Optimierte Wirkstofffreisetzung mithilfe der Auflösungssimulation von GeoDict

GeoDict ist eine innovative, modulare Software-Suite für die digitale Materialforschung und -entwicklung, die von der Math2Market GmbH entwickelt wurde. Sie ermöglicht 3D-Bildverarbeitung, mikrostrukturelle Modellierung und simulationsbasierte Materialcharakterisierung. Diese Reihe von Kurzartikeln bietet Einblicke in die „verborgenen Schätze“ der GeoDict-Software. Sie soll einige Stärken der Software aufzeigen, die zwar nicht neu, aber noch nicht allgemein bekannt sind. Ziel ist es, Informationen, die für eine wachsende Anwenderbasis nützlich sind, in einem kurzen Format anhand jeweils eines einfachen Beispiels zu vermitteln. Für eine ausführlichere Demonstration oder Diskussion wenden Sie sich bitte direkt an uns.

In der pharmazeutischen Produktion ist die Herstellung hochwertiger Tabletten und Kapseln von entscheidender Bedeutung, um die Patientensicherheit zu gewährleisten und eine zuverlässige, zeitlich abgestimmte Wirkstofffreisetzung zu erreichen. Die Branche ist von starkem Wettbewerb geprägt, wobei mehrere wichtige Erfolgsfaktoren die Innovation vorantreiben:

• Verkürzte Markteinführungszeit
• Gleichbleibende Produktqualität und Zuverlässigkeit 
• Präzise und kontrollierte Wirkstofffreisetzungsprofile

Digitale Simulationen helfen Pharmaunternehmen dabei, diese Ziele effizienter zu erreichen, indem sie die Abhängigkeit von kostspieligen und zeitaufwändigen physischen Prototyping-Zyklen verringern. Durch die Ermöglichung virtueller Tests und Optimierungen beschleunigt die Simulation die Produktentwicklung und stärkt gleichzeitig das Vertrauen in die Produktleistung.

Dieser Artikel befasst sich mit der Dissolution-Simulationsfunktion von GeoDict, einem leistungsstarken, noch wenig bekannten Werkzeug für die pharmazeutische Forschung und Entwicklung, das die Analyse und Optimierung des Wirkstofffreisetzungsverhaltens unterstützt. Ob als eigenständige Lösung oder als Teil eines umfassenderen Digital-Twin-Workflows – es liefert äußerst wertvolle Erkenntnisse darüber, wie die Mikrostrukturgestaltung die Auflösungsleistung beeinflusst.

Der Arbeitsablauf beginnt mit einer Mikro-CT-Untersuchung einer Tablette oder Kapsel. Die Mikro-CT-Bildgebung erfasst die tatsächliche dreidimensionale Mikrostruktur des Produkts und liefert detaillierte Informationen über die geometrischen Merkmale, die das Auflösungsverhalten maßgeblich beeinflussen.

Anhand der Scandaten lassen sich folgende Eigenschaften quantifizieren:

• Beschichtungsdicke
• Partikelgrößenverteilung von Wirkstoffen und Hilfsstoffen
• Materialvolumenanteile
• Porengrößenverteilung und Porenvernetzung.

Nach dem Import der Mikrostruktur in GeoDict werden den verschiedenen Komponenten der Formulierung – wie aktiven Partikeln, Matrixmaterialien, Poren und Beschichtungsschichten – Materialeigenschaften zugewiesen.
Anschließend wird der Auflösungsprozess über die Zeit simuliert. Jedem Material kann eine eigene Auflösungskinetik zugewiesen werden, wodurch das Modul das individuelle Verhalten der Formulierungskomponenten erfassen kann. Poren bieten sofort Wege für das Eindringen von Flüssigkeit, während Schwankungen in der Beschichtungsdicke beeinflussen, wann darunterliegende Materialien freigelegt werden und sich aufzulösen beginnen.

Die Simulation liefert eine zeitaufgelöste 3D-Darstellung der Tablette, die zeigt, wie sich die einzelnen Bestandteile im Laufe des Prozesses auflösen und freigesetzt werden. Da die Analyse auf der tatsächlichen Mikrostruktur basiert – einschließlich herstellungsbedingter Unvollkommenheiten –, liefern die Ergebnisse eine realistische Vorhersage der Produktleistung.
Sobald das Basisverhalten verstanden ist, können Entwickler Designalternativen bewerten, indem sie entweder zusätzliche physikalische Proben analysieren oder die gescannte Struktur digital modifizieren. So kann beispielsweise eine Erhöhung der Beschichtungsdicke die Freisetzung der darin enthaltenen Wirkstoffe verzögern. Die Simulation quantifiziert diesen Effekt und ermöglicht den Vergleich mit anderen Designvariablen. Dadurch werden die notwendigen Erkenntnisse gewonnen, um Formulierungen zu optimieren und die angestrebten Freisetzungsprofile effizienter zu erreichen.

Die Simulation berechnet den Auflösungsprozess über eine Reihe von Zeitschritten. In diesem Beispiel werden nur drei repräsentative Phasen dargestellt, während die vollständige Simulation mit 50 Berechnungsschritten durchgeführt wurde. Die Anzahl der Zeitschritte kann vom Benutzer je nach gewünschtem Detaillierungsgrad angepasst werden.

In jeder Phase lässt sich die sich verändernde Tablettengeometrie in 3D untersuchen, wodurch sich leicht erkennen lässt, wie sich die Beschichtungsschichten auflösen, wann die inneren Bestandteile freigelegt werden und wie der Freisetzungsprozess durch die Mikrostruktur verläuft.

Zusätzlich zur visuellen Darstellung hat GeoDict quantitative Ergebnisse für jede Materialphase generiert. Das aufgelöste Volumen jedes Bestandteils kann während der gesamten Simulation verfolgt und als Diagramme exportiert werden, was einen direkten Vergleich des Freisetzungsverhaltens ermöglicht und die Optimierung der 

Die Pharmaindustrie steht vor mehreren großen Herausforderungen in den Bereichen Entwicklung und Herstellung:

• Zunehmender Innovationsdruck und die Notwendigkeit, die Markteinführungszeit zu verkürzen
• Strenge regulatorische Anforderungen von Behörden wie der FDA und der EMA
• Hohe Kosten und Risiken im Zusammenhang mit physikalischen Tests und langwierigen Entwicklungszyklen
• Die Notwendigkeit, eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen und Kundenbeschwerden zu minimieren

Die Mikro-CT-Bildgebung in Kombination mit der GeoDict-Software hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderungen, indem sie die innere Struktur von Tabletten und Kapseln sichtbar, messbar und für die Leistungsanalyse nutzbar macht.

Die Auflösungssimulation von GeoDict bietet ein Werkzeug zur Analyse des zeitlichen Materialabbaus für mehrere Inhaltsstoffe, von denen jeder sein eigenes Auflösungsverhalten aufweist. Die daraus resultierenden quantitativen Daten helfen Entwicklern dabei, Freisetzungsprofile fein abzustimmen, Designalternativen zu vergleichen und die Produktleistung mit größerer Sicherheit zu verbessern.

Über die Auflösungssimulation hinaus unterstützt GeoDict einen Digital-Twin-Ansatz bei der Formulierungsentwicklung. Durch die Arbeit mit realistischen 3D-Mikrostrukturen und die virtuelle Prüfung von Designvarianten können Unternehmen die Anzahl der physikalischen Experimente reduzieren, Entwicklungszyklen verkürzen und Entwicklungskosten senken.

Hören Sie auf zu raten, gehen Sie über das Trial-and-Error-Verfahren hinaus und beginnen Sie mit der Feinabstimmung der Produktleistung auf der Grundlage realistischer mikrostruktureller Daten und simulationsgestützter Erkenntnisse – mit dem verborgenen Potenzial von GeoDict!