Сила действия новых лекарств продолжает расти, особенно в области биофармацевтики и других биотехнологических препаратов. Увеличение силы действия лекарства в десять раз приводит к уменьшению объема, необходимого для одной дозы. Поэтому оборудование, используемое для окончательного наполнения, используется для наполнения уменьшающихся объемов жидких фармацевтических препаратов. Нередко дозирование жидких объемов менее 1,0 мл осуществляется с использованием высокоскоростных систем наполнения. Еще одной сильной тенденцией является наполнение парентеральных жидких фармацевтических препаратов непосредственно в устройства для конечного введения, такие как предварительно заполненные шприцы.

Помимо удобства для лиц, осуществляющих уход, и пациентов, устройства для введения исключают отходы продукта, связанные с использованием флаконов и отдельных шприцев для подготовки и подачи доз продукта. Объединение двух тенденций приводит к необходимости наполнения все более малых объемов лекарственных препаратов в устройства для конечного введения. Правильное выполнение этого сценария требует высочайшего уровня точности и достоверности дозирования. Это особенно актуально при выполнении на высоких скоростях, так как любые ошибки повлияют на большое количество доз за очень короткий промежуток времени.

Это исследование было направлено на определение точности и правильности четырех основных систем дозирования жидкости, работающих на высоких скоростях: насоса с вращающейся мембраной, поршневого насоса, перистальтического насоса и наполнителя с временным давлением. Было важно выполнить исследование на высокой скорости, так как скорость имеет большое потенциальное влияние на производительность. На высоких скоростях движение иглы для наполнения может вызвать нежелательное высвобождение капель жидкости из кончика иглы между событиями дозирования. Это может привести к колебаниям объема наполнения внутри контейнера. Некоторые системы наполнения могут компенсировать это, создавая «обратное всасывание» капель жидкости на кончике иглы до того, как игла будет перемещена в следующий контейнер.

Высокоскоростные приложения также могут проверить пределы производительности определенных систем. Например, протестированные системы перистальтических насосов работали со скоростью максимум около 40 циклов в минуту для определенных объемов наполнения из-за физических ограничений системы привода. Процентное отклонение от заданного значения рассчитывалось для каждой конфигурации системы дозирования и каждого дозируемого объема. Это отклонение использовалось как для определения относительной производительности каждой системы, так и для определения «точки отказа» для каждого сценария.

Была выдвинута гипотеза, что ограничение производительности каждой системы будет показано определенным увеличением процентного отклонения. Это ограничение будет зависеть от объема. При определенной заданной точке объема дозы каждая система дозирования не будет соответствовать критериям приемлемости и не восстановится при меньших объемах дозы. Также была выдвинута гипотеза, что разумные корректировки системы не будут противодействовать эффекту объема в истинной «точке отказа».

В этой статье подробно описывается, как проводилось исследование. Результаты для каждой системы дозирования сообщаются и сравниваются, чтобы определить, какие системы подходят для приложений микродозирования. Было проведено дополнительное исследование для количественной оценки дрейфа, вызванного деформацией трубок в перистальтических системах дозирования. Результаты этого исследования также включены в эту статью.

Метод исследования систем микродозирования

Все испытания проводились с использованием высокоскоростных систем наполнения с использованием одной иглы наполнения, работающей примерно со скоростью 50 циклов в минуту. Данные о весе собирались с использованием калиброванной шкалы из 10% дозированных циклов в течение приблизительно 20-минутного периода для минимум 100 общих образцов (из 1000 общих доз) для каждого протестированного сценария. Протестированные дозированные объемы составляли 1,00 мл, 0,70 мл, 0,50 мл, 0,30 мл, 0,10 мл, 0,07 мл и 0,03 мл. Для тестирования использовались деионизированная вода и 1X фосфатно-солевой буфер (PBS), приготовленный из раствора PBS 10X, разбавленного деионизированной водой. Было важно проводить тесты с раствором PBS в дополнение к деионизированной воде, поскольку повышенная концентрация ионов может повлиять на точность тестов. В этом исследовании оценивались четыре уникальных типа систем дозирования:

1. Насос дозирующий с вращающейся диафрагмой и сервомоторным поршневым приводом

Насос с вращающейся диафрагмой — это насос прямого вытеснения, использующий диафрагму, расположенную между поршнем и внешним цилиндром. Вакуум создается на задней стороне диафрагмы для поддержания формы диафрагмы и точности дозирования. На входе и выходе гибкой трубки используются пережимные клапаны. Система насоса с вращающейся диафрагмой, используемая для исследования, представляла собой двухнасосный наполнитель с поршнем сервомоторного насоса и приводами клапанов сервомотора. Эта система была протестирована с насосами как объемом 2 мл, так и объемом 6 мл.

2. Поршневой насос (притертый) дозирующий с сервомоторным поршнем и приводами клапанов

Поршневой насос — это насос прямого вытеснения, использующий внутренний поршень. Корпус насоса жестко закреплен. Поршень насоса движется вверх и вниз, а клапан вращается над поршнем. Поршень и клапан притерты к корпусу внутри диаметра, поэтому уплотнения не требуются. Для приведения в действие клапана в этом исследовании использовался главный привод и кулачок с серводвигателем от производственной разливочной машины. Для тестирования использовался насос объемом 1,5 мл с нормальным рабочим диапазоном от 0,3 до 1,5 мл.

3. Программируемый дозирующий перистальтический насос

Для исследования использовался перистальтический насос. Он использует одну или две головки. Две непрерывные трубки из силиконовой резины проходят от резервуара подачи продукта между движущимися роликами и неподвижным башмаком внутри головки насоса, а затем к игле для наполнения. Два отрезка трубки, используемых через головку насоса, были соединены в один отрезок трубки с соединителем «Y», как выше, так и ниже по потоку от головки насоса. Трубка, используемая для этого насоса, представляла собой несиликоновую насосную трубку с внутренним диаметром 0,5 мм и несиликоновую насосную трубку с внутренним диаметром 1,6 мм.

4. Наполнитель дозирующий с временным давлением (TPF)

Для этого исследования использовалась испытательная машина для наполнения с временным давлением. Продукт вытекает из напорного коллектора и через гибкую трубку проходит через пережимные клапаны, которые используются для включения и выключения потока. Затем продукт перемещается через отверстия потока, которые помогают регулировать скорость потока.

Двумя основными параметрами являются время открытия пережимных клапанов и давление в коллекторе: увеличение любого из этих факторов также увеличит количество дозируемого продукта. Третий параметр — размер отверстия. Чем меньше используемое отверстие, тем больше перепад давления; следовательно, тем медленнее поток продукта. Для этого исследования использовались размеры отверстий 0,5 мм и 0,7 мм.

Температура продукта также может влиять на точность дозирования. Термопары могут использоваться на каждом регулирующем клапане для отслеживания температуры, которая возвращается в систему управления. Температурная компенсация в этом исследовании не использовалась. Продукт подавался самотеком под давлением 1 фунт/кв. дюйм (высота 27 дюймов над насосом) в системы с вращающейся мембраной и перистальтическими насосами.

Целевое давление подачи регулировалось в диапазоне от 0,2 до 0,35 бар с использованием сжатого воздуха для системы TPF. Давление подачи составляло от 0,0 до 0,3 фунт/кв. дюйм для системы поршневого насоса. Диапазон объемов заполнения требовал использования деталей разного размера для надлежащей работы системы. Все системы требовали использования игл для заполнения нескольких размеров, чтобы обеспечить максимально точное дозирование.

Критерий приемлемости для данных заполнения, полученных в этом исследовании, основан на исторических данных для системы с вращающейся мембраной и насосом. Процентное отклонение от целевого значения заполнения за 3 с (3 X стандартное отклонение) должно было составлять 5% или менее для объемов заполнения от 0,03 мл до 0,10 мл и 1% или менее для объемов заполнения от 0,30 мл до 1,00 мл. Критерий приемлемости использовался для:

  • Вмешательства для оптимизации тестов, которые не соответствуют критериям.
  • Определение «точки отказа» для каждой системы.

После оптимизации сценария тестирования было записано 100 весов без дальнейших изменений в настройке. Внешние воздействия (например, поток воздуха вокруг электронных весов) были сведены к минимуму во время сбора данных. Точность значений при каждом целевом объеме заполнения требовала, чтобы все 100 образцов из каждой протестированной системы соответствовали критериям приемки.

Результаты исследования. Система насоса дозирования с вращающейся диафрагмой

Для исследования насоса с вращающейся мембраной объемом 2 мл и 6 мл использовалась испытательная установка насоса с вращающейся мембраной с двумя насосами. Эта установка используется для моделирования системы наполнения с несколькими головками в масштабе производства и включает в себя точное приведение в действие насоса серводвигателя. Во время тестирования был активирован только один из насосов. Силиконовая трубка вела от приподнятого источника жидкости к головке насоса и от головки насоса к игле наполнения. Игла наполнения была подвешена на кольцевой подставке над контейнером для отходов. Тестовые образцы извлекались с помощью небольшой чашки для отбора проб.

Оптимизация систем с вращающейся мембраной перед тестированием требовала регулировок «обратного всасывания», чтобы избежать образования капель на кончике иглы между циклами наполнения. Предполагалось, что любые видимые капли будут падать во время нормального движения иглы, что отрицательно скажется на точности наполнения. Окончательные настройки «обратного всасывания», используемые в исследовании, зависели от объема дозы с увеличением процента заданного значения по мере уменьшения объема дозы.

Результаты тестирования показывают, что насосы с вращающейся мембраной объемом 2 мл и 6 мл в стандартной установке соответствуют критерию точности вплоть до объема дозы 0,07 мл. Значительное увеличение процентной ошибки наблюдается при объеме 0,03 мл. Интересно отметить, что не было значительной разницы в процентной ошибке между двумя размерами насоса. См. Рисунок 4 для обзора результатов насоса. Не было никакой значительной разницы при дозировании 1X PBS по сравнению с деионизированной водой с помощью этой системы дозирования.

Система поршневого дозирующего насоса

Для тестирования использовался поршневой насос из коммерческой двухнасосной системы наполнения шприцев. Силиконовая трубка вела от источника жидкости к головке насоса, а от головки насоса к игле наполнения. Бутылка с жидкостью находилась на том же уровне, что и головка насоса, таким образом, жидкость подавалась при давлении окружающей среды. Игла наполнения была подвешена на кольцевой подставке над контейнером для отходов. Тестовые образцы извлекались с помощью небольшой чашки для отбора проб.

Требовалась оптимизация для устранения капель жидкости из иглы наполнения между наполнениями. Когда скорость хода насоса и «обратного всасывания» увеличивались, капля на конце иглы устранялась, и результаты были точными и повторяемыми. Более высокие скорости хода насоса уменьшили размер и частоту образования капель на конце иглы.

Результаты показывают, что поршневой насос объемом 1,5 мл соответствовал критериям точности вплоть до объема дозы 0,03 мл. Значительное увеличение процентной ошибки наблюдается при объеме 0,03 мл, но все еще находится в пределах критериев приемлемости. Не было обнаружено существенной разницы при дозировании 1X PBS по сравнению с деионизированной водой с помощью этой системы дозирования.

Система перистальтического насоса дозирования

Перистальтическая трубка вела от источника жидкости, находящегося на возвышении, к головке насоса и от головки насоса к игле для заполнения. Два отрезка трубки, используемых через головку насоса, были соединены в один отрезок трубки с помощью соединителя «Y» как выше, так и ниже по потоку от головки насоса. Жесткая трубка вела от головки насоса к игле для заполнения. Игла для заполнения была подвешена на кольцевой подставке над контейнером для отходов.

Тестовые образцы извлекались с помощью небольшой чашки для отбора проб. После завершения теста заполнения программируемого перистальтического насоса 0,03 мл с двумя головками тот же уровень заполнения был проверен только с одной головкой насоса. Не было никаких существенных изменений в процентной ошибке. Результаты показывают, что перистальтический насос соответствовал критериям точности вплоть до объема дозы 0,07 мл.

Значительное увеличение процентной ошибки наблюдается при объеме 0,03 мл. Не было выявлено существенной разницы при дозировании 1X PBS по сравнению с деионизированной водой с помощью этой системы дозирования.

Система дозирования по времени и давлению

Для этого исследования использовалась испытательная установка TPF. Эта установка используется для моделирования системы заполнения с восемью головками производственных масштабов и включает в себя приведение в действие клапана шагового двигателя. Во время тестирования были активированы только два порта.

Один порт использовался для настройки системы, а второй — для извлечения образцов для исследования. Жесткие трубки вели от отверстий потока к иглам заполнения, чтобы обеспечить стабильность давления, поскольку колебания давления после отверстия приведут к изменчивости дозы. Иглы заполнения были подвешены на кольцевых стойках над контейнерами для отходов. Испытательные образцы были вытащены с помощью небольшой чашки для отбора проб. Игла, используемая для настройки системы, была подвешена над отдельной шкалой, которая автоматически загружает данные в систему управления.

Значительное падение давления может происходить через отверстия потока в системе TPF в зависимости от заданного давления в резервуаре подачи и коллекторе. В этой области могут образовываться пузырьки, в частности, при дозировании растворов, склонных к пенообразованию. PBS более склонен, чем вода, к образованию и увеличению срока службы пузырьков из-за присутствия хлорида натрия.2,3 Эти пузырьки могут существенно повлиять на точность системы при дозировании объемов менее 1,0 мл.

В то время как дистиллированная вода не пузырилась во время тестирования, раствор PBS легко пузырился у отверстия при заданных значениях давления выше 0,35 бар. Поэтому 0,35 бар было максимальным заданным значением давления, использованным в ходе исследования. Результаты показывают, что система TPF соответствовала критериям точности вплоть до объема дозы 0,07 мл для воды и PBS.

Хотя система соответствовала критериям точности вплоть до объема дозы 0,03 мл для воды, для PBS при этом объеме наблюдается значительное увеличение процентной ошибки. Вероятно, это связано с образованием пузырьков в растворе PBS. Дальнейшая настройка системы, вероятно, может снизить ошибку до приемлемых уровней. Сводку результатов системы TPF см. на рисунке 8.

Дополнительное исследование: дрейф перистальтической трубки

Была выдвинута гипотеза, что системы перистальтических насосов могут быть склонны к неточности дозирования с течением времени из-за изменений формы трубки, вызванных деформацией. Было проведено исследование для количественной оценки изменения точности дозирования с течением времени. Тестирование было начато на программируемом перистальтическом насосе с головкой 505L.

В устройстве используются трубки с толщиной стенки 2,4 мм (.094”). Для этого теста использовались трубки из силиконовой резины с внутренним диаметром 0,5 мм. Тестирование дозы проводилось в течение 100 минут с отбором 10 образцов каждые пять минут, всего 200 образцов. Для тестирования была выбрана точка дозы 0,70 мл. Результаты тестирования показаны на рисунке 9. Как видно, наблюдается тенденция к уменьшению объемов с течением времени. Было отмечено, что силиконовая трубка сплющивалась с роликов насоса после использования, и даже через неделю после испытаний трубка не восстанавливала свою круглую форму.

Заполнение начиналось с целевых уставок или выше и уменьшалось ниже целевого значения к концу испытания. Однако наблюдаемый дрейф может со временем выравниваться. Дрейф с течением времени, вероятно, не является характеристикой силикона; теоретически все типы трубок демонстрируют дрейф. Система дозирования может быть настроена на компенсацию, если дрейф полностью охарактеризован. Необходимо больше данных, чтобы определить, демонстрируют ли различные типы трубок различные характеристики дрейфа при этих малых объемах дозы.

Обсуждение

Объемы доз, использованные в этом исследовании, проверяли пределы точности и прецизионности используемых систем наполнения. Как видно, все протестированные системы наполнения смогли многократно соответствовать критерию приемлемости вплоть до доз 0,07 мл. Две из систем, поршневые насосы и давление времени, соответствовали критериям вплоть до 0,03 мл. Это свидетельствует о количестве технических достижений, достигнутых с каждым типом системы за последнее десятилетие.

Система наполнения поршневого насоса, возможно, была наиболее точной и воспроизводимой для протестированных доз. Однако есть системные атрибуты, которые могут не сделать ее лучшей системой для биофармацевтических препаратов и других биотехнологических препаратов. Продукт используется в качестве поршневой смазки и создает уплотнение насоса. Использование таких открытых насосных систем с высокоэффективными продуктами, которые должны иметь полностью герметичный путь продукта, невозможно.

Такие продукты, как белки, которые чувствительны к сдвигу, или продукты, которые склонны к кристаллизации, также могут не работать с этой системой. Система с вращающейся диафрагмой близко соответствовала системе поршневого насоса и системы временного давления вплоть до объема 0,07 мл. Она обладает свойствами, которые делают ее привлекательной, включая полностью закрытый путь продукта и возможность использования одного размера насоса для дозирования диапазона объемов доз.

Однако исследование показало немного более высокую погрешность, чем система поршневого насоса и системы временного давления при 0,03 мл. Предыдущие данные системы с вращающейся диафрагмой показали погрешность заполнения 5% или менее до 0,03 мл, что более точно соответствует результатам системы поршневого насоса. Уменьшенная погрешность, наблюдаемая в ходе более раннего исследования, вероятно, связана с гораздо меньшим набором образцов из 40 образцов и тем фактом, что образцы извлекались последовательно, чтобы получить 40 общих доз.

В описанном здесь исследовании извлекалось 100 образцов из набора из 1000 общих доз. Система временного давления была самой сложной в настройке, требовала наибольшей настройки перед использованием и была наиболее чувствительной к химическим различиям между продуктами. Она требует самой сложной системы управления из-за количества задействованных переменных. Однако точность системы оказалась лучше, чем ожидалось для этого испытания, и близко соответствовала поршневому насосу и насосу с вращающейся мембраной вплоть до объема 0,03 мл. Система также имеет высокий потенциал для преобразования в 100% одноразовый путь продукта.

Одной из технических проблем для этого является преобразование резервуара подачи, коллектора и отверстия в одноразовую систему, которая по-прежнему соответствует требованиям давления и потока жидкости. Результаты, полученные с помощью испытанной перистальтической системы, особенно интересны. Данные для испытанной системы показали успешное заполнение до 0,07 мл со скоростью 40 циклов в минуту.

Помимо того, что перистальтические системы являются наиболее экономически эффективным типом системы дозирования, они также имеют самый высокий потенциал для преобразования в 100% одноразовый путь продукта. Поэтому в ближайшем будущем возможна разработка коммерческих скоростных, микродозирующих и одноразовых систем заполнения. Однако необходима дальнейшая работа по характеристике и компенсации конформационных изменений трубок, прежде чем коммерческая система, отвечающая нашим требованиям точности и прецизионности, станет успешной.

Дрейф наблюдался как в перистальтических системах, так и в системах временного давления. Компенсация дрейфа производилась с помощью ручной регулировки параметров управления в процессе настройки. Результаты во время тестирования затем проверялись на основе 10% частоты дискретизации.

На коммерческих машинах автоматические регулировки для компенсации дрейфа производятся в режиме реального времени с использованием данных от систем контрольного взвешивания, которые обычно отбирают от одного до трех процентов заполненных контейнеров. Системы наполнения, протестированные в этом исследовании, также использовали одну иглу для наполнения. Коммерческие высокоскоростные системы обычно имеют от восьми до 12 игл для наполнения.

Ошибка внутри иглы, которая влияет на результаты наполнения, носит аддитивный характер. Индивидуальная регулировка иглы может помочь уменьшить эффект, но не устранит его полностью. По этой причине существует большая потенциальная ошибка в высокоскоростной коммерческой системе наполнения.

Резюме

В этой статье количественно оценена точность и правильность четырех типов фармацевтических систем наполнения для дозирования жидких микродоз на производственных скоростях. Результаты показывают, что все системы смогли многократно соответствовать критерию приемлемости вплоть до доз 0,07 мл. Несколько систем соответствовали критерию вплоть до уровня дозировки 0,03 мл. Не было выявлено существенной разницы при дозировании 1X PBS по сравнению с деионизированной водой с использованием насоса с вращающейся мембраной, поршневого насоса-наполнителя и перистальтических насосных систем. Образование пузырьков в отверстии потока наполнителя с временным давлением, которое усугубляется PBS, можно контролировать, используя более низкое давление подачи жидкости, но все еще, вероятно, влияет на заполнение на уровне дозировки 0,03 мл. Из полученных данных можно сделать вывод, что точное и прецизионное высокоскоростное микродозирование типичных фармацевтических продуктов может происходить при объемах всего 0,03 мл.