The mechanism of hydrophilic and hydrophobic colloidal silicon dioxide types as glidants

Abstract

AEROSIL® 200 is a hydrophilic highly disperse colloidal silicon dioxide (CSD) that is commonly used to improve flowability. This conventional CSD has low bulk and tapped densities and can produce dust if handled improperly. In order to improve its handling, special mechanical processes were developed for the homogeneous compaction of CSD. As a result, two new products have been recently introduced: AEROSIL® 200 VV and AEROSIL® R 972 V. AEROSIL® 200 VV is hydrophilic and chemically identical to AEROSIL® 200. It differs from conventional CSD only in its higher tapped density and its larger secondary agglomerates. AEROSIL® R 972 V is hydrophobic, a result of dimethyl silyl groups chemically bound to the silica surface. The aims of this study is to compare the compacted hydrophilic and hydrophobic products to their non-compacted hydrophilic counterparts in terms of their effect on flowability and tableting properties. Therefore, different CSD types were used in combination with the three filler/binders namely microcrystalline cellulose, Avicel® PH 101, pregelatinzed starch, Starch 1500® and lactose, Tablettose® 80. The investigations were carried out on a microscopic and macroscopic level to get a better understanding of the mechanism of glidant action.

The first part of the study evaluates the flowability of the filler/binders upon addition of 0.5% CSD under different mixing conditions using angle of repose, conveyor belt and ring shear methods. Among the CSD investigated, hydrophobic types (R 972 V and R 974 V) are the most efficient glidants; gentle mixing conditions are sufficient to achieve high flowability. On the contrary, the increase in flowability obtained with hydrophilic AEROSIL® (200 VV, 200 and 130 V) strongly depends on the mixing conditions.

The second part of the study is based on microscopic investigations designed to analyze and elucidate the differences between the CSD types on powder flow enhancement. Scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy analyses reveal that the coverage of Avicel® PH 101 is less extensive and the distribution is less homogeneous for mixtures containing hydrophilic CSD, when compared to hydrophobic under gentle mixing conditions. Higher mixing energy is necessary to achieve a homogeneous distribution of hydrophilic AEROSIL® particles. The degree and uniformity of coverage of the CSD particles on the excipient’s surface correlates well with the flow enhancement exerted by the glidant. In this, the extent of surface coverage is the crucial factor determining flowability. The hydrophobic treatment proves to be effective with short blending time. Due to lower silanol groups on its surface, hydrophobic agglomerates are easily broken up and a higher number of adsorbable agglomerates is available to act as glidant. Furthermore, the angle of repose and XPS investigation of Starch 1500® mixtures containing different concentration of AEROSIL® 200 VV reveal that the size of the agglomerates plays a key role in the flow-enhancement. When the extent of coverage is identical, smaller agglomerates lead to a better flowability. The measurement of interparticulate forces within Avicel® PH 101 mixtures using an atomic force microscope shows that CSD reduces the adhesion force between the Avicel® PH 101 particles. The experimental findings are in agreement with the sphere-sphere model, describing the position of a small particle between two larger spheres. Moreover, the adhesion force measurements correlate with the angle of repose and confirm that adhesion force between glidants and pharmaceutical filler dominates flowability.

Finally, the last part of the study deals with tableting. The Heckel plots are characteristic for each excipient and independent of the addition of CSD. The differences in the tablets parameters depend on the nature of AEROSIL® and the compressibility of the excipient. The differences could be explained by the Ryskewitch-Duckworth relationship. Moreover, the influence of different CSD on the film formation of magnesium stearate was investigated.

The flowability studies and the tableting investigations show that the compaction process and the modification of the structure through hydrophobic treatment influence the properties of AEROSIL®. Firstly, hydrophilic compacted CSD types are more efficient excipients compared to their non-compacted counterparts. They are easier to handle and show better flow enhancement and identical tableting properties. Secondly, hydrophobic CSD types show better flow enhancing properties compared to their hydrophilic counterparts because the agglomerates are easier to degrade during mixing. However, hydrophobic AEROSIL® significantly reduces the tablet strength of poorly binding materials such as Starch 1500®. Nevertheless, they present a good alternative to hydrophilic types for plastically deforming materials (e.g. Avicel® PH 101) and for fragmenting excipients (e.g. Tablettose® 80).

Hochdisperse Kieselsäure vom Typ AEROSIL® 200 (Degussa AG, Düsseldorf) wird seit langem zur Verbesserung der Fließfähigkeit von Tablettiermischungen in der Pharmazie eingesetzt. Ein Nachteil dieses Typs ist sein geringes Schütt- und Stampfgewicht sowie die Staubbildung während der Anwendung. Seit kurzem werden mit AEROSIL® 200 VV Pharma und AEROSIL® R 972 V zwei verdichtete Typen angeboten, die deutlich höhere Schütt- und Stampfgewichte aufweisen und bei der Verarbeitung wesentlich weniger stauben. Während AEROSIL® 200 VV Pharma hydrophil ist und sich bezüglich seiner chemischen Eigenschaften nicht vom AEROSIL® 200 unterscheidet, handelt es sich bei AEROSIL® R 972 V um ein obenflächenbehandeltes Produkt, das hydrophobe Eigenschaften aufweist. Das Ziel der Arbeit ist der Vergleich neuer AEROSIL®-Typen mit dem bisher verwendeten AEROSIL® 200 hinsichtlich der Wirkung als Fließregulierungsmittel, der Auswirkungen auf den Tablettiervorgang und die Eigenschaften der resultierenden Tabletten.

Als Modellsubstanzen werden drei bekannte pharmazeutische Tablettierhilfsstoffe eingesetzt: eine mikrokristalline Cellulose (Avicel® PH 101), ein a-Lactose-Monohydrat (Tablettose® 80) und eine teilhydrolysierte Stärke (Starch 1500®). Der Anteil an AEROSIL® in allen Mischungen beträgt 0,5 Gew.-%. Um den Einfluss der Mischbedingungen auf die Fließfähigkeit zu untersuchen, wurden fünf unterschiedliche Mischungen ausgewählt.

Die Fließfähigkeit der Mischungen wird mit der Sieb-Kegel-Methode, dem Förderband und der Ringscherzelle untersucht. Bei moderaten Mischbedingungen ist die Wirkung von hydrophobem AEROSIL® als Fließregulierungsmittel dem hydrophilen Typ überlegen. Dieser Effekt gleicht sich bei Anwendung intensiverer Mischbedingungen teilweise aus. Um die Unterschiede zu erklären, wird die Oberfläche von Mischungen aus Avicel® PH 101 und AEROSIL® mittels rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen und X-Ray Photoelectron Spectroscopy untersucht und die Adhäsionskraft mittels Atomic Force Microscopy bestimmt. Die unterschiedlichen Fließeigenschaften der Mischungen sind von der Verteilung der AEROSIL®-Agglomerate auf der Oberfläche des Hilfsstoffes abhängig. Diese Verteilung wird durch die Natur des AEROSIL® beeinflusst. Die hydrophoben Agglomerate lassen sich leichter als die hydrophilen Agglomerate zerteilen und erreichen ihre optimale Größe und Belegung bereits nach schonender Mischung. Diese bessere Verteilung führt zu einer Abnahme der Adhäsionskraft in der Mischung. Es besteht eine gute Korrelation zwischen dem Böschungswinkel als Maß für die Fließfähigkeit und den mittels Atomic Force Microscopy gemessenen mittleren Adhäsionskräften. Die makroskopisch festgestellte Verbesserung der Fließfähigkeit durch verschiedene AEROSIL®-Typen kann also auf partikulärer Ebene bestätigt werden. Der Einfluss von AEROSIL® auf die Kompressionsparameter und die Tabletteneigenschaften hängen von der Natur des AEROSIL®-Types und von der Verformbarkeit des Hilfstoffes ab. Die Unterschiede können mit der Ryskewitch – Duckworth Gleichung quantifiziert werden. Bei der Tablettierung ternärer Mischungen mit Magnesiumstearat als dritter Komponente eliminiert der AEROSIL®-Zusatz den negativen Effekt von Magnesiumstearat auf die Tablettenhärte, ohne seine guten Schmiereigenschaften zu beeinträchtigen.

Hydrophile verdichtete AEROSIL®-Typen sind bessere Fließregulierungsmittel als ihre nicht verdichteten Pendants, weil sie einfacher zu handhaben sind, bessere Fließfähigkeit bedingen und die gleichen Tablettiereigenschaften zeigen. Hydrophobe AEROSIL®-Typen ergeben die stärkste Verbesserung der Fließfähigkeit, führen aber zu einer starken Abnahme der Tablettenhärte bei schlecht bindenden Materialien, wie Starch 1500®. Dennoch stellen sich die hydrophoben AEROSIL®-Typen als gute Alternative für die Tablettierung von plastischen Substanzen, wie Avicel® PH 101, und sprödbrüchigen, wie Tablettose® 80, dar.