Badania nad krystalizacją pomogą zrozumieć, jak przechowywać leki

O badaniach poinformował IFJ PAN w przesłanym PAP komunikacie.

Substancje organiczne obecne w produktach farmakologicznych na ogół powinny mieć postać szklistą. Może się jednak zdarzyć, że wskutek nieodpowiedniego przechowywania związki te skrystalizują i lek straci swoje właściwości. Badania naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie pomagają zrozumieć, co się dzieje z takimi substancjami w różnych warunkach, dlaczego do krystalizacji może dochodzić wtedy, kiedy - jak by się wydawało - nie powinna mieć miejsca. Okazało się bowiem, że krystalizacja może zachodzić w wyniku dwóch procesów.

Badania dotyczyły krystalizacji szczególnego typu, która zachodzi przy podgrzewaniu jednej z odmian ciekłych kryształów. Wyniki niedawno opublikowane w prestiżowym czasopiśmie krystalograficznym „Crystal Growth & Design” (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.cgd.5b00328).

„Zazwyczaj krystalizację kojarzy się z procesem schładzania. Znane jest jednak dość nieintuicyjne zjawisko: niektóre związki chemiczne w pewnych warunkach zaczynają krystalizować podczas wzrostu temperatury. Efekt ten, nazywany zimną krystalizacją, zaobserwowaliśmy blisko 20 lat temu w organicznych substancjach ciekłokrystalicznych wykazujących tendencję do zeszklenia” - mówi prof. Maria Massalska-Arodź z IFJ PAN.

Ciekłe kryształy to ciecze, których wydłużone cząsteczki wykazują pewien rodzaj uporządkowania, na ogół spotykany w zwykłych kryształach. Najprostszy ciekły kryształ, tzw. nematyczny może więc np. płynąć, ale jego cząsteczki w dość dużych grupach będą zorientowane w przestrzeni w jednym kierunku. Równocześnie znajdują się one względem siebie w przypadkowych odległościach (przeciwnie niż w kryształach, gdzie tkwią w węzłach sieci krystalicznej).

Fizycy z IFJ PAN wykonali szereg eksperymentów, w których przyglądano się zmianom zachodzącym w ciekłym krysztale w trakcie wzrostu temperatury. W każdym doświadczeniu wzrost temperatury odbywał się ze stałym tempem, ale w kolejnych doświadczeniach szybkość wzrostu była różna.

Pomiary stopnia krystalizacji, polegające na analizie w programie graficznym obrazów tekstur z mikroskopu polaryzacyjnego, porównano z danymi zebranymi równocześnie za pomocą dwóch innych, klasycznych metod: kalorymetrycznej i dielektrycznej. Otrzymane wyniki okazały się spójne, co z jednej strony potwierdziło użyteczność graficznej oceny zmian tekstur w badaniach nad krystalizacją, a z drugiej pozwoliło wyjątkowo wiarygodnie odtworzyć przebieg procesu. I tu na badaczy czekała niespodzianka.

Dane zebrane przez fizyków z IFJ PAN wykazały, że w badanej substancji występuje nie jeden, lecz dwa mechanizmy odpowiedzialne za krystalizację. W eksperymentach, w których szybkość wzrostu temperatury była większa od 8 stopni Kelwina na minutę, krystalizacja przebiegała zgodnie z klasycznymi przewidywaniami termodynamicznymi, w temperaturze około 275 K (ok. 2 st. C). Jednak gdy próbka była ogrzewana wolniej niż 8 K/min., za proces zaczynała odpowiadać przede wszystkim dyfuzja związana z ruchliwością cząsteczek. Fakt ten miał wpływ na temperaturę krystalizacji: gdy proces miał charakter dyfuzyjny temperatura była znacznie niższa, gdyż krystalizacja wymagała, jak stwierdzono, mniejszego nakładu energii.

„Gdyby zimna krystalizacja była zjawiskiem rządzonym wyłącznie przez termodynamikę, wystarczyłoby utrzymać temperaturę nieco poniżej 275 K, żeby zabezpieczyć naszą substancję przed niekontrolowaną przemianą. Teraz wiemy, że niekiedy proces dyfuzji cząsteczek zaczyna odgrywać decydującą rolę i wraz ze zmniejszaniem szybkości ogrzewania nematyka krystaliczne uporządkowanie pojawia się w coraz niższej temperaturze. Do zimnej krystalizacji może więc dojść w dość szerokim przedziale temperatur, w warunkach, w których wcześniej się jej nie spodziewaliśmy” - stwierdza prof. Massalska-Arodź.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ agt/