Characterization and evaluation of melibiose as novel excipient in tablet compaction

Lactose is probably the most used tablet excipient in the field of pharmacy. Although lactose is thoroughly characterized and available in many different forms there is a need to find a replacer for lactose as a filler/binder in tablet formulations because it has some downsides. Melibiose is a relatively unknown disaccharide that has not been thoroughly characterized and not previously used as an excipient in tablets. Structurally melibiose is close to lactose as it is also formed from the same two monosaccharides, glucose and galactose. Aim of this research is to characterize and to study physicochemical properties of melibiose. Also the potential of melibiose to be used as pharmaceutical tablet excipient, even as a substitute for lactose is evaluated. Current knowledge about fundamentals of tableting and methods for determinating of deformation behavior and tabletability are reviewed. In this research Raman spectroscopy, X-ray powder diffraction (XRPD), near-infrared spectroscopy (NIR) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) were used to study differences between two melibiose batches purchased from two suppliers. In NIR and FT-IR measurements no difference between materials could be observed. XPRD and Raman however found differences between the two melibiose batches. Also the effects of moisture content and heating to material properties were studied and moisture content of materials seems to cause some differences. Thermal analytical methods, differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry (TG) were used to study thermal behaviour of melibiose and difference between materials was found. Other melibiose batch contains residual water which evaporates at higher temperatures causing the differences in thermal behaviour. Scanning electron microscopy images were used to evaluate particle size, particle shape and morphology. Bulk, tapped and true densities and flow properties of melibiose was measured. Particle size of the melibiose batches are quite different resulting causing differences in the flowability. Instrumented tableting machine and compression simulator were used to evaluate tableting properties of melbiose compared to α-lactose monohydrate. Heckel analysis and strain-rate sensitivity index were used to determine deformation mechanism of melibiose monohydrate in relation to α–lactose monohydrate during compaction. Melibiose seems to have similar deformation behaviour than α-lactose monohydrate. Melibiose is most likely fragmenting material. Melibiose has better compactibility than α – lactose monohydrate as it produces tablets with higher tensile strength with similar compression pressures. More compression studies are however needed to confirm these results because limitations of this study.

Laktoosista on saatavilla lukemattomia laatuja, ja sen ominaisuudet ominaisuudet tunnetaan hyvin. Kuitenkin laktoosille on tarve löytää korvike täyte/sideaineena tablettiformulaatioissa, koska sillä on omat huonot puolensa. Melibioosi on suhteellisen tuntematon disakkaridi, jota ei ole vielä täysin karakterisoitu. Sitä ei ole myöskään aikaisemmin käytetty tabletoinnin apuaineena. Melibioosi koostuu samoista monosakkarideista, glukoosista ja galaktoosista, kuin laktoosi. Hypoteesina onkin, että samankaltaisesta rakenteesta johtuen melibioosin tabletointiominaisuudet olisivat lähellä laktoosia. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli karakterisoida ja tutkia melibioosin fysikokemiallisia ominaisuuksia. Myös melibioosin potentiaalia tabletoinnin apuaineena, ja jopa laktoosin korvikkeena on arvioitu. Tässä tutkimuksessa spektroskopisista menetelmistä Raman, jauheröntgendiffraktometria (XRPD), lähialueen infrapuna (near infrared, NIR) – ja FT-IR (Fourier transform infrared) spektroskopioita käytettiin kahden eri toimittajan melibioosierien mahdollisten eroavaisuuksien selvittämisessä. NIR ja FT-IR – mittauksissa eroavaisuuksia materiaalierien välillä ei löytynyt. XRPD ja Raman mittauksissa eroavaisuuksia sen sijaan löytyi. Termisen analytiikan menetelmistä differentiaalista pyyhkäisykalorimetriä (DSC) ja termogravimetria käytettiin tutkittaessa melibioosin käyttäytymistä lämmityksen aikana ja eroavaisuuksia eri erien väliltä löytyi. Toinen melioosierä sisältää termogravimetria mittausten mukaan kiderakenteessaan jäännösvettä, joka haihtuu lähellä melibioosin sulamispistettä aiheuttaen osan eroista. Pyyhkäisyelektronimikroskooppia (SEM) käytettiin partikkelikoon-, muodon-, ja morfologian tutkimisessa, Myös melibioosin kaato-, täry-, ja todelliset tiheydet sekä valuvuusominaisuudet mitattiin. Melibioosierien valuvuusominaisuudet olivat hyvin erilaiset partikkelikoon erosta johtuen. Suhteellisen kosteuden muutoksen vaikutusta melibioosin ominaisuuksiin selvitettiin myös eri menetelmillä. Muutos suhteellisessa kosteudessa aiheutti osan mitatuista eroista materiaalien välillä. Instrumentoitua tabletointikonetta ja puristussimulaattoria käytettiin tutkimuksissa, jossa melibioosin puristuvuutta ja puristettavuutta verrattiin α - laktoosi monohydraattiin. Heckelin analyysia ja puristusnopeuden vaikutusta määritettyihin kynnyspainearvoihin (Strain - rate sensitivity) käytettiin melibioosin muodonmuutoskäyttäytymisen selvittämiseksi. Melibioosin puristumismekanismi vaikuttaisi olevan samankaltainen laktoosin kanssa, ja melibioosi on todennäköisesti laktoosin tavoin fragmentoituva materiaali. Melibioosista saadaan, laktoosiin verrattuna, puristettua murtolujuudeltaan hieman vahvempia tabletteja samoilla puristusvoimilla. Melibioosin tabletoitavuuden arvioidaankin olevan jopa hieman parempi kuin laktoosin. Tabletoinnin apuaineena melibioosi vaikuttaa ominaisuuksiltaan lupaavalta, joskin lisätutkimuksia täytyy vielä suoritta ennen kuin lopullisia johtopäätöksiä voidaan tehdä.