Method development and validation with poly(lactide-co-glycolide) for rolling-ball viscometer

Abstract

Method development and validation are important part of quality control. When developing a new method, it should be validated before implementation. Viscometrical measurements are commonly used in quality control when the degradation of polymers is studied. This can be done by calculating the molecular weight from intrinsic viscosity. Capillary viscometers are the most used viscometers when determining inherent viscosity (IV), from which the intrinsic viscosity can be calculated. In this study the purpose was to evaluate the suitability of rolling-ball viscometers in determining the IV of PLGA (poly(lactide-co-glycolide)), and to ensure that the applied specification limits are valid with the rolling-ball viscometer. The aim was to replace Lauda Ubbelohde capillary viscometer in use with Anton Paar rolling-ball viscometer for quality control measurements. In this thesis a suitable method was developed for the rolling-ball viscometer, which was then validated and verified. In method development 5 samples with different IVs were used to determinate a measuring angle from angles 20°, 25° and 30°. Two samples were then used to study the dissolved sample stability in 4 °C and room temperature (RT). Choosing the autosampler filling mode, from auto pressure fill and pressurised after fill -modes, was based on the measurement results of 3 samples and a control sample. The same 3 samples were used in the validation part, which was done with repeatability, intermediate precision and intra-laboratory reproducibility parameters. Intermediate precision was studied with changes in days, weeks and operators. Lastly, the validated method was verified with 5 samples from different parts of processing. Based on the results, the developed method was used with angle 25° and pressurised after fill -mode. The dissolved samples were found to remain stable in 4 °C for 7 days, and in RT to the following day. The validation results for repeatability, change of day and week were inside the set limits of ±5 %. The results between the operators were consistent and linear, with the exception of one sample exceeding the set limit for bias, which was caused by a broken filter in the device. This also affected the relative intermediate precision limit results for same sample. The same results were used for the intra-laboratory reproducibility, which were non reliable for this sample. Otherwise, the results were acceptable and inside the limits. As the only results outside the acceptance criteria were due to device malfunction, it would indicate that the device works as in-tended and gives acceptable results. When considering all the validation measurements, the results were consistent with the other results and inside the acceptance criteria, except one relative intermediate precision limit. Some slight changes in the reference IVs were noted, which were explained by mechanical strain with solid samples or weighing errors with very fine-grained materials. The effect of air humidity and possibility of uniform quality were also considered to be at fault. The verification results were consistent with the validation results, and all the calculated parameters were inside the acceptance criteria of ±5 %, and the applied specification limits. Over-all, the devices gave linear results with each other. The results confirmed that the rolling-ball viscometer can be used instead of the capillary viscometer in determining the IV of PLGA. Based on the results the same specification limits can be used when transferring the quality control measurements to the rolling-ball viscometer. As a future study, one could test different concentrations, study zero-shear viscosity by measuring same sample with multiple angles and use another method to study molecular distribution.

Menetelmänkehitys ja validointi ovat tärkeä osa laadunvalvontaa. Kun kehitetään uusi menetelmä, tulisi se validoida ennen käyttöönottoa. Viskosimetriset mittaukset ovat yleisesti käytettyjä menetelmiä laadunvalvonnassa, kun tutkitaan polymeerin hajoamista. Tätä voidaan seurata laskemalla molekyylipaino rajaviskositeetin avulla. Kapillaariviskosimetrit ovat eniten käytettyjä viskosimetrejä sisäisen viskositeetin (englanniksi inherent viscosity, IV) määrittämiseen, josta voidaan laskea rajaviskositeetti. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli arvioida kuulaviskosimetrin soveltuvuutta PLGA:n (poly(laktidi-ko-glykolidi)) IV:n määrittämisessä. Lisäksi haluttiin varmistaa, soveltuvatko asetetut spesifikaatiorajat myös kuulaviskosimetrille. Tavoitteena oli korvata Lauda Ubbelohde kapillaariviskosimetri Anton Paar kuulaviskosimetrillä laadunvalvonnan mittauksissa. Työssä kehitettiin kuulaviskosimetrille sopiva menetelmä, joka validoitiin ja varmennettiin. Menetelmänkehityksessä käytettiin 5 eri IV-näytettä mittauskulman määrittämiseen kulmista 20°, 25° ja 30°. Tämän jälkeen 2 näytettä käytettiin liuotetun näytteen stabiilisuuden tutkimiseen 4 °C ja huoneenlämmössä (Englanniksi room temperature RT). Automaattisen näytteensyöttäjän täyttötavan valinta automaattipaineistus täytön ja paineistus täytön jälkeen -menetelmien välillä perustui 3 näytteen ja kontrollinäytteen mittaustuloksiin. Validoinnissa käytettiin näitä 3 samaa näytettä, jotka tehtiin parametreille toistettavuus, osittainen täsmällisyys ja laboratorion sisäinen uusittavuus. Osittaisessa täsmällisyydessä tutkittiin päivien, viikkojen ja käyttäjien välillä tapahtuvia muutoksia. Lopuksi validoitu menetelmä varmennettiin käyttäen 5 näytettä eri prosessivaiheista. Tulosten perusteella kehitettyä menetelmä käytettiin kulmalla 25° sekä syöttötavalla paineistus täytön jälkeen -menetelmää. Liuotetuista näytteistä todettiin niiden säilyvän 4 °C:ssa 7 päivän ajan ja RT:ssä seuraavaan päivään. Toistettavuuden, vuorokauden ja viikon vaihtumisen validointitulokset olivat asetettujen ±5 %:n rajojen sisällä. Tulokset käyttäjien välillä olivat johdonmukaisia ja lineaarisia keskenään, lukuun ottamatta yhtä näytettä, joka ylitti harhan rajan. Tämä johtui laitteen rikkinäisestä suodattimesta, mikä vaikutti myös suhteelliseen osittaisen täsmällisyyden rajan -tulokseen. Laboratorion sisäisessä uusittavuudessa käytettiin samoja tuloksia, jotka eivät olleet luotettavia tällä näytteellä. Muuten tulokset olivat hyväksyttäviä ja rajojen sisällä. Koska ainoat hyväksymiskriteerien ulkopuoliset tulokset johtuivat laitteen toimintahäiriöstä, voitiin todeta, että laite toimii toivotulla tavalla ja antaa hyväksyttäviä tuloksia. Laskettaessa kaikki validointimittaukset yhteen, tulokset olivat yhdenmukaisia muiden tulosten kanssa. Lisäksi kaikki paitis yksi suhteellisen osittaisen täsmällisyyden rajan tulokset olivat rajojen sisällä. Joitakin pieniä muutoksia havaittiin referenssituloksissa, johtuen mahdollisesti kiinteään näytteeseen kohdistuneista mekaanisista rasitteista tai punnitusvirheestä hienojakoisella materiaalilla. Myös ilmankosteuden ja tasalaatuisuuden vaikutuksia pidettiin mahdollisina selityksinä. Varmennustulokset olivat yhdenmukaisia validointitulosten kanssa. Kaikki lasketut parametrit olivat ±5 % hyväksymiskriteerien ja asetettujen spesifikaatiorajojen sisällä. Kaiken kaikkiaan laitteet antoivat lineaarisia tuloksia keskenään. Tulokset vahvistivat, että kuulaviskosimetriä voidaan käyttää kapillaariviskosimetrin sijasta IV:n määrittämisessä PLGA:lle. Tulosten perusteella voidaan jatkossa käyttää samoja spesifikaatiorajaoja, kun laadunvarmistus mittaukset siirretään kuulaviskosimetrille. Jatkotutkimuksena voisi testata eri konsentraatioita, tutkia nollaleikkausviskositeettia mittaamalla samaa näytettä useammalla eri kulmalla sekä käyttää toista menetelmää molekyylijakauman tutkimiseksi.