Rheological characterization of pharmaceutical gel formulations

Abstract

The aim of this research work was to study the rheological properties of an industrially relevant gelatin-based pharmaceutical formulation, since the rheology of the product provides information regarding the structure of the fluid. Moreover, it is desired to have better control over its final viscosity to meet product specifications stipulated by regulatory agencies. Accordingly, the rheological behavior of the formulation was studied under steady and dynamic flow conditions, typical of manufacturing processes. The biovariability of the main structural material can produce significant changes on the rheology of the final formulation. Thus, molecular weight distribution (MWD), water content, and chemical structure of various gelatin drum cuts were determined. Although variations on the distributions were observed, these were found to correlate poorly with the steady-state viscosity and gelation transition. Additionally, the excipients influence on the steady-state rheology was determined by a sensitivity analysis. Gelatin and xanthan were identified as the most important components of the formulation. By solution viscosity and gel strength measurements, poor or no gelation was observed at a gelatin to xanthan ratio of 20, 13, and 12.5 for gelatin 1, 1.3, 2.5 wt% mixtures, respectively. These suggest that under these conditions the formation of complexes prevails, as shown by zeta potential measurements. Addition of salts produced a reduction or vanishing of the interactions between gelatin and xanthan, attributed to the stabilization of xanthan carboxilic group charges. Xanthan is a polyanion and gelatin is an ampholyte, hence, it is possible that the opposed charges have a detrimental effect on the viscosity.

El propósito de esté trabajo de investigación es estudiar las propiedades reológicas de una formulación farmacéutica industrial la cual es basada en gelatina, ya que la reología del producto provee información vital sobre su estructura. Ademas se desea obtener un mejor control sobre la viscosidad final del producto para que este pueda cumplir las especificaciones estipuladas por agencias reguladoras. De acuerdo a lo mencionado anteriormente, el comportamiento reológico de una formulación farmacéutica ha sido estudiada bajo condiciones de flujo estacionarias y dinámicas, siendo estas típicas de procesos de manufactura. La biovariabilidad del material estructural principal puede producir cambios significativos en la reología final de la formulación. Por lo tanto distribuciones de peso molecular, contenido de agua, y estructura química de varias muestras de gelatina de un mismo lote fueron determinadas. Aunque se observaron variaciones en la distribución, se encontró que estas reflejaron un pobre ajuste con la viscosidad en estado estacionario y con la transición de gelación. En adición, la influencia de los excipientes en la reología en estado estacionario fue determinada con un análisis de sensitividad. Se identifico a gelatina y xantan como los componentes mas influyentes en la formulación. Con medidas de viscosidad de solución y dureza del gel, poca o ninguna gelación fue observada bajo una razon de gelatina a xantan de 20, 13, y 12.5 para mezclas de gelatina de 1, 1.3, 2.5 wt%, respectivamente. Esto sugiere que bajo estas condiciones existen formación de complejos, mostrado por mediciones de potencial zeta. La adición de sales produjo una reducción o desaparición de interacciones entre gelatina y xantan, atribuido a la estabilización de las cargas de los grupos carboxílicos de xantan. Xanthan es un polianion y gelatina es anfoterica, por lo tanto es posible que las cargas opuestas muestren un efecto perjudicial en la viscosidad.