Rheologische Methoden und ihre Bedeutung für die Entwicklung von Pharma- und Kosmetik-Produkten
Materialverhalten verstehen – Produkte gezielt entwickeln
Die Rheologie beschreibt, wie sich Materialien unter einwirkenden Kräften verformen bzw. fließen. In der Life-Science-Industrie sind rheologische Konzepte essenziell für das Verständnis von Materialien, die ein breites Spektrum physikalischer Zustände abdecken. Dieses Spektrum ist in Bild 1 veranschaulicht. Entlang dieses konzeptionellen Pfads reichen Systeme von niedrigviskosen Flüssigkeiten über strukturierte halbfeste Materialien wie Gele, Cremes und Pasten bis hin zu festkörperähnlichen Materialien. Pharma- und Kosmetik-Produkte sowie derartige Zwischenprodukte finden sich nahezu an jeder Position des in Bild 1 gezeigten Spektrums, hier Rheologie-Straße genannt. Rheologische Methoden erfassen dabei einzigartig deren Fließ-, Deformations- und viskoelastisches Verhalten unter relevanten Verarbeitungs- und Anwendungsbedingungen.
Rheologische Messmethoden sind von großer Bedeutung für die Entwicklung, Herstellung und Qualitätskontrolle pharmazeutischer und kosmetischer Produkte. Sie können für niedrigviskose Flüssigkeiten über strukturierte halbfeste Systeme bis hin zu festkörperähnlichen Materialien eingesetzt werden, wobei sie einen einheitlichen Ansatz zur Charakterisierung von Fließ-, Deformations- und viskoelastischem Verhalten unter praxisrelevanten Prozess- und Anwendungsbedingungen bieten. Im Folgenden soll gezeigt werden, wie rotatorische und oszillatorische rheologische Methoden die Formulierungsentwicklung und die routinemäßige Qualitätskontrolle unterstützen. Dabei spielen eine besondere Rolle in der Messtechnik Präzision, Geschwindigkeit, intelligente Workflows und Anpassungsfähigkeit um eine zuverlässige Charakterisierung bei minimalem Probenvolumen zu ermöglichen, um Messartefakte zu reduzieren und Datenintegrität sowie regulatorische Konformität sicherzustellen. Ein besonderer Fokus liegt auf halbfesten Darreichungsformen gemäß USP <1912>.
Durch die Quantifizierung von Parametern wie Viskosität, Fließgrenze und dem Verhältnis von elastischen zu viskosen Anteilen liefert die Rheologie einen einheitlichen Rahmen zur Charakterisierung von Flüssigkeiten, Halbfeststoffen und Festkörpern und nimmt damit eine zentrale Rolle in der pharmazeutischen Wissenschaft ein.
Messmethode je nach Material
Die Wahl der rheologischen Messmethode hängt von der Position des Materials auf der "Rheologie-Straße" ab. Rotatorische (stationäre Scher-)Messungen eignen sich besonders für Flüssigkeiten und niedrigviskose Halbfeststoffe. Sie liefern Viskositätsprofile, Informationen zum Fließverhalten und zur Fließgrenze und bilden praxisnahe Prozesse wie Pumpen oder Verstreichen ab.
Oszillatorische Messungen sind hingegen bevorzugt für strukturierte Halbfeststoffe und gelartige Materialien geeignet, da sie die viskoelastischen Eigenschaften und die Integrität der Mikrostruktur innerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs untersuchen, ohne diese zu zerstören.
Für halbfeste Formulierungen liefert die Kombination aus rotatorischen und oszillatorischen Methoden komplementäre Informationen über Verarbeitbarkeit und strukturelle Stabilität. Solche Informationen können für eine gezielte Optimierung von Herstellungsprozessen und Anwendungseigenschaften genutzt werden.
Für die rheologische Prüfung solcher Anwendungen wurden bei Anton Paar Rheometer entwickelt, die es ermöglichen, Einblicke in das Materialverhalten zu liefern, während sie gleichzeitig die Effizienz im Laboralltag steigern und zu einer größeren Ergebnissicherheit führen.
Diese MCR-Geräte (Bild 2 zeigt ein Modell) wurden im Hinblick auf effiziente Workflows, die regulatorischen und dokumentarischen Anforderungen entsprechen, konzipiert – für Messungen, die z. B. der frühzeitigen Identifikation von Formulierungsrisiken und dem Ziel, ein konsistentes Materialverhalten von der Entwicklung bis zur Produktion zu erreichen.
Herausforderung geringes Probenvolumen
Viele wichtige pharmazeutische Proben, etwa niedrigviskose Proteinlösungen, sind nur in begrenzter Menge verfügbar. Niedrigviskose Materialien erfordern üblicherweise größere Messgeometrien, um ausreichend Drehmoment zu erzeugen, was den Probenverbrauch erhöht. Ist das Probenvolumen begrenzt, kann insbesondere der untere Scherratenbereich nicht mehr zuverlässig erfasst werden. Diese Einschränkung kann mit einem hochpräzisen Rheometer überwunden werden. Kegel-Platte-Geometrien mit einem kleinen Durchmesser in Kombination mit hoher Drehmomentauflösung ermöglichen zuverlässige Messungen selbst bei niedrigen Scherraten und minimalem Probenvolumen. Dadurch kann das Materialverhalten über einen breiten Scherratenbereich hinweg charakterisiert werden – eine wesentliche Voraussetzung für das Verständnis von Formulierungen.
Anwendungsbeispiel
Dies ist insbesondere für proteinbasierte ophthalmische Formulierungen relevant: Während scherverdünnendes Verhalten bei hohen Scherraten das Einbringen des Tropfens ins Auge begünstigt, sorgt eine ausgeprägte Fließgrenze für eine längere Verweildauer und höhere Bioverfügbarkeit. Das Erfassen beider Bereiche innerhalb eines Experiments erfordert präzise Daten über mehrere Dekaden der Scherrate hinweg (s. Bild 3).
Zur Messung wertvoller Proben gibt es spezielle untere Patten mit nierenförmigen Sammelrillen, die eine Rückgewinnung der Probe nach der Messung ermöglichen (s. auch Bild 2a). Auf diese Weise lassen sich auch sehr kleine Probenmengen – in der Größenordnung eines einzelnen Augentropfens – umfassend charakterisieren und für weitere Analysen wiederverwenden.
Halbfeste Materialien
Rheologische Messmethoden sind für die Formulierung halbfester pharmazeutischer Produkte wie Cremes, Salben und Lotionen von großer Bedeutung. Solche Materialien zeigen sowohl viskoses als auch elastisches Verhalten, das sich in Abhängigkeit von Belastung, Zeit und Temperatur ändert und damit Stabilität und Verarbeitbarkeit auch in der Anwendung der Endprodukte (Stichwort Anwenderzufriedenheit) beeinflusst. Rheologische Methoden liefern hier entscheidende Informationen über die Struktur der Formulierung und unterstützen Reproduzierbarkeit, Scale-up-Prozesse und Quality-by-Design-Strategien.
Das Kapitel 1912 der United States Pharmacopeia (USP <1912>) hebt die Bedeutung hervor, sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften bei der Charakterisierung halbfester pharmazeutischer Produkte zu berücksichtigen. Ein zentraler Parameter ist die Fließgrenze, die den Schubspannungswert beschreibt, ab dem ein Material zu fließen beginnt, und die Applizierbarkeit, Textur sowie die Stabilität gegenüber Phasentrennung beeinflusst [1]. USP <1912> beschreibt mehrere Ansätze zur Bestimmung der Fließgrenze, darunter oszillatorische Amplitudensweeps. Dabei wird bei konstanter Frequenz eine zunehmende Scherdeformation oder -spannung angelegt, während Speicher- und Verlustmodul aufgezeichnet werden. Im linear-viskoelastischen Bereich bleiben beide Moduli konstant und zeigen eine intakte interne Struktur an. Das Ende dieses Bereichs wird üblicherweise als Maß für die Fließgrenze herangezogen.
Der Schnittpunkt von Speicher- und Verlustmodul markiert den Übergang von fest- zu flüssigkeitsähnlichem Verhalten und wird als Fließpunkt definiert. Mithilfe einer Kegel-Platte- oder Platte-Platte-Messgeometrie lassen sich diese charakteristischen Werte mit der Software "RheoCompass™" gemäß USP <1912> automatisch bestimmen. Wie Tests zeigen, konnte mit der neuen Generation der MCR-Rheometer die Messzeit solcher Amplitudensweeps im Vergleich zu früheren Systemen um etwa 50 % reduziert werden – bei gleichwertigen Ergebnissen. So wird eine schnellere und effizientere Charakterisierung halbfester pharmazeutischer Formulierungen möglich (Messbeispiel in Bild 4).
Messungen zur Qualitätskontrolle
In der Qualitätskontrolle werden rheologische Methoden eingesetzt, um die Gleichmäßigkeit zwischen Produktionschargen zu überwachen, Abweichungen frühzeitig zu erkennen und die Einhaltung von Freigabespezifikationen sicherzustellen. Eine hohe Präzision ist dabei unerlässlich, da bereits geringe Änderungen rheologischer Messgrößen auf Variationen in Rohstoffen, in der Prozessführung oder Stabilität hinweisen können. Schnelle Messroutinen unterstützen den hohen Probendurchsatz in QC-Laboren. Anpassungsfähige Rheometerplattformen reduzieren zusätzlich bedienerabhängige Variabilität durch geführte Workflows und automatisierte Auswertungen. Durch ihre Flexibilität ist es möglich, mit einem einzigen Instrument mehrere Produkte und Methoden über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg abzudecken.
Einflüsse durch Messgeometrien
Bei rheologischen Messungen mit Kegel-Platte- oder Platte-Platte-Messgeometrien ist eine zuverlässige Übertragung der vorgegebenen Spannung zwischen Messsystem und Probe entscheidend für aussagekräftige Materialkennwerte. Viele pharmazeutische Formulierungen, wie Emulsionen, Suspensionen und strukturierte Fluide, neigen jedoch zum Wandgleiten [3]. In diesen Fällen verformt sich die Probe nicht homogen über den gesamten Messspalt, sondern gleitet relativ zu den Messflächen. Dies kann zu erheblichen Messartefakten führen, etwa zu unterschätzten Viskositätswerten oder verfälschten Daten hinsichtlich Fließ- und viskoelastischem Verhalten.
Zur Minimierung von Wandgleiteffekten werden Platte-Platte-Messgeometrien mit aufgerauten oder strukturierten Oberflächen eingesetzt (s. Bild 5). Oberflächenrauheiten wie sandgestrahlte oder profilierte Strukturen verbessern die mechanische Kopplung zwischen Probe und Messplatten, so dass die angelegte Deformation in die gesamte Probe im Messspalt übertragen wird.
Dies ist insbesonders für komplexe pharmazeutische Materialien von Bedeutung, bei denen eine exakte Bestimmung von Fließverhalten, Fließgrenze und viskoelastischen Eigenschaften erforderlich ist. Die geeignete Auswahl aufgerauter Messsysteme ist daher entscheidend für zuverlässige und reproduzierbare rheologische Daten.
Über klassische rheologische Prüfungen hinaus ermöglichen die MCR-Rheometer die Kombination von Rheologie mit optischen Methoden, um mikrostrukturelle Veränderungen während der Messung direkt zu beobachten. Dieser rheo-optische Ansatz liefert wertvolle Einblicke in strukturelle Veränderungen unter mechanischer Belastung. Zusätzlich lassen sich weitere experimentelle Parameter wie Feuchte, UV-Licht, Druck oder Magnetfelder integrieren. Das ermöglicht gezielte Untersuchungen zum Einfluss von Umgebungsbedingungen auf das rheologische Verhalten, was insbesondere für Aushärtungsreaktionen, Alterungsprozesse und stimulusresponsive pharmazeutische oder biomedizinische Materialien relevant ist.
Mit entsprechendem Zubehör kann das Rheometer zudem als Tribometer, Pulvercharakterisierungssystem, dynamisch-mechanisches Analysegerät (DMA) oder sogar als mechanisches Prüfgerät eingesetzt werden. Damit ist das MCR zu einer umfassenden Plattform zur Materialcharakterisierung geworden, die ein breites Spektrum analytischer Fragestellungen in einem integrierten System abdeckt.
Ein anschauliches Beispiel ist die rheologische Untersuchung UV-härtender Materialien wie UV-Nagellacke, dentale Kompositen oder hydrogelbasierte künstliche Gewebe. Während des Aushärtungsprozesses durchlaufen diese Systeme einen ausgeprägten Übergang von flüssigkeits- zu festkörperähnlichem Verhalten, begleitet von einem Anstieg der viskoelastischen Moduli über mehrere Größenordnungen. Die Erfassung dieser schnellen Entwicklung erfordert Rheometer mit schneller Elektronik und hoher zeitlicher Auflösung, insbesondere bei ultraschnellen Aushärtungsreaktionen (Bild 6).
Fazit
Rheologische Messungen sind von zentraler Bedeutung, um strukturbedingte Produkteigenschaften in pharmazeutischen und Life-Science-Anwendungen gezielt einzustellen und zu bewerten. Abgesehen von Präzision sind Messgeschwindigkeit und Flexibilität bei Messplattformen wesentlich, um die Entwicklung von Rezepturen und Formulierungen zu beschleunigen, eine effiziente Qualitätskontrolle zu unterstützen und regulatorische Konformität sicherzustellen. Durch die Integration fortschrittlicher rheologischer Methoden in robuste und flexible Messplattformen ermöglichen diese Systeme fundierte Entscheidungen und langfristige Sicherheit über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg.
Literatur
[1] United States Pharmacopeia. USP 1912. Measurement of yield stress of semi-solids, 2023.
[2] Mezger, Thomas G.: The Rheology Handbook: For users of rotational and oscillatory rheometers, 5. Auflage, Vincentz Network, Hamburg, 2022.
[3] The Applied Rheology, 4. Auflage, Anton Paar GmbH, Graz, 2017.
AUTOREN
Andre Braun, Julius Heinrich, Xandra Puntigam
Anton Paar GmbH, A-Graz
Tel. 0043 316 257-0
[email protected]
www.anton-paar.com
Das könnte Sie auch interessieren
Forschungsplattform Berlin Battery Lab
BAM, HZB und HU Berlin forschen gemeinsam an Natrium-Batterien
Im Berlin Battery Lab entwickeln und testen Forschende der BAM, des HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin rohstoffschonende Batterietechnologien mit einem Fokus auf Natrium-Akkus. Gemeinsam sollen hier neue Materialien konzipiert, Arten der...
mehr...Entropie entscheidet, ob Ionen haften
Eine aktuelle Studie zeigt, wie die Struktur von Wasser und thermodynamische Entropie das Haftverhalten von Ionen an Oberflächen beeinflussen – mit Bedeutung für Batterien, Brennstoffzellen und biologische Membranen.
mehr...Empa entwickelt nachhaltige Plasma-Beschichtung für Outdoorbekleidung
Outdoorbekleidung ohne Ewigkeitschemikalien? Die Empa entwickelt gemeinsam mit der Schweizer Textilindustrie PFAS-freie Imprägnierungen für Outdoor- und Sportbekleidung. Wie funktioniert die neue Plasmatechnologie?
mehr...Kurzkettige PFAS effizient zerstören
Verfahren zur Entfernung von Perfluorbutansäure aus Wasser
UFZ-Forschende entwickeln ein zweistufiges elektrochemisches Verfahren zur Entfernung und Zerstörung von PFBA aus Wasser. Die Methode ermögliche eine effiziente, energiearme und vor Ort einsetzbare Reinigung kurzkettiger PFAS aus Grund- und...
mehr...Geschlechtsbestimmung im Hühnerei auf Basis von KI-gestützter Spektroskopie
Das Münchner Startup Omegga entwickelt sogenannte spektrale Intelligenz, eine Verbindung aus künstlicher Intelligenz und Spektroskopie. Nun hat das Startup eine Seed-Finanzierungsrunde über 10 Millionen Euro abgeschlossen.
mehr...TU Chemnitz eröffnet TEM-Zentrum
Neuer Forschungsbau für Materialforschung im Nanobereich
Die TU Chemnitz hat ihr neues Transmissionselektronenmikroskopiezentrum eröffnet. Der Forschungsbau ermöglicht hochauflösende Einblicke in atomare und nanostrukturelle Materialeigenschaften und stärkt die Materialforschung auf internationalem...
mehr...Molekulare Anker machen Perowskit-Solarzellen wetterfest
Perowskit-Solarzellen verlieren bei Hitze und Frost an Leistung. Forschende der Technischen Universität München haben ein neues Stabilisierungskonzept mit organischen Molekülen entwickelt, das langlebige und hocheffiziente Tandem-Module ermöglicht.
mehr...Polymer-Material für bessere Feststoffakkus
Flexibler Elektrolyt verbessert Feststoffbatterien
Forschende der Empa entwickeln einen dehnbaren Polymer-Elektrolyten auf Silikonbasis für Feststoffbatterien. Das Material könnte Energiedichte, Sicherheit und Flexibilität moderner Akkus erhöhen.
mehr...Nachhaltiger Flammschutz: Fraunhofer sucht Alternativen zu TCPP
Tris(chloroisopropyl)phosphat ist ein Flammschutz in Polyurethanen – steht jedoch zunehmend in der Kritik. Ein neues Forschungsprojekt des Fraunhofer LBF sucht leistungsfähige und wirtschaftliche Alternativen.
mehr...