Các lượng tạp chất vô cơ vi lượng có thể được đưa vào từ nguyên liệu thô, tương tác đóng gói và quy trình như xay xát và trộn dưới dạng kim loại hoặc hợp chất hữu cơ. Ngay cả ở nồng độ thấp, các chất ô nhiễm cũng có thể làm thay đổi đáng kể độ ổn định của thuốc và kết quả lâm sàng. Các kỹ thuật phân tích nhạy cảm như SEM và EDS do đó rất cần thiết để cung cấp các bản đồ chi tiết về thành phần nguyên tố ở quy mô vi mô và nano. Những thông tin này vô cùng có giá trị trong việc xác định nguồn gốc tạp chất vi lượng trong các hợp chất dược phẩm có thể được đưa vào trong quá trình sản xuất.

Kiểm tra công thức giải phóng được kiểm soát bằng kính hiển vi điện tử quét

Các hệ thống phát thuốc giải phóng kiểm soát được thiết kế để giải phóng các thành phần dược phẩm được bao bọc trong thời gian dài hơn bằng cách khuếch tán dần ra khỏi ma trận vật liệu. Các đặc điểm giải phóng được kiểm soát bởi cấu trúc và tính chất của ma trận. Các ma trận polymer thường được sử dụng, trong đó thuốc hoạt tính khuếch tán qua các lỗ và kênh trong mạng lưới polymer. Để hình dung các mạng lưới này, SEM rất phù hợp để hình ảnh trực tiếp các cấu trúc lỗ với độ phân giải cao. Ví dụ, SEM có thể được áp dụng cho các ma trận polymer cắt ngang tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thử nghiệm giải phóng. Sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh PoroMetric của Phenom, sự phân bố kích thước lỗ có thể được đo để cho phép dễ dàng nhận diện các thay đổi theo thời gian. Kiến thức thu được từ việc hình dung trực tiếp có thể được sử dụng để tối ưu hóa kích thước lỗ hoặc đánh giá sự đồng nhất tổng thể của các cấu trúc vi mô này. Hơn nữa, do độ phân giải cao, sự tiến hóa hình thái có thể cho thấy chính xác cách mà kiến trúc lỗ biến đổi trong quá trình giải phóng API.

Hình 3. Một ví dụ về việc hình ảnh hóa bề mặt microsphere và micropore được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử để bàn Phenom XL. Độ rỗng của microsphere đầu tiên có thể cho phép một sự giải phóng thuốc không mong muốn, trong khi microsphere thứ hai thể hiện bề mặt mịn màng hơn. Tính năng hình ảnh ở áp suất thấp của Phenom đã được sử dụng để thu thập các hình ảnh này nhằm tránh việc phủ sputter, có thể đã che lấp các lỗ.

Ứng dụng kiểm tra độ ổn định bằng kính hiển vi điện tử quét

Các công thức thuốc cần đủ ổn định để chịu đựng những biến động về nhiệt độ và độ ẩm trong quá trình sản xuất, vận chuyển và lưu trữ. Tuy nhiên, cả sự phân hủy vật lý và hóa học của các thành phần ban đầu đã được tối ưu hóa có thể là những trở ngại khó khăn. Những tác động không mong muốn như kết tụ, nứt và kết tủa xảy ra do sự tương tác giữa các thành phần hoạt tính và không hoạt tính cũng như ảnh hưởng từ môi trường. SEM được sử dụng để đánh giá sự thay đổi về hình thái và thành phần của công thức theo thời gian nhằm thiết lập một hiểu biết vững chắc hơn về độ ổn định tổng thể. Với hình ảnh độ phân giải cao, các thay đổi vật lý hóa học ở quy mô nano dễ dàng được phát hiện và đánh giá bằng SEM/EDS.

Kiểm tra phương thức giải phóng dược chất bằng SEM

Phương thức giải phóng dược chất là công cụ hoặc dụng cụ chuyên biệt được thiết kế để cung cấp các chất điều trị, chẳng hạn như thuốc hoặc dược phẩm, cho bệnh nhân. Những phương thức này rất quan trọng trong việc đảm bảo rằng thuốc được phát theo cách kiểm soát và hiệu quả, thường nhắm mục tiêu vào các khu vực cụ thể của cơ thể hoặc cung cấp giải phóng liên tục theo thời gian.

Microneedles là một ví dụ về phương pháp phát thuốc qua da mới nổi, được thiết kế để xuyên qua lớp bảo vệ của da mà không gây đau và cung cấp thuốc đến các khu vực mục tiêu dưới da. Chúng là các cấu trúc được chế tạo từ các kim siêu nhỏ được sắp xếp trên một miếng dán áp lên da. Khi được áp dụng, các microneedles tạo ra những con đường tạm thời nhỏ vào lớp biểu bì và lớp thượng bì để các tác nhân điều trị đi theo và cuối cùng bắt đầu vào tuần hoàn hệ thống. Do kích thước của công nghệ này, SEM rất có giá trị trong việc đảm bảo chất lượng của các microneedles đã chế tạo như loại rắn, tan, hydrogel, phủ và rỗng. Với hình ảnh phóng đại cao cho thấy rõ tính toàn vẹn của kim, sự đồng nhất về hình dạng, lớp phủ và nhiều hơn nữa, hình ảnh SEM giúp các nhà nghiên cứu dược phẩm phát triển các nền tảng phát thuốc mới vào các ứng dụng lâm sàng.

Tóm tắt lại

Trong ngành dược phẩm, sự kết hợp giữa SEM và EDS là vô giá vì tính hữu dụng và linh hoạt của nó. Hai kỹ thuật này cung cấp những hiểu biết quan trọng về đặc trưng hạt, ảnh hưởng đến hiệu quả thuốc và tính khả dụng sinh học tổng thể. Khả năng của SEM/EDS trong việc phát hiện tạp chất vi lượng là rất cần thiết để đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm, từ đó tiết kiệm chi phí đáng kể nếu các lô hàng bị ô nhiễm và đảm bảo an toàn cho những người nhận sản phẩm cuối cùng. Thêm vào đó, trong công thức giải phóng được kiểm soát và thử nghiệm độ ổn định, phân tích chính xác của SEM/EDS là chìa khóa để tối ưu hóa tuổi thọ và cơ chế giải phóng khi được đưa vào sử dụng. Cuối cùng, mặc dù đây không phải là danh sách đầy đủ về tất cả các ứng dụng, SEM và EDS được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc và chức năng của các thiết bị phát thuốc, chứng tỏ rằng chúng không chỉ là các phương pháp mà các nhà nghiên cứu dược phẩm sử dụng để thực hiện công việc khoa học của họ, mà còn là các yếu tố thiết yếu trong việc duy trì chất lượng của ngành giải pháp chăm sóc sức khỏe.