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Kapitel 15. Zusammenfassung und Bewertung der Dissertation

15.1. Standortbestimmung und Ziel der Arbeit

In der vorliegenden Arbeit wurde die Einbrennsilikonisierung bei pharmazeutischen Parenteralia-Packmitteln aus Glas wissenschaftlich untersucht.

Die Ziele der Einbrennsilikonisierung sind das Aufbringen von Gleitfilmen auf Glasspritzen für die Gummistopfen in vorgefüllten Spritzen und die Hydrophobierung von Behältnisinnenflächen zur Ablaufbeschleunigung bzw. besseren Entnehmbarkeit. Ein weiterer Grund ist die Deaktivierung der Glasoberfläche zur Reduktion der Adsorption von hydrophilen Arzneimittelkomponenten mit dem Ziel der Produktstabilität.

Die Aufarbeitung der Literatur spiegelt das geringe Ausmaß des verfügbaren Wissens wider. Die Aussagen über Vorgänge bei der Einbrennsilikonisierung sind sehr unterschiedlich und beruhen meistens auf Vermutungen. In den letzten zwanzig Jahren wurden keine neuen Methoden zur Untersuchung dieses Prozesses angewandt.

Im Rahmen von eigenen Vorversuchen wurde eine entscheidende Beobachtung über das Verhalten einbrennsilikonisierter Gläser gemacht:

• Durch die wiederholte Extraktion und auch durch das Kochen von einbrennsilikonisierten Glaskörpern am Rückfluß mit geeigneten Silikonöl-Lösemitteln wird keine reine Glasoberfläche wiedergewonnen. Vielmehr zeigt sich eine äußerst beständige Hydrophobie, die nur durch den Einsatz sehr hoher Temperaturen von 600° C beseitigt wird.

Dieser Ansatzpunkt für die weitere Untersuchung silikonisierter Gläser stellt den Neuanfang gegenüber allen bisher dagewesenen Untersuchungen dar, da alle früheren Analysen an silikonisierten Gläsern immer unmittelbar nach der Einbrennsilikonisierung durchgeführt wurden, ohne Berücksichtigung der Tatsache, daß die in diesem Zustand aufliegende Schicht in ihren Eigenschaften nicht homogen sein könnte.

Zur Präzisierung des Verhaltens von silikonisierten Gläsern wurden Gleit-/Haftreibungsexperimente und Studien des hydrophil-hydrophob-Verhaltens durch Kontaktwinkel- und Ablaufexperimente durchgeführt.

Aus den physikalisch-mechanischen Studien und der Analyse bestehender Literatur konnte eine Arbeitshypothese entwickelt werden, in der die Vorstellung von einer homogenen Silikonschicht nach Einbrennsilikonisierung revidiert und völlig neu formuliert wurde.

Demnach befinden sich nach einer Einbrennsilikonisierung mindestens zwei differenzierbare Silikonkomponenten auf der Glasoberfläche:

• eine ortsfeste Dünnschicht, die durch starke Kräfte mit der Glasoberfläche direkt verbunden ist und durch Lösemittel nicht entfernt wird, und

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• eine ölartige, bewegliche Schicht von Polydimethylsiloxan, die mit dem Untergrund nicht fest verhaftet ist. Diese Schicht wird in ihrer Hydrophobwirkung durch die Temperaturbehandlung verstärkt. Sie ist durch lipophile organische Lösemittel solvatisierbar und wird für die ausreichende Gleitreibungsreduktion in vorgefüllten Glasspritzen benötigt.

Eine vollständige Ablösung des Silikonölfilmes von der Glasoberfläche durch lange andauernde Beregnung mit Wasser postulierten Steinbach und Sucker [ 42 ].

Diese Behauptung kann so nicht mehr aufrecht erhalten werden, denn wie die vorliegenden Versuche zeigen, wird nicht einmal durch geeignete lipophile Lösemittel die Hydrophobwirkung gänzlich entfernt.

15.2. Ergebnisse des experimentellen Teils

Ausgehend von der zweiteiligen Strukturierung wurde ein breites Spektrum von chromatographischen und spektroskopischen Analysetechniken ausgewählt, um den Nachweis beider Silikonspecies zu führen bzw. deren Beschaffenheit näher zu charakterisieren.

Es war durch dieses umfangreiche Programm möglich, Aspekte der Einbrennsilikonisierung von vielen verschiedenen Seiten zu beleuchten und die aus unterschiedlichen Bereichen erhaltenen Informationen zu kombinieren, zu vergleichen und zu wesentlichen neuen Erkenntnissen zu verdichten.

Im Vordergrund der Arbeit steht nicht der methodische Fortschritt bei der Analyse von Silikonverbindungen, sondern die ergebnisorientierte Anwendung moderner analytischer Verfahren auf silikonisierte Gläser und zu deren Herstellung verwendeten Ausgangsmaterialien.

Wesentlich ist auch, daß im Gegensatz zu früheren Studien fast ausschließlich mit produktionsauthentischem Probenmaterial gearbeitet wurde. Sowohl die silikonisierten Gläser als auch Extrakte von eingebranntem Silikonöl wurden aus Produktionschargen oder unter Produktionsbedingungen hergestellten Chargen gezogen. Damit sind alle Analyseergebnisse direkt mit der praktischen Seite der Silikonisierung verknüpft.

15.2.1. Oberflächenanalyse silikonisierter Gläser

Durch Röntgenphotoelektronen- und Augerelektronenspektroskopie konnten zahlreiche Informationen gewonnen werden. Dazu wurden zwei Studien mit small-spot-XPS (SS-XPS) einerseits und kombinierter XPS/AES andererseits durchgeführt.

In der SS-XPS-Studie gelang es, die Anwesenheit einer unlöslichen Silikon-Dünnschicht aus den Informationen von Übersichts- und Elementlinienspektren nachzuweisen. Ein zweiter Beweis ist das fingerprintartige Valenzbandspektrum der silikonisierten Probe, das für Polydimethysiloxan typisch ist.

Die zweite Studie zeigte, wie sich die eingesetzten Materialien Glas und Silikon gegenüber ihrem Ausgangszustand verändert haben. Das Silikonöl hat sich demnach durch die

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Als zentrales Ergebnis dieser Untersuchung läßt sich feststellen, daß durch die Veränderung beider Komponenten eine Bindungsbildung untereinander angezeigt wird. Damit kann erstmalig bewiesen werden, daß die Theorie von Noll und Weißbach [ 35 ] richtig ist, auch wenn die genaue Struktur der Bindung weiterhin noch nicht analysiert ist.

Unter den Bedingungen der Einbrennsilikonisierung wird Polydimethylsiloxan an der Glasoberfläche kovalent gebunden. Als Reaktionspartner auf der Glasseite sind die freien Silanolgruppen anzunehmen, da sie die einzige nach außen gerichtete Funktionalität dieser Matrix darstellen. Der Grund für die Reaktion des sehr inerten und thermostabilen PDMS liegt in der Ähnlichkeit des PDMS mit der Glasstruktur und auch in der Aktivierung der Silanolgruppen durch die Zerstörung von deren Hydrathülle bei den Temperaturen oberhalb von 300° C. Gründe für die Aktivierung des Polydimethylsiloxans können der destabilisierende Einfluß des Wassers, der Emulgatoren und der sauerstoffhaltigen Heißluftatmosphäre sein.

Mit der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie (TOF-SIMS) konnte die Identifizierung von PDMS auf der Glasoberfläche nach Lösemittelextraktion noch spezifischer erreicht werden. Die Massenspektren der silikonisierten Probe zeigen dabei eine große Zahl von silikontypischen Fragmenten, die auch aus einer kalt silikonisierten PDMS-Monolage auf Glas auftraten.

Die Veränderung der Silikonöl-Komponente bzw. die Bindung auf die Glasoberfläche wurde durch Betrachtung relativer peak-Intensitäten analysiert. Es zeigte sich, daß signifikant mehr Fragmente mit geringer Methylierung und damit höher oxidierten bzw. verzweigten Siliciumatomen zu finden waren. Neben dem Hinweis auf diese Struktur fand sich außerdem ein Fragment höherer Intensität bei m/z 103, welches eine Glas-Silikon-Bindung anzeigen kann.

Die wechselnden Gesamtintensitäten der detektierten Silikon-peaks auf den einbrennsilikonisierten Proben zeigen, daß das aus ESCA-Daten angenommene Modell der inhomogenen Verteilung auf der Oberfläche richtig ist.

Der Versuch, oberflächenbezogene IR-Spektren aus der Glas-gebundenen Silikonlage zu erhalten, blieb erfolglos. Mit keiner der verwendeten Methoden (ATR, MIR, RAS, DRIFT und PAS) ließen sich verwertbare spektrale Informationen erhalten.

Einige Vergleiche mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) ließen keine Unterschiede der verschiedenen Glasproben hinsichtlich der Oberflächen-Topographie erkennen. Problematisch war dabei v.a. die Partikelbelastung durch das Präparieren der Muster.

Analysen durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) konnten durch Phasenkontrastaufnahmen die Silikonschicht vom Glas differenzieren und außerdem ganz klar bestätigen, daß diese durch die Lösemittelextraktion nicht gänzlich entfernt wird. Mechanische Einwirkungen durch die

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15.2.2. Analyse von Silikonölausgangsprodukten und Extrakten eingebrannter Silikonöle

In einem zweiten großen Block wurde die aus einbrennsilikonisierten Gläsern extrahierbare Silikonölschicht chromatographisch und spektroskopisch untersucht und mit den entsprechenden Ausgangsprodukten verglichen.

Ziel war es einerseits, die eingesetzten Produkte besser einschätzen zu können und einige grundsätzliche Abhängigkeiten z.B. in bezug auf die Viskosität zu ermitteln. Andererseits sollten die Veränderungen erfaßt werden, die an authentischen, der Produktion entnommenen Materialien durch Einbrennsilikonisierung bewirkt werden.

Die Anwendung der verschiedenen Methoden erfolgte auf das identische Material und erlaubte damit den direkten Vergleich. Dazu standen zwei Produktreihen von Silikonölen und Silikonölemulsionen der Firmen Dow Corning und Bayer (DC-360 medical fluid/DC-365 medical grade emulsion und Baysilone-MPH/-Ölemulsion-H) in jeweils zwei Chargen und der gesamten Viskositätspalette zur Verfügung.

Alle verfügbaren Silikonölprodukte (nicht Emulsionen) und verschiedene Extrakte eingebrannter Silikonöle wurden unter gleichen Bedingungen in einem SEC-VISC-LS-System in Toluol chromatographiert und Molekulargewichtsverteilungen berechnet.

Individuelle Charakteristiken der einzelnen Produkte konnten im Vergleich zwischen Herstellern und Chargen ermittelt werden.

Neben diesen Produktvergleichen stand die Veränderung von Silikonölen durch Einbrennsilikonisierung im Vordergrund. Als Proben dienten eingebrannte Öle der Produkte DC-360, 350 cSt. und Baysilone-MPH, 100 cSt. Beide verändern sich insbesondere im niedermolekularen Anteil der Siloxane einer Kettenlänge von bis zu 50 Einheiten und zeigen außerdem eine Verschiebung ihrer Molekulargewichts-Mittel.

Mittels der Gaschromatographie gelang eine Feindifferenzierung der niedermolekularen Fraktion und die Visualisierung der durch Einbrennsilikonisierung entstandenen neuen Zusammensetzung. Die detektierten Polydimethylsiloxane konnten durch Retentionsindices und massenspektroskopische Charakterisierung identifiziert und in cyclische und lineare Species unterteilt werden. Durch Anwendung sehr hoher Temperaturen konnten lineare und cylische PDMS mit bis zu 53 respektive 46 Siloxaneinheiten detektiert werden. Dies sind die größten Siloxane dieses Typs, die bisher mit Gaschromatographie getrennt wurden.

Der organisch-lösliche Anteil von Silikonölen erleidet durch die Einbrennsilikonisierung erhebliche Veränderungen im Sinne von Massenverlusten, nicht jedoch durch "Nachvernetzung" oder "Hitzefixierung", wie häufig behauptet wurde. Durch die in dieser Arbeit angewendeten chromatographischen Verfahren konnten die entstehenden Defekte erstmalig detailliert im Vergleich mit Ausgangsprodukten dargestellt werden.

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Zur Bewertung des Temperatur-abhängigen Verhaltens von Silikonölen und -ölemulsionen wurden thermogravimetrische Studien durchgeführt.

In diesem Abschnitt des experimentellen Teils wurde mehr modellorientiert gearbeitet. Da der direkte Schluß vom TG-Experiment auf reale Gegebenheiten nicht ohne weiteres vollzogen werden kann, wurde die Information zur thermischen Stabilität aus dem vergleichenden Versuchsdesign unter identischen Analyse-Bedingungen erhalten. Zusätzliche Möglichkeiten bot die optionale Anwendung verschiedener Atmosphären während der Analyse, da die Einbrennsilikonisierung durch Anwendung von Heißluft durchgeführt wird.

Zusammenhänge zwischen Viskosität/Molekulargewicht und charakteristischen TG-Profilen und der Einfluß atmosphärischer Bedingungen konnten dabei erkannt werden.

Bemerkenswert neue Erkenntnisse lieferte der Vergleich von Silikonölemulsionen unter Standardbedingungen (s.o.). Hier konnten reproduzierbar sehr produktspezifische Massenverlustkurven erhalten werden. Im Bereich des Abbaus der schwer flüchtigen Substanzen wurde dort nur für Dow Corning ein einphasiger, für Baysilone- und Shinetsu-Emulsionen jedoch ein zweiphasiger Verlauf festgestellt.

Die Thermostabilität des Silikonöls in Emulsion, also in Anwesenheit von weiteren Hilfsstoffen wie Emulgatoren und teilweise Konservierungsmitteln, wird durch die individuelle Produktzusammensetzung je nach Produkt stark reduziert und überwiegt den bei reinen Ölen erkannten destabilierenden Einfluß einer O₂-haltigen Atmosphäre.

Eine weitere Annäherung an die Praxis der Silikonisierung konnte durch eine Thermogravimetrie-Massenspektroskopie-Kopplung (TG-MS) und durch Simulation von Einbrennprozessen bei reinen Ölen und Emulsionen erreicht werden.

Die TG-MS-Analysen unter Standardbedingungen in N₂ (s.o.) im selektiven Ionen Monitoring (SIM), ermöglichte es, die Verdampfungs- bzw. Zersetzungsprozesse von Silikonöl und Emulgatoren zeitlich und temperaturbezogen zu trennen.

Ein praxisnah simulierter Temperaturverlauf schließlich hob die Bedeutung der Einbrennzeit mit einer isothermen Phase bei 315° C hervor. Auch dort sind die Werte aus Emulsionen und reinen Silikonölen nicht vergleichbar, da der grundsätzliche Einfluß der Emulsionskomponenten vorherrscht.

Eine wichtige Frage, die häufig gestellt wurde, ist das Schicksal der Emulsionshilfsstoffe während der Einbrennsilikonisierung. Dies geschieht v.a. im Hinblick auf durch Verunreinigungen hervorgerufene Phänomene im fertigen Produkt. Neben einer allgemeinen Aussage eines Herstellers (Dow Corning) existieren keine wissenschaftlichen Studien, die sich damit beschäftigen.

Unter Einsatz der NMR-Spektroskopie wurden eingebrannte Silikonöle im Vergleich mit Silikonölemulsionen untersucht.

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Es gelang außerdem, eine Strukturanalyse der Emulgatoren durchzuführen, deren genaue Identität und Menge vom Hersteller nicht veröffentlicht wird (nur allgemeine Angaben sind verfügbar). Dies gelingt über die MALDI-TOF-Massenspektroskopie der isolierten Emulgatorfraktion und durch NMR-Analyse der dehydratisierten Emulsionen im Vergleich mit Spektren reiner Emulgatoren.

Es ist anzunehmen, daß Silikonöle durch die Einbrennsilikonisierung auch eine Veränderung ihrer Viskosität erfahren. Viskositätsmessungen sind auf Grund der sehr kleinen Mengen an extrahierbarem eingebrannten Silikonöl schwierig. Es wurde daher versucht, einen Zusammenhang zu Viskosität und Molekulargewicht über Infrarot-spektroskopische Eigenschaften herzustellen, mit dessen Hilfe deren Abschätzung ermöglicht wird.

Das FTIR-Spektrum der Produktreihen des gesamten Viskositätsbereiches wurde dazu aufgezeichnet und festgestellt, daß ein Zusammenhang zwischen der relativen Absorption einer end- und einer mittelständigen Gruppe als Maß für die Viskosität bzw. die steigende mittlere Kettenlänge ausnutzbar ist.

Die graphische Bestimmung unbekannter Viskositäten bei eingebrannten Silikonölen aus einer interpolierten Viskositäts/relative Absorptions-Kurve der jeweiligen Ausgangsprodukte lieferte plausible Daten. Demnach hat sich die Viskosität der eingebrannten Silikonöle Baysilone-MPH, 100 cSt. und Dow Corning 360, 350 cSt. auf 210-280 cSt. respektive 900-1200 cSt. erhöht.

In einer weiteren Analyse wurde der Zusammenhang der relativen Absorption mit dem Molekulargewicht der betreffenden Produkte (aus SEC-Analysen bekannt) geprüft. Bei reinen Silikonölen finden sich hier gute Korrelationen mit dem peak-Molekulargewicht sowie dem gewichtsmittleren Molekulargewicht. Eine realistische Abschätzung von Molekulargewichten eingebrannter Silikonöle erhält man auch hier nur graphisch aus interpolierten Kurven. Hierbei werden vor allem die Zahlenmittel ausreichend gut bestimmt.

Die IR-Spektren zahlreicher eingebrannter Silikonöle im Vergleich mit Ausgangsprodukten und anderen Silikonpolymeren wurden auch strukturanalytisch untersucht. Es konnten dabei im Rahmen der Detektionsmöglichkeiten keine signifikanten chemischen Veränderungen des löslichen Silikonölanteils durch Oxidations-, Verzweigungs- oder Hydrolysereaktionen im Rahmen der Einbrennsilikonisierung festgestellt werden.

Neben der Veränderung des löslichen Silikonanteils durch Einbrennsilikonisierung stellt sich auch die Frage, ob durch Kontakt mit dem Produkt in vorgefüllten Spritzen-Systemen Gefahren durch in das flüssige Medium abgegebenes Silikonöl zu erwarten sind.

Die zunächst entwickelte Flammen-AAS Methode wurde nach ICH-Kriterien für 4 verschiedene Kontrastmittel und zwei verschiedene Silikonöle validiert (Probenvorbereitung: Extraktion mit Toluol, Aufnahme und Messung in Xylol).

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Im Kontrastmittel-Füllgut einbrennsilikonisierter Glasspritzen konnte mit dem Flammen-Verfahren kein Silikonöl nachgewiesen werden, da die Mengen, wenn vorhanden, zu klein sind. Um minimale Nachweisgrenzen erzielen zu können, wurde daher ein Graphitrohr-AAS Verfahren mit höherer Empfindlichkeit zum quantitativen Nachweis von Silikonöl in Röntgenkontrastmitteln entwickelt und dem Flammen-Verfahren vergleichbar validiert.

Selektivität wird auch hier durch Abtrennung von Silikonöl sichergestellt. Der Einsatz von Matrix-Modifiern (hier Palladium/Magnesium) ist notwendig, um Silicium an der Graphitrohr-Oberfläche zu stabilisieren.

Bei Berücksichtigung der 20fachen Anreicherung durch die Probenaufarbeitung ergeben sich LOD und LOQ zu 7.0 und 10.5 ppb respektive 6.8 und 10.2 ppb für die beiden Silikonöle.

Durch die Validierung nach ICH-Standard ist das Verfahren weithin abgesichert, ein Umstand, der auf die bisher veröffentlichten Daten zur Analyse von PDMS mit AAS nicht zutrifft. Damit wird der geringe Umfang von bisher publizierten Methoden für den pharmazeutischen Bereich erweitert.

Die Methode wurde außerdem zur Analyse von eingebrannten Silikonölen in sehr kleinen Konzentrationsbereichen herangezogen, in denen andere Methoden (FTIR und Flammen-AAS) versagen.

Aus den wiedergefundenen Mengen Silikonöl in verschieden stark beaufschlagten Injektionsflaschen lassen sich Oberflächenbelegungen von teilweise nur einer Monolage bezogen auf den extrahierbaren Anteil errechnen. Die dennoch ausreichende Hydrophobisierung wurde auch bei diesen sehr schwach belegten Vials über gutes Ablaufverhalten einer hydrophilen Galactose-Suspension dokumentiert. Es ist daher möglich, sofern nur eine Hydrophobierung der Oberfläche durch Silikonöl erwünscht ist, mit äußerst geringen Mengen zu arbeiten und die Mengen durch die GR-AAS sicher bestimmen zu können. Gefahren für das Produkt durch migrierende Silikonöle sind bei dieser low-level-Silikonisierung nicht zu erwarten.

15.3. Schlussbetrachtung

Zusammenfassend betrachtet, konnten durch die vorliegende Arbeit einige wichtige Fragestellungen zu grundsätzlichen Silikonöl-Eigenschaften und v.a. deren Veränderung durch die Einbrennsilikonisierung geklärt werden. Durch das verbesserte Verständnis der tatsächlich stattfindenden Prozesse wird es möglich, kritische Parameter viel gezielter zu erkennen und vor allem die zur Silikonisierung verwendeten Produkte sorgfältig auszuwählen. Mit dem Instrumentarium der vorgestellten Methoden wird es möglich, zukünftige Fragen bezüglich der Einbrennsilikonisierung zu bewerten bzw. auftauchende Probleme besser lösen zu können. Gängige Methoden können dabei für Routineanalysen etabliert, apparativ aufwendige Verfahren zur Evaluierung spezieller Fragestellungen verwendet werden.

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