AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΣΟΦΙΑ ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΣ ΧΗΜΙΚΟΣ

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΣΟΦΙΑ ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΝΕΕΣ ΦΑΡΜΑΚΟΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΗΣ ΟΥΣΙΑΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ ΜΕ ΤΙΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ΣΕ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥΣ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΟΥΣ ΦΟΡΕΙΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008

2 Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στα πλαίσια του Τρίτου Κοινοτικού πλαισίου στήριξης , Πρόγραμμα Ενίσχυσης Ερευνητικού Δυναμικού-ΠΕΝΕΔ, Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας. Το έργο συγχρηματοδοτείται κατά: 75% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ενωση Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο 25% της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο Υπουργείο Ανάπτυξης Γενική Γραμματεία Ερευνας και Τεχνολογίας και από τον Ιδιωτικό Τομέα στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα Γ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης.

3 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΣΟΦΙΑ ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΝΕΕΣ ΦΑΡΜΑΚΟΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΗΣ ΟΥΣΙΑΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ ΜΕ ΤΙΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ΣΕ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥΣ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΟΥΣ ΦΟΡΕΙΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας του τομέα Χημικής Τεχνολογίας και Βιομηχανικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ. Ημερομηνία προφορικής εξέτασης : ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Επίκουρος Καθηγητής Δημήτριος Μπικιάρης Επιβλέπων καθηγητής Καθηγητής Ιωάννης Γάλλος Μέλος συμβουλευτικής επιτροπής Καθηγητής Εμμανουήλ Γεωργαράκης Μέλος συμβουλευτικής επιτροπής Καθηγητής Ιωάννης Παπαδογιάννης Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Αναπληρωτής Καθηγητής Γεώργιος Καραγιαννίδης Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ειρήνη Σιδερίδου Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Επίκουρος Καθηγητής Δημήτριος Αχιλιάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

4

5

6 Σοφία Α. Παπαδημητρίου Α.Π.Θ ΝΕΕΣ ΦΑΡΜΑΚΟΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΗΣ ΟΥΣΙΑΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ ΜΕ ΤΙΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ΣΕ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥΣ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΟΥΣ ΦΟΡΕΙΣ ISBN «Η έγκριση της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

7 Στην οικογένειά μου

8 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας του τομέα Χημικής Τεχνολογίας και Βιομηχανικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ. Ευχαριστώ θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ Δημήτριο Μπικιάρη, Επίκουρο Καθηγητή Χημείας, για την υπόδειξη του θέματος, τη συνεχή επιστημονική καθοδήγηση κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής, καθώς και για τη στήριξη που μου παρείχε και την εμπιστοσύνη που μου έδειξε. Ευχαριστώ επίσης τα άλλα δύο μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής. Τον κ. Ιωάννη Γάλλο, Καθηγητή του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ καθώς και τον κ. Εμμανουήλ Γεωργαράκη, Καθηγητή του Τμήματος Φαρμακευτικής ΑΠΘ, για τη συνεχή τους ενασχόληση, την ηθική και επιστημονική στήριξη και τις εύστοχες υποδείξεις τους που συνέβαλαν καθοριστικά στο σχεδιασμό και την πορεία των πειραμάτων αλλά και την τελική συγγραφή του κειμένου. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τα μέλη της επταμελούς επιτροπής τον κ. Γεώργιο Καραγιαννίδη Αναπληρωτή Καθηγητή Τμήματος Χημείας, την κ. Ειρήνη Σιδερίδου Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Τμήματος Χημείας και τον κ. Δημήτριο Αχιλιά για τις εύστοχες παρατηρήσεις και διορθώσεις τους που συνέβαλαν στη βέλτιστη παρουσία και ολοκλήρωση της διατριβής. Θα ήθελα σε αυτό το σημείο να αναφέρω και να ευχαριστήσω τον κ. Κωνσταντίνο Παρασκευόπουλο Καθηγητή του Τμήματος Φυσικής ΑΠΘ και τον κ Κωνσταντίνο Χρυσάφη Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Φυσικής ΑΠΘ για την βοήθειά τους στον χαρακτηρισμό, με Θερμοσταθμική Ανάλυση, των νέων αλειφατικών πολυεστέρων που συντέθηκαν, τον κ. Ευάγγελο Καραβά, Διευθυντή της Pharmathen Pharmaceutical Ιndustry για την παροχή της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης, τον κ. Αναγνώστη Στεργίου Καθηγητή του Τμήματος Φυσικής ΑΠΘ, για την λήψη των φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ, την κ. Ελένη Παυλίδου Επίκουρη Καθηγήτρια του Τμήματος Φυσικής ΑΠΘ για την λήψη των μικροφωτογραφιών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης. Επίσης τον κ. Γεώργιο Παπαγεωργίου για την βοήθειά του στην μέθοδο της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης, τις γνώσεις που μου μετέδωσε σε αυτό το αντικείμενο, την συνεργασία μας όλο αυτό το διάστημα και για τις πολύτιμες συμβουλές του, καθώς και τον κ. Feras I. Kanaze προϊστάμενο εργαστηρίου της εταιρίας Pharmathen Pharmaceutical Ιndustry στο Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης (Ε.Κ.Ε.Τ.Α) για την άδεια χρήσης των οργάνων

9 του εργαστηρίου αλλά και τις γνώσεις του πάνω στην Ανάλυση και συγκεκριμένα την Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Πίεσης, χωρίς τις οποίες η πραγματοποίηση της εργασίας αυτής θα ήταν σαφώς πιο δύσκολη. Ιδιαίτερες ευχαριστίες στον κ. Κωνσταντίνο Αυγουστάκη, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Φαρμακευτικής του Πανεπιστημίου Πατρών για τις γνώσεις που μας μετέδωσε όσον αφορά τις μεθόδους δημιουργίας νανοσωματιδίων αλλά και για την πραγματοποίηση στο εργαστήριό του της μελέτης βιοσυμβατότητας των νέων υλικών που παρασκευάστηκαν. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την εταιρία Λουφάκης Χημικά Α.Ε. όπου μετρήθηκε το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Ιδιαίτερος υπήρξε ο ρόλος καθενός, καθώς με τις επιστημονικές τους παρεμβάσεις κατά τη διάρκεια της διατριβής συνέβαλαν καθοριστικά στην ορθή ερευνητική αλληλουχία. Τους ευχαριστώ θερμά για τον χρόνο που διέθεσαν και τις γνώσεις τους, οι οποίες αποτέλεσαν ιδιαίτερα σημαντική βοήθεια για εμένα. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συναδέλφους μου για την ηθική στήριξη αλλά και την βοήθεια που μου παρείχαν όλο αυτό το διάστημα.

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΚΘΕΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ. ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ...1 ΜΕΡΟΣ Ι: ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Τιμπολόνη, τρόπος χορήγησης, ενδείξεις, αντενδείξεις της δραστικής, προβλήματα μορφοποίησης και τρόποι αντιμετώπισης Γενικά Προβλήματα μορφοποίησης της δραστικής και τρόποι αντιμετώπισης Εμμηνόπαυση Γενικα Συμπτώματα Οστεοπόρωση Γενικά Ποιοι άνθρωποι εμφανίζουν οστεοπόρωση Συχνότητα οστεοπόρωση Μορφές οστεοπόρωσης Συμπτώματα Θεραπεία...24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Γενικά Στερεές διασπορές, εξέλιξη και νέες γενιές συστημάτων Μέθοδοι Παρασκευής Συστημάτων Στερεών Διασπορών Μέθοδος Ανάμιξης Τήγματος Μέθοδος Διάλυσης Χαρακτηρισμός Στερεών Διασπορών Συνήθεις πολυμερικοί φορείς κ ανόργανα υλικά για την παρασκευή στερεών διασπορών Πολυεθυλενογλυκόλη (PEG) Πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) Διοξείδιο του Πυριτίου SiO Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Στερεών Διασπορών και Μελλοντικές Προοπτικές...53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 BΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Γενικά Παρασκευή Κατηγορίες πολυεστέρων Φυσικές ιδιότητες Αποικοδόμηση Εφαρμογές Βιοαποικοδόμιση αλειφατικών πολυεστέρων...63

11 3.8 Προσδιορίζοντας την βιοαποικοδομησιμότητα Μηχανισμοί αποικοδόμησης των πολυμερών Μη-βιολογική αποικοδόμηση πολυμερών Βιολογική αποικοδόμηση πολυμερών Ενζυμική υδρόλυση Τρόποι μέτρησης της βιοαποικοδομησιμότητας Παράγοντες που επηρεάζουν την βιοαποικοδόμηση Εφαρμογές πολυμερών στην φαρμακοβιομηχανία: χρήσεις βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών ως έκδοχα...74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Ιστορική Αναδρομή Νανοεπιστήμες και νανοτεχνολογία Νανοτεχνολογία και φαρμακευτική επιστήμη Οικονομικά Στοιχεία Αναγκαιότητα ύπαρξης νανοφορέων Περιορισμοί νανοφορέων Πολυμερικά νανοσωματίδια Βασικοί μέθοδοι δημιουργίας νανοσωματιδίων Μέθοδοι παρασκευής πολυμερικών νανοσωματιδίων Γαλακτωματοποίηση/ εξάτμιση του διαλύτη Εκτόπιση διαλύτη και διεπιφανειακή απόθεση νανοσωματιδίων Γαλακτωματοποίηση/διάχυση διαλύτη Εξαλάτωση (salting-out) με συνθετικά πολυμερή Παράμετροι μορφοποίησης που έχουν καθοριστικό ρόλο στις ιδιότητες των νανοσωματιδίων Μηχανισμοί ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμάκου από πολυμερικούς νανοφορείς Συστήματα ανταποκρινόμενα στο περιβάλλον Βιοαποικοδομήσιμα συστήματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ Γενικά Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD) Εισαγωγή στην περίθλαση πολυκρυσταλλικής σκόνης Εφαρμογές Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) Εισαγωγή Αρχή της μεθόδου Φασματόμετρο NMR Προσδιορισμός της δομής των πολυμερών με την βοήθεια του NMR Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) Εισαγωγή στην φασματοσκοπία υπερύθρου (IR) Ερμηνεία φασμάτων IR Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC) Αρχή της μεθόδου Περιγραφή της συσκευής Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Εισαγωγή Τεχνικές της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας Ηλεκτρονική μικροσκοπία άμεσης απεικόνισης (SEM) Ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ)...122

12 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΜΕΡΟΥΣ Ι ΜΕΡΟΣ ΙΙ : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ- ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Παρασκευή και χαρακτηρισμός συστημάτων στερεών διασπορών Παρασκευή στερεών διασπορών Τιμπολόνης-πολυβινυλοπυρρολιδόνης (PVP) Παρασκευή στερεών διασπορών Τιμπολόνης-Πολυαιθυλενογλυκόλης Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης Κλασσική μέθοδος ανάμιξης τήγματος Μέθοδος ανάμιξης τήγματος με χρήση μικροκυμάτων Μελέτη και χαρακτηρισμός των συστημάτων στερεών διασπορών Θερμική ανάλυση, χρήση Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης - Differential Scanning Calorimetry (DSC) Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ - Wide Angle X-Ray Diffractometry (WAXD) Λήψη φασμάτων υπερύθρου Λήψη μικροφωτογραφιών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης-Scanning Electron Microscopy (SEM) Μελέτη σταθερότητας δραστικής ουσίας Τιμπολόνης λόγω εφαρμογής μικροκυμάτων για την παραγωγή στερεών διασπορών με μήτρα πολυαιθυλενογλυκόλης In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας (In vitro release profile) Παρασκευή και χαρακτηρισμός πολυεστέρων Υλικά για την παρασκευή των πολυεστέρων Παρασκευή πολυεστέρων, περιγραφή πειραματικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε Περιγραφή μελέτης και χαρακτηρισμού παραχθέντων πολυεστέρων Ιξωδομετρία Υπολογισμός Μοριακών Βαρών με χρήση Χρωματογραφίας Διαπερατότητας Πηκτής-Gel Permeation Chromatography (GPC) Προσδιορισμός ακραίων καρβοξυλικών ομάδων Λήψη φασμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού-nuclear Magnetic Resonance (ΝΜR) Θερμική ανάλυση, χρήση Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης - Differential Scanning Calorimetry (DSC) Ενζυμική υδρόλυση Λήψη μικροφωτογραφιών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης-Scanning Electron Microscopy (SEM) Θερμοσταθμική Ανάλυση-Thermagravimetric analysis (TGA) Μελέτη βιοσυμβατότητας των παρασκευασθέντων πολυεστέρων Παρασκευή νανοσωματιδίων Παρασκευή νανοσωματιδίων. Περιγραφή πειραματικής διαδικασίας Μελέτη και χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων Περιγραφή μελέτης και χαρακτηρισμού παραχθέντων πολυμερικών νανοσωματιδίων Μέτρηση μεγέθους και μορφολογίας νανοσωματιδίων με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης-Scanning Electron Microscopy (SEM) Μέτρηση μεγέθους και μορφολογίας νανοσωματιδίων Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (Transmition Electron Microscopy-TEM) Προσδιοριμός μέσου μεγέθους σωματιδίων με χρήση τεχνικής σκέδασης φωτός

13 Προσδιορισμός της απόδοση σε νανοσωματίδια, ικανότητα φόρτωσης δραστικής και ικανότητα ενθυλάκωσης Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT-IR) In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας (In vitro release profile) ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΜΕΡΟΥΣ ΙΙ ΜΕΡΟΣ ΙΙΙ: AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΌΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Παρασκευή των δυαδικών και τριαδικών συστήματων στερεής διασποράς πολυβινυλοπυρρολιδόνης/διοξειδίου του Πυριτίου/ Τιμπολόνης (PVP-SiO 2 -Τibolone)- αρχική παρατήρηση Θερμική ανάλυση-διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης-Differential Scanning Calorimetry (DSC) Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ (ΧRD) Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR) Μελέτη των συστημάτων με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία-Scanning Electron Microscopy (SEM) In vitro μελέτη του ρυθμού απελευθέρωσης της Τιμπολόνης Παρασκευή συστημάτων στερεής διασποράς πολυαιθυλενογλυκόλης/ Τιμπολόνης με την συμβατική μέθοδο ανάμιξης τήγματος και με τη χρήση της ενέργειας μικροκυμάτων αρχική παρατήρηση Επίδραση της χρήσης των μικροκυμάτων στην σταθερότητα της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης Επίδραση της χρήσης μικροκυμάτων στον απαιτούμενο χρόνο παρασκευής των δειγμάτων στερεής διασποράς Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός και μελέτη των συστημάτων στερεής διασποράς πολυαιθυλενογλυκόλης Τιμπολόνης με την μέθοδο ανάμιξης τήγματος και της χρήσης μικροκυμάτων Θερμική ανάλυση-διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης-Differential Scanning Calorimetry(DSC) Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ - Wide Angle X-Ray Diffractometry (WAXD) Φασματοσκοπία Υπερύθρου- Μετασχηματισμού Fourier, Fourier Transformation- Infrared Spectroscopy (FT-IR) Μελέτη των συστημάτων με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία-Scanning Electron Microscopy (SEM) In vitro μελέτη του ρυθμού απελευθέρωσης της Τιμπολόνης Σύγκριση Μεθόδων Στερεής Διασποράς που χρησιμοποιήθηκαν ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΠΟΛΥ(ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΡΟΠΥΛΕΝΕΣΤΕΡΑ) ΜΕ ε-καπρολακτονη Αλειφατικοί πολυεστέρες-σύνθεση Σύνθεση πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και πολυκαπρολακτόνης και των συμπολυμερών πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) με ε-καπρολακτόνη [P(PSu-co- CL)]-περιγραφή διαδικασίας Xαρακτηρισμός Αλειφατικών πολυεστέρων Iξωδομετρία, μοριακά βάρη και ανάλυση ακραίων ομάδων Μηχανικές ιδιότητες των παρασκευασθέντων πολυεστέρων...217

14 8.2.3 Ανάλυση φασμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού των παρασκευασθέντων συμπολυμερών Θερμική ανάλυση των συμπολυμερών με χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης Φάσματα περίθλασης ακτίνων -Χ Μελέτη Βιοαποικοδόμησης Λήψη μικροφωτογραφιών ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) Χημική Υδρόλυση πολυεστέρων In vitro βιοσυμβατότητα των παρασκευασθέντων πολυεστέρων Θερμοσταθμική ανάλυση-thermogravimetric analysis ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ, ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΗΣ ΟΥΣΙΑΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Μορφολογία και κατανομή μεγέθους νανοσωματιδίων Μέτρηση μεγέθους σωματιδίων με χρήση σκέδασης φωτός Μέτρηση μεγέθους και παρατήρηση μορφολογίας νανοσωματιδίων με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy-SEΜ) Μέτρηση μεγέθους και μορφολογίας νανοσωματιδίων με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (Transmition Electron Microscopy-TEM) Προσδιορισμός της απόδοσης σε νανοσωματίδια, της ικανότητας φόρτωσης δραστικής και της ικανότητας ενθυλάκωσης Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων των συμπολυμερών Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ (Wide Angle X-Ray Diffractometry-WAXD) Λήψη και μελέτη φασμάτων υπερύθρου - Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT-IR) In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας (In vitro release profile) ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...261

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ: ΕΚΘΕΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ. ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ ΕΚΘΕΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ. ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ Τα τελευταία χρόνια συντίθενται συνεχώς νέες φαρμακευτικά δραστικές ουσίες, η μορφοποίηση των οποίων, σε φαρμακοτεχνικά σκευάσματα, για την εισαγωγή τους στην αγορά και την τελική διάθεσή τους στο κοινό, αποτελεί σημείο αιχμής και ερευνητικού ενδιαφέροντος για πολλούς ερευνητές, είτε εντός των φαρμακευτικών βιομηχανιών, είτε σε διάφορα ινστιτούτα και πανεπιστήμια ανά τον κόσμο. 1

16 ΕΙΣΑΓΩΓΗ: ΕΚΘΕΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ. ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ Τα σημαντικότερα προβλήματα που παρουσιάζει το μεγαλύτερο μέρος των νέων αυτών φαρμακευτικά δραστικών ουσιών, έχει να κάνει με την κρυσταλλικότητά τους, την σημαντική υδροφοβία και ιδιαίτερα χαμηλή διαλυτότητά τους στο νερό. Επίσης στα προβλήματα συμπεριλαμβάνονται και αυτά της σταθερότητας της δραστικής τόσο κατά την χρήση της στα διάφορα υγρά του σώματος (ιδιαίτερα όταν αναφερόμαστε σε βιοτεχνολογικά φάρμακα όπως πρωτεΐνες ή προϊόντα ανασυνδιασμένου DNA), όσο και με την παραμονή και αποθήκευσή της λόγω ύπαρξης πολυμόρφων, στοιχεία που οδηγούν, τελικά, και σε ιδιαίτερα χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα της δραστικής. Μία από τις σημαντικότερες τάσεις στην φαρμακευτική τεχνολογία, προς την κατεύθυνση βελτίωσης της διαλυτότητας των δυσδιάλυτων φαρμακευτικά δραστικών ουσιών και της ταυτόχρονης προστασίας τους, και την δημιουργία εν τέλει ενός επιτυχημένου ιδιοσκευάσματος, αποτελεί η προσπάθεια καταστροφής του κρυσταλλικού πλέγματος και η δημιουργία πλήρως άμορφου υλικού ικανού να διαλυθεί ταχύτατα κατά την χορήγησή του και άρα να απορροφηθεί καλύτερα από τον οργανισμό. Η δραστική ουσία Τιμπολόνη, μια νέα σχετικά δραστική, η οποία συντέθηκε στα τέλη της δεκαετίας του ογδόντα, και η οποία είναι ένα συνθετικό στεροειδές με μικτή ορμονική δράση (οιστρογονική, προγεσταγονική, ήπια ανδρογονική), αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα εκείνων των φαρμακευτικά δραστικών ουσιών, η κρυσταλλικότητα της οποίας δημιουργεί αρκετά προβλήματα στην φαρμακοκινητική της συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, οδηγεί σε μειωμένη βιοδιαθεσιμότητα ενώ ταυτόχρονα αποτελεί περιοριστικό παράγοντα στην κινητική διάλυσης καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολη την επίτευξη της άμεσης αποδέσμευσης. Τo πρόβλημα εντείνεται σημαντικά από την παρουσία πολυμόρφων της δραστικής. Μέχρι αυτήν την στιγμή λοιπόν παρουσιάζεται στην ελληνική και ευρωπαϊκή αγορά ένα μόνο σκεύασμα της δραστικής. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα της δραστικής αυτής και να επιτευχθεί ένα σκεύασμα άμεσης αποδέσμευσης αλλά και ένα σκεύασμα παρατεταμένης αποδέσμευσης χρησιμοποιήθηκαν αντίστοιχα δύο τεχνικές. Η παρούσα πρόταση εστιάζεται στη δημιουργία φαρμακοτεχνικού ιδιοσκευάσματος βέλτιστης σταθερότητας, επαναληψιμότητας και 2

17 ΕΙΣΑΓΩΓΗ: ΕΚΘΕΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ. ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ βιοδιαθεσιμότητας. Συγκεκριμένα επιχειρήθηκε η καταστροφή του κρυσταλλικού πλέγματος και η δημιουργία άμορφου υλικού προκειμένου να αντιμετωπισθούν και τα δύο προβλήματα που αναφέρθηκαν (κρυσταλλικότητα και πολυμορφισμός) και να οδηγηθούμε σε επαναλήψιμο υλικό βέλτιστης βιοδιαθεσιμότητας. Η προσπάθεια αυτή έλαβε χώρα με χρήση δύο διαφορετικών μεθόδων. Με την μέθοδο της διασποράς σε στερεή κατάσταση (solid dispersion) όπου η δραστική ουσία επιδιώκεται να βρεθεί τελικά σε μοριακή διασπορά στην πολυμερική μήτρα, και την τελική δημιουργία ενός σκευάσματος άμεσης αποδέσμευσης. Με την μέθοδο της νανο-ενθυλάκωσης της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης σε κατάλληλους πολυμερικούς φορείς όπως είναι ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) και τα συμπολυμερή αυτού με ε-καπρολακτόνη, και την δημιουργία ενός σκευάσματος παρατεταμένης αποδέσμευσης. Οι στόχοι της μελέτης εστιάστηκαν στα παρακάτω: Δημιουργία και μελέτη σκευάσματος άμεσης αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης με την χρήση της μεθόδου διασποράς σε στερεή κατάσταση. Τροποποίηση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων της Τιμπολόνης, μέσω δυαδικών και τριαδικών συστημάτων στερεής διασποράς, με σκοπό την αύξηση της υδροφιλίας και της σταθερότητάς της. Δημιουργία και μελέτη σκευάσματος παρατεταμένης αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης με την χρήση της μεθόδου νανοενθυλάκωσης της δραστικής σε πολυμερικό φορέα. Σύνθεση κατάλληλων πολυμερικών φορέων, του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και τα συμπολυμερή αυτού με ε-καπρολακτόνη, και στη συνέχεια χαρακτηρισμός και μελέτη των νέων υλικών Ενθυλάκωση της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης στους παρασκευασθέντες πολυμερικούς φορείς στην μορφή των νανοσωματιδίων. Μελέτη και χαρακτηρισμός των συστημάτων. 3

18

19 5

20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ 1.1 Τιμπολόνη, τρόπος χορήγησης, ενδείξεις, αντενδείξεις της δραστικής, προβλήματα μορφοποίησης και τρόποι αντιμετώπισης Γενικά Tιμπολόνη: H τιμπολόνη είναι ένα συνθετικό στεροειδές με μικτή ορμονική δράση (οιστρογονική, προγεσταγονική και ήπια ανδρογονική). Mετά την χορήγηση 7

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ από το στόμα η τιμπολόνη και οι μεταβολίτες της ασκούν ειδική ιστική δράση όμοια με εκείνη των εκκρινόμενων από την ωοθήκη στεροειδών: οιστρογονική δράση στον κόλπο, στα οστά και στα θερμορρυθμιστικά κέντρα του εγκεφάλου, κατ' εξοχήν προγεσταγονική δράση στον μαστό, ανταγωνιστική των οιστρογόνων δράση στο ενδομήτριο και ανδρογονική δράση σε ορισμένες μεταβολικές και αιματολογικές παραμέτρους και τη libido. Σε αντίθεση με τα οιστρογόνα η βιολογική δράση της τιμπολόνης δεν προκαλεί υπερπλασία του ενδομητρίου. Συνεπώς δεν είναι απαραίτητη η προσθήκη προγεστερινοειδούς και για τον λόγο αυτό αποφεύγονται προγεσταγονικού τύπου παρενέργειες συμπεριλαμβανομένης της αιμόρροιας από διακοπή. Ενδείξεις: Συμπτώματα οφειλόμενα σε φυσική ή χειρουργική εμμηνόπαυση, πρόληψη μετεμμηνοπαυσιακής οστεοπόρωσης. Αντενδείξεις: Γνωστοί ή ύποπτοι ορμονοεξαρτώμενοι όγκοι, αιμορραγία γεννητικών οργάνων άγνωστης αιτιολογίας, θρομβοφλεβίτιδα, θρομβοεμβολικά επεισόδια ή ιστορικό τέτοιων καταστάσεων, βαριά ηπατοπάθεια, κύηση, μαστοπάθεια και ομάδες αυξημένου κινδύνου για μαστοπάθεια. Ανεπιθύμητες ενέργειες: Mεταβολές στο βάρος του σώματος, ζάλη, σμηγματορροϊκή δερματίτιδα, κολπική αιμόρροια, κεφαλαλγία, γαστρεντερικές διαταραχές, διαταραχές ηπατικής λειτουργίας, αύξηση τριχωτού κεφαλής, προκνημιαίο οίδημα. Αλληλεπιδράσεις: Eπειδή η τιμπολόνη αυξάνει την ινωδολυτική δραστηριότητα (χαμηλότερα επίπεδα ινωδoγόνου, υψηλότερες τιμές αντιθρομβίνης III και πλασμινογόνου) μπορεί να ενισχύσει τη δραστικότητα των αντιπηκτικών. Oυσίες που προκαλούν επαγωγή ενζύμων π.χ. βαρβιτουρικά, καρβαμαζεπίνη, υδαντοΐνες και ριφαμπικίνη, μπορούν να ενισχύσουν τον μεταβολισμό της και συνεπώς να ελαττώσουν τη δραστικότητά της. Προσοχή στη χορήγηση: Δεν ενδείκνυται για αντισύλληψη. Σε προεμμηνοπαυσιακές γυναίκες πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η πιθανή διατάραξη της κανονικότητας του κύκλου. Aπαιτείται ιδιαίτερη προσοχή σε άτομα με νεφρική δυσλειτουργία, επιληψία, ημικρανία ή αναμνηστικό τέτοιων καταστάσεων, υπερχοληστεριναιμία, διαταραγμένο μεταβολισμό υδατανθράκων. Σε περίπτωση χορήγησης δοσολογίας υψηλότερης της συνιστώμενης είναι δυνατόν να προκληθεί 8

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ κολπική αιμόρροια. Στην περίπτωση αυτή συνιστάται ταυτόχρονη χορήγηση προγεστερινοειδούς σε τακτά χρονικά διαστήματα π.χ. κάθε 3 μήνες για 10 ημέρες. Διακοπή του φαρμάκου αν εμφανισθούν σημεία θρομβοεμβολικών διεργασιών, διαταραχές της ηπατικής λειτουργίας ή χολοστατικός ίκτερος. Σε γυναίκες στις οποίες προηγούμενα εχορηγείτο άλλη θεραπεία ορμονικής υποκατάστασης το ενδομήτριο μπορεί να είναι ήδη παραγωγικό. Στις περιπτώσεις αυτές πριν αρχίσει η θεραπευτική αγωγή με τιμπολόνη συνιστάται πρόκληση αιμόρροιας από διακοπή με τη χορήγηση ενός προγεστερινοειδούς. Δοσολογία: 2.5 mg ημερησίως κατά προτίμηση την ίδια ώρα κάθε ημέρα. Σε γυναίκες με φυσική εμμηνόπαυση η θεραπευτική αγωγή με τιμπολόνη αρχίζει 12 μήνες μετά την τελευταία έμμηνο ρύση. Σε γυναίκες με χειρουργική εμμηνόπαυση ή σε γυναίκες στις οποίες χορηγούνται GnRH ανάλογα η θεραπευτική αγωγή με τιμπολόνη πρέπει να αρχίζει αμέσως. Μορφές-Περιεκτικότητα: δισκία 2,5mg Προβλήματα μορφοποίησης της δραστικής και τρόποι αντιμετώπισης Τα τελευταία χρόνια πολλά νέα φάρμακα συντέθηκαν ή απομονώθηκαν από φυσικές πρώτες ύλες ώστε να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά χρόνιες αλλά και νέες παθήσεις (Food and Drug Administration, 1998). Επιπρόσθετα, πολλές προσπάθειες εστιάζονται στη βελτίωση των ήδη υπαρχόντων δραστικών ουσιών ώστε να βελτιωθεί η δράση τους ή να επιλυθούν προβλήματα που παρουσιάζει η χορήγησή τους. Η δραστική ουσία Τιμπολόνη, η οποία αποτελεί το αντικείμενο τ, είναι μία φαρμακολογικά ενεργή ουσία με κύρια δράση κατά των συμπτωμάτων της εμμηνόπαυσης και πρόληψης της οστεοπόρωσης (Landgren M.B. et al, Cicinelli E. et al Jamin C. et al Egarter C. et al Vos R.M.E. et al 2002). Πρόκειται για την χημική ένωση (7α, 17α)-17-υδροξυ-7-μεθυλo-19-νορ-17- πρεγ-5(10)-εν-20-ιν-3-όνη: 9

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Σχήμα 1.4 Χημική Δομή της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης Φαρμακευτικά, η Τιμπολόνη είναι μία από τις δραστικότερες χημικές ουσίες αλλά παρουσιάζει αρκετά προβλήματα παραγωγής, βιοδιαθεσιμότητας στον ανθρώπινο οργανισμό, μορφοποίησης της τελικής φαρμακευτικής μορφής με την οποία χορηγείται στον άνθρωπο (συνήθως δισκία) αλλά και σταθερότητας αυτού του φαρμακευτικού ιδιοσκευάσματος κατά τη διάρκεια αποθήκευσης (Plate R. et al Vos R.M.E. et al, 2002). Για τους λόγους αυτούς τόσο στην Ελληνική όσο και στην Ευρωπαϊκή αγορά κυκλοφορεί ένα μόνο ιδιοσκεύασμα με πάρα πολλά προβλήματα σταθερότητας και διάθεσης της δραστικής ουσίας. Αυτά οφείλονται σε δύο κύριους παράγοντες: α) Στην κρυσταλλική δομή του μορίου Από τη φαρμακευτική τεχνολογία είναι γνωστό ότι για να μπορέσει μία δραστική ουσία να έχει τη φαρμακευτική αγωγή για την οποία χορηγείται, θα πρέπει να είναι διαλυτή σε υδατικά διαλύματα ώστε να διέλθει δια μέσου των βιολογικών μεμβρανών στον ανθρώπινο οργανισμό (Swarbrick J. et al, 1990). Για τον λόγο αυτό τα τελευταία χρόνια δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα κατά τη σχεδίαση νέων φαρμάκων στην πρόβλεψη της διαλυτότητάς τους (Huskonen J. et al, Jorgensen W.L. et al, Taskinen J., 2000). Εάν αυτή είναι ιδιαίτερα χαμηλή τα φάρμακα απορρίπτονται πριν ακόμα αρχίσει η παραγωγική τους διαδικασία. Τα περισσότερα φάρμακα αποτελούνται από κατάλληλες ενώσεις με φαρμακευτική δράση οι οποίες με τη μορφή μικρών μορίων διαχέονται ελεύθερα μέσα στα βιολογικά συστήματα. Ωστόσο η φαρμακευτική αποτελεσματικότητα μιας ένωσης εξαρτάται κυρίως από τη 10

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ βιοδιαθεσιμότητα αυτής η οποία καθορίζεται από το συνδυασμό διαλυτότητας και διαπερατότητας της δραστικής ουσίας (Löbenberg R. et al, 2000). Με τον όρο βιοδιαθεσιμότητα ορίζεται η ικανότητα μιας ένωσης να διέλθει δια μέσου των βιολογικών μεμβρανών στον ανθρώπινο οργανισμό (Jorgensen W.L. et al, 2002) (Σχήμα 1.5). Σχήμα 1.5 Προσομοίωση των σταδίων που ακολουθεί μια φαρμακευτική ουσία ώστε να δράσει στον οργανισμό. Ωστόσο, οι περισσότερες κρυσταλλικές ενώσεις, μεταξύ αυτών και η Τιμπολόνη, εξαιτίας του κρυσταλλικού τους πλέγματος παρουσιάζουν μειωμένη διαλυτότητα στα όξινα υδατικά διαλύματα του στομάχου (pη 1,2) καθώς και σε ουδέτερα όπως του λεπτού και παχέως εντέρου (pη 6,8 και 7,2) (Timmer C.J. et al, 2002). Έτσι η μεγαλύτερη ποσότητα της δραστικής ένωσης αποβάλλεται από τον οργανισμό χωρίς να έχει απορροφηθεί και συνεπώς να δράσει. Κατά συνέπεια, η ύπαρξη κρυσταλλικότητας δεν είναι η βέλτιστη δυνατή συνθήκη όσον αφορά στη βιοδιαθεσιμότητα της Τιμπολόνης. Συγκεκριμένα η κατάλληλη διευθέτηση στο χώρο των μορίων μειώνει την επιφάνεια έκθεσης στα υγρά διαλυτοποίησης, ενώ το ίδιο το κρυσταλλικό πλέγμα απαιτεί επιπρόσθετα ποσά ενέργειας για την διάσπασή του πριν τη διαλυτοποίηση. Οι παράγοντες αυτοί οδηγούν σε περιορισμένη βιοδιαθεσιμότητα και κατά συνέπεια η βελτίωση της διαλυτότητας αποτελεί τον κρισιμότερο παράγοντα ώστε να αυξηθεί η περιεκτικότητα του φαρμάκου στο αίμα σε κατάλληλα επίπεδα. Η 11

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ δημιουργία άμορφου υλικού θα έδινε στην συγκεκριμένη περίπτωση τα βέλτιστα αποτελέσματα και το πρόβλημα αυτό άρχισε να απασχολεί τους ερευνητές πριν από αρκετά χρόνια (Sekiguchi K. and Obi N., Goldberg A.H. et al, 1966) β) Στην εμφάνιση πολυμορφισμού Η Τιμπολόνη είναι σχετικά νέα φαρμακευτική ουσία με πολλά προβλήματα παραγωγικής διαδικασίας και με κυριότερο το γεγονός ότι παράγεται ως μίγμα δύο διαφορετικών κρυσταλλικών μορφών (πολυμορφισμός), κάτι που είναι εξάλλου σύνηθες στις περισσότερες φαρμακευτικές ενώσεις (J. van de Ven et al, Borka L. et al Brittain H.G. et al, 1999). Το πολύμορφο I που αντιστοιχεί σε μονοκλινές (Ρ 21 ) κρυσταλλικό πλέγμα, το οποίο προτιμάται για την θεραπεία των συμπτωμάτων της εμμηνόπαυσης και πρόληψης της οστεοπόρωσης και το πολύμορφο II που αντιστοιχεί σε τρικλινές (Ρ 1 ). Στο σχήμα 1.6. δίνονται τα φάσματα υπερύθρου των δύο αυτών κρυσταλλικών δομών της ίδιας ουσίας. Ο πολυμορφισμός αποτελεί σημαντικό πρόβλημα στην μορφοποίηση διαφόρων δραστικών ουσιών και θεωρείται γεγονός ανεπιθύμητο στη φαρμακευτική τεχνολογία καθώς: Δεν υπάρχει σταθερή πρώτη ύλη. Οι διαφορές στο κρυσταλλικό πλέγμα προκαλούν διαφορές στις φυσικοχημικές ιδιότητες όπως πυκνότητα, σκληρότητα, σημείο τήξης, ενθαλπία τήξης, διαλυτότητα και ρυθμό διάλυσης, δείκτη διάθλασης καθώς και σε άλλες θερμοδυναμικές και κινητικές ιδιότητες (Grant D.J.W. 1999). Οι διαφορετικές φυσικές ιδιότητες των πολυμόρφων έχουν σημαντική επίδραση στην διαδικασία παραγωγής των φαρμακευτικών ιδιοσκευασμάτων και κυρίως στην ικανότητα δισκιοποίησης (Haleblian J.K. et al, 1969). Η παρουσία μιας μετασταθούς μορφής κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διεργασίας ή στην τελική φαρμακευτική μορφή χορήγησης του φαρμάκου συνήθως, οδηγεί σε μη σταθερό ρυθμό διάθεσης, ως αποτέλεσμα της κρυσταλλικής μετάπτωσης (Hornedo N.R. et al, 1992). Οι μεταβολές στη διαλυτότητα επιδρούν στην εκρόφηση της δραστικής ουσίας από δισκίο επιδρώντας στο ρυθμό διαλυτοποίησης και μεταφοράς των δραστικών μορίων (Higuchi W.I. et al, 1963). 12

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Absorbance Form I Form II Wavenumber (cm -1 ) Σχήμα 1.6 Φάσματα υπερύθρου της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης στα δύο διαφορετικά κρυσταλλικά συστήματα που εμφανίζεται. Έτσι σήμερα, αναγνωρίζεται από όλους τους ερευνητές ότι είναι ιδιαίτερα σημαντικό να ελεγχθεί δραστικά και να εξασφαλιστεί η σταθερότητα του κρυσταλλικού πλέγματος κατά τη διάρκεια των σταδίων ανάπτυξης και παραγωγής του φαρμάκου, αφού οποιαδήποτε πολυμορφική μετάπτωση ή αλλαγή στο βαθμό κρυσταλλικότητας θα έχει δραματικές επιπτώσεις στη βιοδιαθεσιμότητα της δραστικής ουσίας (Nerurkar M.J. et al, 2000). Τα παραπάνω προβλήματα τα οποία σχετίζονται και τα δύο με την κρυσταλλική δομή της ένωσης, θεωρούνται κρίσιμα για τη βιοδιαθεσιμότητα της Τιμπολόνη αλλά και την παραγωγή ενός φαρμακευτικού ιδιοσκευάσματος αφού δε διασφαλίζουν την επαναληψιμότητα της διαδικασίας από παρτίδα σε παρτίδα. Το γεγονός αυτό όμως αποτελεί απαίτηση των Αρχών της φαρμακευτικά δραστικής ουσίας στα πλαίσια του ελέγχου αξιοπιστίας (validation). Έτσι, εξαιτίας αυτών των περιορισμών, στην εγχώρια αλλά και την Ευρωπαϊκή αγορά κυκλοφορεί ένα μόνο φαρμακευτικό ιδιοσκεύασμα που περιέχει την δραστική ουσία Τιμπολόνη με αρκετά προβλήματα. Η παραγωγή ενός μόνο κρυσταλλικού πλέγματος είναι σχεδόν αδύνατη από τις εταιρίες παραγωγής. Ακόμα όμως και σ αυτή την περίπτωση η χημική ευαισθησία του μορίου είναι ιδιαίτερα μεγάλη με αποτέλεσμα να απαιτείται ειδική σταθεροποίηση κατά την μορφοποίηση, ώστε το προϊόν να παραμένει αναλλοίωτο 13

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ καθ όλη τη διάρκεια ζωής του. Επιπρόσθετα είναι δυνατόν κατά τη διάρκεια της δισκιοποίησης λόγω των θερμικών και μηχανικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα κατά την παραγωγική διαδικασία και με την επίδραση υψηλών πιέσεων, η κρυσταλλική ένωση να μεταπέσει στο πολυμορφικό σύστημα που κάτω από αυτές τις συνθήκες έχει τη σταθερή μορφή. Όσο και λόγω των συνθηκών αποθήκευσης κατά τη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Μια τέτοια μετάπτωση μπορεί να συμβεί επίσης και κατά τη διάρκεια αποθήκευσης του ιδιοσκευάσματος πριν την κατανάλωσή του. Από προκαταρκτικές μελέτες που έγιναν στο εμπορικό ιδιοσκεύασμα που κυκλοφορεί στην Ελληνική αγορά από ξένη Φαρμακευτική Εταιρία, διαπιστώθηκε η συνύπαρξη πολυμόρφων. Το γεγονός αυτό είναι δυσμενές, τόσο για τη σταθερότητα όσο και για την επαναληψιμότητα και βιοδιαθεσιμότητα του προϊόντος με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται η φαρμακευτική δράση της Τιμπολόνης. 1.2 Εμμηνόπαυση Γενικα Εμμηνόπαυση είναι η μόνιμη διακοπή της εμμήνου ρύσεως που εμφανίζεται όταν οι ωοθήκες εξαντλήσουν τα ωάριά τους και δεν εκκρίνουν πλέον τις ορμόνες που ενέχονται στον έμμηνο κύκλο (Οιστρογόνα-Προγεστερόνη). Πρόκειται για ένα φυσιολογικό και αναμενόμενο γεγονός στη ζωή της γυναίκας που σηματοδοτεί τη μετάβαση από την περίοδο που είναι ικανή για αναπαραγωγή στην μη αναπαραγωγική περίοδο. Θεωρείται ότι μια γυναίκα έχει μπεί στην εμμηνόπαυση όταν η έμμηνος ρύση έχει σταματήσει για ένα έτος λόγω ανεπάρκειας των ωοθηκών. Τα χρόνια πριν την εμμηνόπαυση, που χαρακτηρίζονται από αλλαγές των φυσιολογικών ωοθυλακιορρηκτικών κύκλων (ανωοθυλακιορρηξία-αλλαγές στη διάρκεια του κύκλου) χαρακτηρίζονται ως περιεμμηνόπαυσιακά χρόνια και συχνά περιλαμβάνουν την ηλικία από τα έτη Με βάση την Μassachusetts Women s Health Study: Μέση ηλικία έναρξης περιεμμηνόπαυσης: 46 έτη Ηλικία έναρξης για το 95% των γυναικών: Μέση διάρκεια περιεμμηνόπαυσης: 5 έτη Διάρκεια για το 95% των γυναικών: 2-8 έτη 14

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Μέση ηλικία εμμηνόπαυσης: 51,3 έτη Για τις γυναίκες που περνούν τη φυσιολογική εμμηνόπαυση, η διαδικασία είναι βαθμιαία και διαχωρίζεται σε τρία στάδια. Περιεμμηνόπαυση. Η περιεμμηνόπαυση αρχίζει αρκετά χρόνια πριν την εμμηνόπαυση, όταν οι ωοθήκες αρχίζουν και παράγουν προοδευτικά λιγότερα οιστρογόνα και διαρκεί μέχρι την εμμηνόπαυση οπότε οι ωοθήκες σταματούν να παράγουν ωάρια. 1-2 χρόνια πριν την εμμηνόπαυση η μείωση της έκκρισης οιστρογόνων από τις ωοθήκες επιταχύνεται με αποτέλεσμα την εμφάνιση των συμπτωμάτων της εμμηνόπαυσης. Εμμηνόπαυση. Εμμηνόπαυση είναι το σημείο όπου η γυναίκα έχει την τελευταία της περίοδο. Σε αυτό το στάδιο οι ωοθήκες έχουν σταματήσει να παράγουν ωάρια και ορμόνες. Η διάγνωση της εμμηνόπαυσης γίνεται όταν η γυναίκα δεν έχει περίοδο για 12 μήνες. Μετεμμηνόπαυση. Περιλαμβάνει τα χρόνια μετά την εμμηνόπαυση. Στη περίοδο αυτή τα συμπτώματα της εμμηνόπαυσης υποχωρούν προοδευτικά (όπως οι εξάψεις) αλλά τα προβλήματα υγείας που σχετίζονται με την έλλειψη οιστρογόνων με τη πάροδο του χρόνου αυξάνουν. Μερικές γυναίκες όμως μπορεί να εμφανίσουν εμμηνόπαυση νωρίς, όπως μετά από χειρουργική αφαίρεση των ωοθηκών (υστερεκτομή), χημειοθεραπεία η από γενετικές η ανοσολογικές διαταραχές. Αυτή η εμμηνόπαυση ονομάζεται πρόωρη. 15

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Η πρόωρη εμμηνόπαυση μπορεί να προκληθεί από γενετικούς, ανοσολογικούς η ιατρικούς παράγοντες. Μερικά παραδείγματα πρόωρης εμμηνόπαυσης είναι τα ακόλουθα: Πρόωρη ωοθηκική ανεπάρκεια. Κανονικά οι ωοθήκες παράγουν οιστρογόνα και προγεστερόνη. Μεταβολές σε αυτές τις ορμόνες προκαλούνται όταν, για άγνωστους ως επί το πλείστον λόγους, διακόπτουν πρόωρα την παραγωγή ωαρίων. Όταν αυτό συμβαίνει πριν την ηλικία των 40, θεωρείται πρόωρη ωοθηκική ανεπάρκεια. Σε αντίθεση με τη πρόωρη εμμηνόπαυση η πρόωρη ωοθηκική ανεπάρκεια μπορεί να μην είναι μόνιμη. Προκλητή εμμηνόπαυση. Αυτή συμβαίνει όταν οι ωοθήκες αφαιρούνται χειρουργικά όπως σε περίπτωση καρκίνου της μήτρας η ενδομητρίωσης. Προκλητή εμμηνόπαυση δημιουργείται επίσης σε περιπτώσεις χημειοθεραπείας η ακτινοβολίας Συμπτώματα Οι περισσότερες γυναίκες στην εμμηνόπαυση αισθάνονται εξάψεις, δηλαδή ένα ξαφνικό αίσθημα θερμότητας που εξαπλώνεται στο πάνω ήμισυ του σώματος που συχνά συνοδεύεται από ερυθρότητα και ιδρώτα. Η σοβαρότητά του κυμαίνεται από γυναίκα σε γυναίκα. Αλλά συμπτώματα είναι: ανωμαλία στη συχνότητα της περιόδου, αϋπνία, μεταβολές στη διάθεση, κόπωση, κατάθλιψη, ευερεθιστότητα, ταχυκαρδίες, πονοκέφαλος, πόνοι στις αρθρώσεις, διαταραχές στη σεξουαλική διάθεση, ξηρότητα του κόλπου, διαταραχές ούρησης. Τα συμπτώματα αυτά δεν τα αισθάνονται όλες οι γυναίκες. Η ηλικία της εμμηνόπαυσης ΔΕΝ σχετίζεται με την ηλικία εμμηναρχής, τη λήψη αντισυλληπτικών ή κοινωνικοοικονομικούς παράγοντες. Φαίνεται ότι οι καπνίστριες έχουν εμμηνόπαυση 1,5 έτη νωρίτερα-ακόμα και οι πρώην καπνίστριες. Νωρίτερα εμμηνόπαυση έχουν ακόμα οι γυναίκες που υποσιτίζονται, οι χορτοφάγοι και όσες ζουν σε μεγάλο υψόμετρο. Φαίνεται επίσης ότι μητέρες και κόρες τείνουν να έχουν εμμηνόπαυση στην ίδια ηλικία. Οι επιπτώσεις της έλλειψης των ορμονών είναι βραχυχρόνιες, ενοχλητικές για πολλές γυναίκες αλλά και μακροχρόνιες που αυξάνουν τον κίνδυνο οστεοπόρωσης, στεφανιαίας νόσου ή πιθανόν νόσου Alzheimer. 16

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Βραχυχρόνιες Επιπτώσεις Αγγειοκινητικές εξάψεις εκφράζει ένα σημαντικό ποσοστό μετεμμηνοπαυσιακών γυναικών (περίπου 70% ), αλλά μόνο το 20% θα επηρεαστεί τόσο ώστε να ζητήσει ιατρική βοήθεια. Ως έξαψη περιγράφεται ένα ξαφνικό αίσθημα θερμότητας στο άνω τμήμα του σώματος, που συνοδεύεται από ερύθημα προσώπου, λαιμού και θώρακα και λύεται με αίσθημα ψύχους και συχνά με ιδρώτα. Η διάρκεια του επεισοδίου μπορεί να ποικίλει από λίγα δευτερόλεπτα ως μερικά λεπτά και σπανιότατα ως μια ώρα. Μπορεί να εμφανίζονται αραιά ή κάθε λίγα λεπτά. Είναι συχνότερα τη νύχτα, σε ζεστό περιβάλλον και σε περιόδους stress. Σε μερικές γυναίκες μπορεί να προηγείται κεφαλαλγία ή αίσθημα παλμών. Μπορεί να ξυπνάνε την γυναίκα πολλές φορές τη νύχτα, με αποτέλεσμα διαταραχές και της ποιότητας του ύπνου, χρόνια κόπωση, αδυναμία ανταπόκρισης στις καθημερινές υποχρεώσεις, ευερεθιστότητα, ίσως και κατάθλιψη. Διατροφικές αλλαγές οδηγούν σε ποικιλία συμπτωμάτων που επηρεάζουν την ποιότητα ζωής. Ξηρότητα κόλπου, κνησμός, δυσπαρευνία (πόνος κατά την σεξουαλική επαφή), ουρηθρίτιδα με δυσουρικά ενοχλήματα, υποτροπιάζουσες ουρολοιμώξεις, ακράτεια ούρων μπορεί να είναι αποτελέσματα της ατροφίας του επιθήλιου της ουρογενετικής οδού από την χρόνια έλλειψη οιστρογόνων. H μείωση του κολλαγόνου του δέρματος που οδηγεί σε ρυτίδωση και ξηροδερμία σχετίζεται με την έλλειψη οιστρογόνων, ενώ μπορεί ακόμα να παρατηρηθεί αραίωση της τρίχωσης στη μασχάλη και στο εφηβαίο και αντικατάσταση από τελική τρίχα του χνουδιού στο άνω χείλος και στο πηγούνι. Μακροχρόνιες Επιπτώσεις Είναι τεκμηριωμένο ότι οι εμμηνοπαυσιακές γυναίκες εμφανίζουν αυξημένη νοσηρότητα και θνησιμότητα τόσο από οστεοπόρωση όσο και από στεφανιαία νόσο. Η έλλειψη οιστρογόνων επιταχύνει τον ρυθμό οστικής απώλειας κατά 0,5-2% κατ έτος. Η απώλεια της οστικής μάζας οδηγεί σε μείωση της ανθεκτικότητας του σκελετού και αυξάνει τον κίνδυνο καταγμάτων. Τα συχνότερα κατάγματα αφορούν στους σπονδύλους, στον αυχένα και στην κεφαλή του μηριαίου και στο περιφερικό άκρο της κερκίδας (κάταγμα Colles) και προκαλούνται ακόμα και μετά από μικρό 17

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ τραύμα. H συχνότητα σπονδυλικών καταγμάτων στις γυναίκες αυξάνει από 3% στην ηλικία των ετών σε 40% στην ηλικία των ετών. Ο κίνδυνος κατάγματος Colles είναι 10 φορές μεγαλύτερος σε γυναίκες 55 ετών σε σχέση με γυναίκες 35 ετών. Η έλλειψη οιστρογόνων επηρεάζει τα λιπίδια του αίματος, οδηγώντας σε αύξηση την χοληστερόλη και την LDL (κακή). Επίσης επηρεάζονται παράγοντες που συμμετέχουν στην πήξη του αίματος ενώ επηρεάζεται άμεσα το ενδοθήλιο των αγγείων. Αυτές οι αλλαγές μπορεί να ερμηνεύουν την αύξηση της καρδιαγγειακής νόσου και της αθηροσκλήρυνσης της αορτής που παρατηρείται μετά την εμμηνόπαυση. Η δράση των οιστρογόνων στον εγκέφαλο είναι νευροτροφική και νευροπροστατευτική και γι αυτό σύνδρομα που περιλαμβάνουν έκπτωση διανοητικών λειτουργιών (π.χ. νόσος Alzheimer) πιθανόν να σχετίζονται με την έλλειψη τους. 18

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ 1.3 Οστεοπόρωση Γενικά Η οστεοπόρωση είναι μια νόσος που χαρακτηρίζεται από χαμηλή οστική μάζα του οστού που οδηγεί σε αυξημένη ευθραυστότητα και συνεπώς σε αυξημένο κίνδυνο κατάγματος. Σχήμα 1.1 Εικόνα φυσιολογικού οστού και πως μετατρέπεται λόγω οστεοπόρωσης Η οστεοπόρωση λοιπόν είναι μία πάθηση που επιταχύνει τη φυσική απώλεια οστικής μάζας που συνοδεύει την ηλικία- ωσότου ο σκελετός γίνει τόσο πορώδης και εύθραυστος, ώστε τα οστά του να παθαίνουν κατάγματα με το παραμικρό ζόρισμα (π.χ. όταν σηκώσει κάποιος ένα βαρύ αντικείμενο) ή και αυτόματα κατάγματα χωρίς να υπάρχει δηλαδή εξωτερικό ερέθισμα και τραυματισμός. Τα κατάγματα εκδηλώνονται κυρίως: σε πολλούς σπονδύλους, στον καρπό, στην κεφαλή του μηριαίου. Τα κατάγματα των σπονδύλων και σε μικρότερη 19

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ συχνότητα αυτά της κεφαλής του μηριαίου μπορεί να συμβούν ξαφνικά από απλή μετατόπιση του βάρους του σώματος στη σπονδυλική στήλη ή στο μηρό. Προξενεί την «άσχημη» και συχνά οδυνηρή «καμπούρα γηραιάς κυρίας» που εμφανίζεται σε πολλές ηλικιωμένες γυναίκες Ποιοι άνθρωποι εμφανίζουν οστεοπόρωση Σχεδόν όλοι οι άνθρωποι της τρίτης ηλικίας (Γεροντική οστεοπόρωση). Γυναίκες στα πρώτα 10 χρόνια μετά την εμμηνόπαυση (Μετεμμηνοπαυσιακή οστεοπόρωση, αποτελεί το 80% των περιστατικών της οστεοπόρωσης). Άνθρωποι που έκαναν παρατεταμένη χρήση φαρμάκων, όπως: α) κορτιζόνη, β) αντιπηκτικά, γ) αντιεπιληπτικά, δ) μερικά διουρητικά (φουροσεμίδηχλωροθαλιδόνη). Όποιοι υποχρεωτικά περνούν μεγάλες περιόδους ακινησίας. Οστεοπόρωση από αχρησία μελών του σώματος. Όποιοι πάσχουν από παθήσεις των ενδοκρινών αδένων (υπερπαραθυρεοειδισμός, υπερθυρεοειδισμός, νόσος cushing, διαβήτης). Όποιοι κάνουν κατάχρηση καπνίσματος και αλκοόλ Συχνότητα οστεοπόρωσης Η οστεοπόρωση εμφανίζεται συνήθως μετά την ηλικία των 50 ετών, είναι πολύ συχνότερη στις γυναίκες από ό,τι στους άνδρες και η συχνότητά της αυξάνει με την πρόοδο της ηλικίας. Σύμφωνα με τα ευρήματα επιδημιολογικών μελετών σε διάφορες χώρες, η οστεοπόρωση προσβάλλει το 25-35% των γυναικών και το 15-20% των ανδρών ηλικίας 50 ετών και πάνω. Σε ό,τι αφορά τη χώρα μας, στα πλαίσια της πρόσφατης πανελλήνιας επιδημιολογικής έρευνας για τις ρευματικές παθήσεις στο γενικό πληθυσμό ενηλίκων, δηλ. ατόμων ηλικίας 19 ετών και πάνω, που οργανώθηκε και πραγματοποιήθηκε από το Ελληνικό Ίδρυμα Ρευματολογικών Ερευνών, έγινε ξεχωριστή μελέτη για τη συχνότητα της οστεοπόρωσης σε γυναίκες ηλικίας 50 ετών και πάνω. Στις γυναίκες αυτές έγινε μέτρηση της οστικής πυκνότητας στην οσφυϊκή μοίρα της σπονδυλικής στήλης και στο άνω άκρο του μηριαίου οστού και βρέθηκε ότι 28,4% των Ελληνίδων 50 ετών και πάνω παρουσιάζουν οστεοπόρωση. Είναι μάλιστα εξαιρετικά ενδιαφέρουσα η διαπίστωση σε αυτή την έρευνα ότι οι γυναίκες 20

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ που έχουν οστεοπόρωση, στη συντριπτική τους πλειοψηφία, δηλ. σε ποσοστό περίπου 75%, δεν το γνωρίζουν. Το γεγονός αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία και αναδεικνύει την ανάγκη για τη διαφώτιση και τη συστηματική ενημέρωση του κοινού και ιδιαίτερα των γυναικών αναφορικά με τις σύγχρονες δυνατότητες τόσο για την έγκαιρη διάγνωση της οστεοπόρωσης, όσο και για την εφαρμογή μέτρων πρωτογενούς και δευτερογενούς πρόληψής της Μορφές οστεοπόρωσης Η οστεοπόρωση διακρίνεται βασικά σε δύο μορφές: α) πρωτοπαθή και β) δευτεροπαθή. Η πρωτοπαθής χωρίζεται: α) στη νεανική, β) την ιδιοπαθή, γ) την σχετιζόμενη με την ηλικία. Η νεανική οστεοπόρωση παρατηρείται σπάνια σε αγόρια και κορίτσια πριν από την ήβη διαρκεί γύρω στα δύο χρόνια και υποχωρεί αυτομάτως. Η ιδιοπαθής οστεοπόρωση εμφανίζεται σε νεαρούς ενήλικες ηλικίας ετών και των δύο φύλων και είναι διαφόρου αιτιολογίας. Η κλινική εικόνα της μπορεί να είναι ελαφριά, αλλά συχνά είναι σοβαρή και σχετικά ανθεκτική στις συνήθεις θεραπείες. Η οστεοπόρωση που σχετίζεται με την ηλικία είναι η πιο συχνή μορφή οστεοπόρωσης. Αρχίζει κατά το μέσο της ζωής και αυξάνει προοδευτικά σε συχνότητα με την ηλικία. Η μορφή αυτή οστεοπόρωσης χωρίζεται περαιτέρω σε δύο τύπους, τον τύπο Ι ή μετεμμηνοπαυσιακή οστεοπόρωση και τον τύπο ΙΙ ή οστεοπόρωση των ηλικιωμένων. Ο τύπος Ι οστεοπόρωσης προσβάλλει γυναίκες 15 έως 20 χρόνια μετά την εμμηνόπαυση, αλλά λιγότερο συχνά μπορεί να προσβληθούν και άνδρες αυτής της ηλικίας από ένα παρόμοιο τύπο οστεοπόρωσης. Φαίνεται να προκαλείται από παράγοντες οι οποίοι σχετίζονται στενά ή απελευθερώνονται με την εμμηνόπαυση. Αν και η έλλειψη οιστρογόνων (γυναικεία ορμόνη) καθορίζει σημαντικά και τη σπογγώδη και τη φλοιώδη οστική απώλεια υπάρχει μια ετερογένεια στην παρουσίαση της οστεοπόρωσης στις γυναίκες. Αφενός μεν υπάρχει το σύνδρομο του αυτόματου κατάγματος, που συνήθως συμβαίνει μεταξύ 55 και 65 ετών και οφείλεται σε μια έντονη μετεμμηνοπαυσιακή απώλεια σπογγώδους ιστού (μετεμμηνοπαυσιακή οστεοπόρωση). Αφετέρου υπάρχει το σύνδρομο του κατάγματος του ισχίου που 21

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ οφείλεται σε οστική κυρίως απώλεια του φλοιώδους ιστού συνδεδεμένη με την ηλικία κατά τη διάρκεια της τρίτης δεκαετίας της ζωής. Σχήμα 1.2 Ηλεκτρονική μικροσκοπία Α. Φυσιολογικό οστό. Β. Οστεοπορωτικό οστό. Σε σύγκριση με το φυσιολογικό οστό πολλές κάθετες και οριζόντιες οστικές δοκίδες είναι λεπτότερες και γι' αυτό η οστική πυκνότητα είναι χαμηλή στην οστεοπόρωση. Επιπλέον η αρχιτεκτονική των οστικών δοκίδων είναι διαταραγμένη. Αρκετές δοκίδες λείπουν (ανοιχτά βέλη) και άλλες είναι σπασμένες (συμπαγή βέλη). Ο τύπος ΙΙ οστεοπόρωσης (η γεροντική οστεοπόρωση), η οποία σχετίζεται με το γήρας και εμφανίζεται σε άτομα και των δύο φύλων, ηλικίας 70 ετών και άνω. Στο 20% των γυναικών και στο 40% των ανδρών που εμφανίζουν κάταγμα σπονδύλου μπορεί να βρεθεί μια αιτία δευτεροπαθούς οστεοπόρωσης. Οι πιο συχνές είναι πρόωρος ωοθηκεκτομή στις γυναίκες, υπογοναδισμός στους άνδρες, υφαλική γαστρεκτομή, χρόνια αποφρακτική πνευμονοπάθεια ή ορμόνες θυροειδούς Συμπτώματα Η οστεοπόρωση είναι μια σιωπηρή νόσος, δεν παρουσιάζει δηλαδή συμπτώματα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό σημαίνει ότι περνάνε αρκετά χρόνια, κατά τη διάρκεια των οποίων η οστεοπόρωση συνεχώς χειροτερεύει από πλευράς απώλειας οστικής μάζας και διαταραχής της μικροαρχιτεκτονικής δομής των οστών, μέχρι να εμφανιστεί το πρώτο της σύμπτωμα, που είναι το κάταγμα. Η οστεοπόρωση είναι νόσος όλων των οστών και γι αυτό κατάγματα μπορεί να συμβούν σε διάφορες θέσεις του σκελετού, αλλά συνήθως συμβαίνουν στους σπονδύλους, στον αυχένα του μηριαίου οστού και στο αντιβράχιο. Πιο συγκεκριμένα, περίπου 40% των οστεοπορωτικών καταγμάτων αφορούν τη σπονδυλική στήλη, 20% 22

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ τον αυχένα του μηριαίου οστού, 20% το αντιβράχιο και 20% διάφορα άλλα οστά. Τα κατάγματα του αυχένα του μηριαίου οστού και του αντιβραχίου συμβαίνουν πάντοτε μετά από έναν ελαφρό τραυματισμό, όπως είναι π.χ. η πτώση από την όρθια θέση, ενώ συνοδεύονται πάντοτε από πόνο. Αντίθετα, τα σπονδυλικά κατάγματα συμβαίνουν συχνά χωρίς να προηγηθεί τραυματισμός και αρκετές φορές δεν συνοδεύονται από πόνο στη ράχη ή στη μέση. Απώλεια ύψους και κύφωση αποτελούν όψιμες εκδηλώσεις της οστεοπόρωσης και οφείλονται σε σπονδυλικά κατάγματα. Σχήμα 1.3 Α Σφηνοειδής συμπιεστικά κατάγματα του 12 ου θωρακικού σπονδύλου (Θ12) και τεσσάρων οσφυϊκών σπονδύλων (Ο1-Ο4) με το χαρακτηριστικό ότι το ύψος της πρόσθιας επιφάνειας αυτών των σπονδύλων (ανοιχτά βέλη) είναι μικρότερα από το ύψος της οπίσθιας επιφάνειάς τους (συμπαγή βέλη). Β Ανάλογα σφηνοειδή συμπιεστικά κατάγματα σε πέντε θωρακικούς σπονδύλους (βέλη) Διάγνωση Η διάγνωση της οστεοπόρωσης, όταν έχει συμβεί κάταγμα, είναι εύκολη και στηρίζεται στο ιστορικό, στην κλινική εξέταση και στη μέτρηση της οστικής πυκνότητας. Το ενδιαφέρον όμως ερώτημα είναι αν μπορεί η διάγνωση της οστεοπόρωσης να γίνει στο προσυμπτωματικό στάδιο, δηλ. πριν συμβεί το κάταγμα. 23

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Η απάντηση είναι καταφατική. Η διάγνωση της οστεοπόρωσης μπορεί να γίνει στο προκαταγματικό στάδιο με μέτρηση της οστικής πυκνότητας, εφόσον τηρούνται οι ενδείξεις για τη χρησιμοποίηση αυτής της διαγνωστικής μεθόδου. Η μέτρηση της οστικής πυκνότητας γίνεται στην οσφυϊκή μοίρα της σπονδυλικής στήλης πριν από την ηλικία των 60 ετών ή στο άνω άκρο του μηριαίου οστού στην ηλικία των 60 ετών και πάνω. Για τη μέτρηση αυτή η πιο χρήσιμη και αξιόπιστη μέθοδος είναι η μέτρηση της απορρόφησης διπλοενεργειακών φωτονίων, που είναι γνωστή ως DEXA από το Dual Energy X-ray absorptiometry Θεραπεία Η θεραπεία της οστεοπόρωσης δεν μπορεί να πετύχει πλήρη αναπλήρωση της οστικής μάζας, που έχει ήδη χαθεί, ούτε αποκατάσταση της διαταραγμένης μικροαρχιτεκτονικής δομής των οστών και φυσικά δεν μπορεί να αναιρέσει τις σοβαρές συνέπειες των οστεοπορωτικών καταγμάτων, που μπορεί να έχουν ήδη συμβεί. Όλα αυτά βέβαια υπογραμμίζουν τη μεγάλη σημασία της πρωτογενούς κυρίως αλλά και της δευτερογενούς πρόληψης της νόσου. Ωστόσο, πρέπει να τονιστεί ότι σήμερα υπάρχουν θεραπευτικές δυνατότητες για την οστεοπόρωση και ότι με την κατάλληλη εφαρμογή τους μπορεί να επιτευχθούν: Αναστολή περαιτέρω οστικής απώλειας Σημαντική αύξηση της οστικής μάζας Σημαντική μείωση του κινδύνου καταγμάτων Τα φάρμακα που χρησιμοποιούνται για τη θεραπευτική αντιμετώπιση της οστεοπόρωσης αναστέλλουν την οστική απορρόφηση ή αυξάνουν την οστική παραγωγή και είναι τα παρακάτω: Διφωσφονικά. Στρόντιο Καλσιτονίνη Εκλεκτικοί τροποποιητές των υποδοχέων των οιστρογόνων (SERMs- selective estrogen receptive modulators) π.χ ραλοξιφαίνη (εμπορική ονομασία σκευάσματος evista). Τεριπαρατίδη 24

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ Παραθορμόνη Οιστρογόνα Ασβέστιο Βιταμίνη D Γοναδομιμητικά. Ένα από αυτά είναι και η Τιμπολόνη- Συνθετικό στεροειδές με μικτή ορμονική δράση (οιστρογονική, προγεσταγονική, ήπια ανδρογονική). Μετά τη χρήση, η τιμπολόνη και οι μεταβολίτες της ασκούν ειδική δράση όμοια με εκείνη των εκκρινόμενων από την ωοθήκη στεροειδών: κόλπος, οστά, θερμορυθμιστικά κέντρα (οιστρογονική δράση), μαστός, ενδομήτριο (προγεσταγονική) μεταβολές σε αιματολογικούς δείκτες και libido (ανδρογονική) (εμπορική ονομασία σκευάσματος Livial) Είναι αυτονόητο ότι το θεραπευτικό πρόγραμμα, που θα εφαρμοστεί σε ένα συγκεκριμένο ασθενή με οστεοπόρωση, δηλ. ποιο φάρμακο από τα παραπάνω θα χρησιμοποιηθεί και αν το φάρμακο αυτό θα συνδυαστεί ή όχι και με ασβέστιο ή/και βιταμίνη D, καθορίζεται από το θεράποντα γιατρό με βάση τα κλινικά δεδομένα και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου ασθενούς. 25

40

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ 2.1 Γενικά Η από του στόματος λήψη φαρμακευτικών σκευασμάτων αποτελεί την απλούστερη και ευκολότερη οδό χορήγησης δραστικών ουσιών (Sugawara, M. et al., 2005). Εξαιτίας της μεγαλύτερης σταθερότητας, του μικρότερου μεγέθους, της 27

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ακρίβειας στην δόση και της εύκολης παρασκευής, οι από του στόματος χορηγούμενες στερεές φαρμακευτικές μορφές παρουσιάζουν σημαντικότερα πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες χορηγούμενες μορφές (Vasconcelos T et al, 2007). Τα τελευταία χρόνια, όπου ο διαχωρισμός και η επιλογή συστατικών με πιθανή φαρμακευτική δράση έχει σχεδόν αυτοματοποιηθεί, ο αριθμός των υπό ανάπτυξη δραστικών ουσιών έχει αυξηθεί σημαντικά, αποτελώντας έτσι ένα συνεχές πεδίο ενδιαφέροντος και έρευνας. Για τις περισσότερες φαρμακευτικά δραστικές ουσίες, οι οποίες βρίσκονται υπό ανάπτυξη, επιδιώκεται η μορφοποίησή τους ως στερεές από του στόματος χορηγούμενες φαρμακευτικές μορφές που να προσφέρουν αποτελεσματικά και βέλτιστα επιθυμητά επίπεδα της δραστικής στο πλάσμα (Ikegami, K. et al, 2006). Οι περισσότερες από αυτές τις ουσίες είναι δυσδιάλυτες και δεν παρουσιάζουν αποδεκτή απορρόφηση μετά την χορήγηση (van Drooge, D.J. et al, 2006). Επιπλέον, παρά το γεγονός ότι οι περισσότερες από αυτές τις ουσίες παρουσιάζουν υψηλή διαπερατότητα, η απορρόφησή τους γίνεται κυρίως στο άνω τμήμα του λεπτού εντέρου, και ελαττώνεται σημαντικά μετά τον ειλεό, δίνοντας μια σαφή ένδειξη ότι μόνο ένα μικρό τμήμα είναι διαθέσιμο για την απορρόφηση της δραστικής ουσίας (Streubel, A. et al., Gardner, D. et al, 1997). Συνεπώς τέτοιου είδους δραστικές ουσίες παρουσιάζουν χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα αν δεν απελευθερωθούν στην κατάλληλη περιοχή του γαστρεντερικού σωλήνα (Streubel, A. et al., Desai, J. et al. 2006). Έτσι λοιπόν μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της φαρμακευτικής βιομηχανίας σχετίζεται με τις τεχνικές εκείνες που μπορούν να βελτιώσουν της διαλυτότητα των φαρμακευτικά δραστικών ουσιών στο νερό. Η βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας των δυσδιάλυτων φαρμακευτικά δραστικών ουσιών αποτελεί μέχρι και σήμερα μια από τις πιο συχνές και μεγαλύτερες προκλήσεις για τους επιστήμονες οι οποίοι ασχολούνται με την μορφοποίηση. Η διαπερατότητα και η διαλυτότητα της δραστικής αποτελούν τους καθοριστικούς παράγοντες της βιοδιαθεσιμότητας. Η κατηγοριοποίηση των δραστικών ουσιών όπως καθορίζεται από το Σύστημα Κατηγοριοποίησης Φαρμακευτικών Σκευασμάτων (Biopharmaceutics Classification System, BCS) αποτελεί έναν οδηγό για την πρόβλεψη της απορρόφησης μιας ενεργού ουσίας στο γαστρεντερικό σύστημα όπως ορίστηκε από τον αντίστοιχο Αμερικανικό Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων (U.S Food and Drug Administration) 28

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Οι βασικές αρχές του συστήματος BCS ορίστηκαν από τον Dr. Gordon Amidon, στον οποίο και δόθηκε βραβείο διάκρισης τον Αύγουστο του 2006 από την Διεθνή Φαρμακευτική Ομοσπονδία (International Pharmaceutical Federation-FIP) σε συνέδριο στο Σαλβαδόρ της Βραζιλίας. Σχήμα 2.1 Σύστημα Κατηγοριοποίησης Φαρμακευτικών Σκευασμάτων (Biopharmaceutics Classification System). Χαρακτηρισμός των φαρμακευτικά δραστικών ουσιών βασισμένος σε μετρήσεις διαπερατότητας και διαλυτότητας. Το σύστημα αυτό έχει την δυνατότητα να περιορίζει και άρα να κάνει πιο συγκεκριμένη και πιο σίγουρη την πρόβλεψη για την ικανότητα και ευκολία μορφοποίησης ενός σκευάσματος χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους της διαλυτότητας και της διαπερατότητας της δραστικής στο γαστρεντερικό (Σχήμα 2.1). Η κατάταξη με βάση την διαλυτότητα στηρίζεται στην Αμερικανική Φαρμακοποιία (USP). Η κατάταξη σύμφωνα με την διαπερατότητα της δραστικής στο γαστρεντερικό σύστημα βασίζεται στην σύγκριση με την ενέσιμη ενδοφλέβια χορήγηση. Όλοι αυτοί οι παράγοντες είναι ιδιαίτερα σημαντικοί καθώς το 85% των δραστικών, με τις περισσότερες πωλήσεις στην Αμερική και την Ευρώπη, αποτελούν σκευάσματα τα οποία χορηγούνται από το στόμα. Σύμφωνα λοιπόν με το Σύστημα Κατηγοριοποίησης Φαρμακευτικών Σκευασμάτων (Biopharmaceutics Classification System), οι φαρμακευτικά δραστικές ουσίες κατηγοριοποιούνται ως εξής: 29

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Κατηγορία I Υψηλή Διαπερατότητα, Υψηλή Διαλυτότητα Παράδειγμα: Μetropol Οι ουσίες αυτές παρουσιάζουν καλή απορρόφηση. Η ταχύτητα απορρόφησης είναι συνήθως υψηλότερη σε σχέση με την ταχύτητα απέκκρισης. Κατηγορία II - Υψηλή Διαπερατότητα, Χαμηλή Διαλυτότητα Παράδειγμα: Glibenclamide Η βιοδιαθεσιμότητα αυτών των φαρμακευτικών συστατικών περιορίζεται από την περιορισμένη ταχύτητα διαλυτοποίησης. Μια συσχέτιση μεταξύ της in vivo βιοδιαθεσιμότητας και της in vitro διαλυτοποιήσης είναι δυνατόν να προσδιοριστεί. Κατηγορία III - Χαμηλή Διαπερατότητα, Υψηλή Διαλυτότητα Παράδειγμα: Cimetidine Η απορρόφηση είναι περιορισμένη αλλά η δραστική ουσία διαλύεται ταχύτατα. Αν δεν είναι δυνατή η αλλαγή της μορφοποίησης σε σχέση με την διαπερατότητα ή την χρονική διάρκεια παραμονής στο γαστρεντερικό σύστημα τότε τα κριτήρια της κατηγορίας I μπορούν να εφαρμοστούν. Κατηγορία IV - Χαμηλή Διαπερατότητα, Χαμηλή Διαλυτότητα Παράδειγμα: Hydrochlorothiazide Οι ουσίες αυτές παρουσιάζουν φτωχή βιοδιαθεσιμότητα. Συνήθως δεν απορροφούνται ικανοποιητικά στο γαστρεντερικό σύστημα και συνήθως αναμένεται σημαντική διακύμανση αποτελεσμάτων. Η απελευθέρωση της δραστικής αποτελεί κρίσιμο και ταυτόχρονα περιοριστικό παράγοντα για την βιοδιαθεσιμότητα, ιδιαίτερα των φαρμάκων εκείνων που παρουσιάζουν χαμηλή διαλυτότητα στο γαστρεντερικό σύστημα και υψηλή διαπερατότητα. Βελτιώνοντας το προφιλ της διαλυτότητας τέτοιων δραστικών ουσιών, επιτυγχάνεται η ταυτόχρονη βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητάς τους και άρα η ελλάττωση των πιθανών παρενεργειών (Streubel, A. et al., Tanaka, N. et al., Leuner, C. and Dressman, J., Majerik, V. et al., Prabhu, S. et al., 2005). Λαμβάνοντας υπόψη την τροποποιημένη εξίσωση των Νoyes-Whitney (Νoyes Α.Α, Whitney W.R., 1897), παρέχονται κάποιες σαφείς υποδείξεις για το πώς μπορεί να βελτιωθεί η ταχύτητα διάλυσης δυσδιάλυτων δραστικών συστατικών έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι περιορισμοί της βιοδιαθεσιμότητας. 30

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ dc dt AD(C s -C) h (2.1) Όπου dc/dt είναι η ταχύτητα διάλυσης, Α είναι η διαθέσιμη επιφάνεια προς διάλυση, ο παράγοντας D αποτελεί τον συντελεστή διάχυσης του μιγματος, C s είναι η διαλυτότητα του μίγματος στο μέσο διάλυσης, C είναι η συγκέντρωση της δραστικής στο μέσο διάλυσης σε χρόνο t και h είναι το πάχος της στιβάδας διάχυσης. Οι κύριες δυνατότητες λοιπόν, σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση, για την βελτίωση της διαλυτότητας είναι η αύξηση της διαθέσιμης επιφάνειας προς διάλυση μειώνοντας το μέγεθος των σωματιδίων του μίγματος και/ή βελτιστοποιώντας την διαβροχή της επιφάνειας του μίγματος, η ελάττωση του πάχους της στιβάδας διάχυσης, και η βελτίωση της φαινομενικής διαλυτότητας της δραστικής κάτω από κατάλληλες φυσιολογικές συνθήκες. Η πιο ελκυστική επιλογή για την αύξηση της ταχύτητας αποδέσμευσης είναι η αύξηση της διαλυτότητας μέσω προσεγγίσεων μορφοποίησης. Ο σχηματισμός αλάτων, η διαλυτοποίηση και η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων είναι τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως προκειμένου να βελτιωθεί η ταχύτητα διάλυσης και συνεπώς και η βιοδιαθεσιμότητα των δυσδιάλυτων δραστικών. Παρόλα αυτά, οι τεχνικές αυτές παρουσιάζουν σημαντικούς πρακτικούς κυρίως περιορισμούς (Serajuddin Αbu T.M., 1999). Ο σχηματισμός αλάτων αποτελεί μια δύσκολη σχετικά διαδικασία η οποία μάλιστα δεν είναι εφικτή για τις ενώσεις με ουδέτερο χαρακτήρα, ενώ ταυτόχρονα η σύνθεση κατάλληλων αλάτων από δραστικές που παρουσιάζουν χαρακτήρα ασθενούς οξέος ή ασθενούς βάσης πολύ συχνά δεν είναι πρακτικές. Αλλά ακόμα και όταν μια τέτοια μορφή παρασκευαστεί, μπορεί να μην επιτευχθεί τελικά βελτίωση της ταχύτητας διάλυσης της δραστικής στον γαστρεντερικό σωλήνα καθώς είναι πολύ πιθανή η αλλαγή μορφής του άλατος και ο τελικός σχηματισμός συσσωματωμάτων της αρχικής ασθενούς όξινης ή βασικής μορφής της δραστικής. Η διάλυση δραστικών ουσιών σε οργανικούς διαλύτες ή και σε υδατικό μέσο με την χρήση τασσενεργών ουσιών ή και συν-διαλυτών, οδηγούν στην δημιουργία υγρών σκευασμάτων τα οποία όμως δεν γίνονται εύκολα αποδεκτά από τους ασθενείς. Αν και η τεχνική της μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων χρησιμοποιείται ευρέως για την αύξηση της ταχύτητας 31

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ διάλυσης, παρουσιάζει πρακτικό όριο σε σχέση με το ελάχιστο μέγεθος σωματιδίων που μπορεί να επιτευχθεί. Επίσης παρουσιάζονται και άλλα σημαντικά μειονεκτήματα όπως η μειωμένη δυνατότητα διαβροχής και οι δυσκολίες στη ροή των φαρμακευτικών μειγμάτων, η οποία μάλιστα επιδεινώνεται από την ανάπτυξη ηλεκτροστατικών δυνάμεων μεταξύ των κόκκων. Τέλος σημαντικό μειονέκτημα των κόνεων, στις οποίες έχει μειωθεί το μέγεθος των σωματιδίων, αποτελεί η συσσωμάτωση των τεμαχιδίων που οφείλεται στη υψηλή επιφανειακή τάση η οποία αναπτύσσεται λόγω της μεγάλης επιφάνειας που αντιστοιχεί σε μικρότερα σωματίδια, δημιουργώντας σοβαρά προβλήματα κατά την ροή και την μορφοποίηση των κόνεων. Ένας εναλλακτικός τρόπος μορφοποίησης των δυσδιάλυτων δραστικών ουσιών αποτελεί η παρασκευή στερεών διασπορών. Σύμφωνα με τους Chiou και Riegelman, όπως παρουσιάζεται σε άρθρο επισκόπησης το 1971 (Chiou W. L, Riegelman S., 1971), τα συστήματα αυτά ορίζονται ως διασπορά ενός ή περισσοτέρων δραστικών συστατικών σε μία αδρανή μήτρα η οποία αποτελεί τον φορέα. Η δραστική ένωση βρίσκεται σε στερεή κατάσταση και τα συστήματα αυτά παρασκευάζονται με την μέθοδο της τήξης είτε την μέθοδο διάλυσης τόσο του φαρμάκου όσο και του φορέα σε κοινό διαλύτη. Το 1985 ο Corrigan (Corrigan O. I., 1985) πρότεινε έναν διαφορετικό ορισμό όπου χαρακτήριζε την στερεή διασπορά ως το προϊόν εκείνο που δημιουργείται μετατρέποντας έναν ρευστό συνδυασμό φορέα-δραστική, σε στερεή κατάσταση. Πρώτοι οι Sekiguchi και Οbi το 1961, (Sekiguchi K, Obi N., 1961) ανέπτυξαν την νέα αυτή μέθοδο όπου πολλοί από τους περιορισμούς που έθεταν οι τεχνικές που αναφέρθηκαν παραπάνω, σε σχέση με την βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας για τις δυσδιάλυτες δραστικές, παύουν πλέον να ισχύουν. Η μέθοδος αυτή, που αργότερα όπως προαναφέρθηκε, χαρακτηρίστηκε ως στερεή διασπορά, περιλαμβάνει την δημιουργία εύτηκτων μιγμάτων δραστικών με υδατοδιαλυτούς πολυμερικούς φορείς, με τήξη των φυσικών μιγμάτων τους. Οι Sekiguchi και Obi πρότειναν πως τελικά η δραστική βρίσκεται στο εύτηκτο μίγμα σε μικροκρυσταλλική κατάσταση. Αργότερα ο Goldberg (Goldberg, A. et al., 1966) παρουσίασε μια διαφορετική άποψη υποστηρίζοντας πως δεν είναι απαραίτητο όλη η ποσότητα της δραστικής στην στερεή διασπορά να βρίσκεται σε μικροκρυσταλλική κατάσταση και πως είναι πολύ πιθανό ένα μέρος της να βρίσκεται ως μοριακή διασπορά στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας. Αυτή ακριβώς η μοριακή 32

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ διασπορά αποτελεί και την απόλυτη ελάττωση του μεγέθους των σωματιδίων (A.H. Goldberg, A.H. et al., 1966). Είτε με τη μία εκδοχή είτε με την άλλη, όταν η στερεή διασπορά εκτίθεται στο μέσο διάλυσης και ο φορέας διαλύεται, η δραστική απελευθερώνεται σε μικρά, κολλοειδούς μεγέθους σωματίδια. Ακριβώς λόγω της μεγάλης επιφάνειας που δημιουργείται για την δραστική με αυτήν την μέθοδο μορφοποίησης, η ταχύτητα διάλυσης και η βιοδιαθεσιμότητα των δυσδιάλυτων δραστικών φαρμακευτικών ουσιών αυξάνεται. Ακόμα ένας σημαντικός λόγος βελτίωσης της διαλυτότητας, με την χρήση των στερεών διασπορών, αποτελεί το γεγονός πως η δραστική μπορεί να μην έχει πλέον καθόλου κρυσταλλική δομή στο στερεό διάλυμα (solid solution) που δημιουργείται αλλά να βρίσκεται σε άμορφη διασπορά με τη μορφή νανοσωματιδίων ή ακόμα και σε μοριακό επίπεδο. Σημαντικό ρόλο στην δημιουργία άμορφης δραστικής μπορεί να έχει η ύπαρξη αλληλεπιδράσεων μεταξύ της δραστικής και του πολυμερικού φορέα, όπως για παράδειγμα ο σχηματισμός δεσμών υδρογόνου (Taylor L.S., Zografi G., 1997). Έτσι λοιπόν η ενέργεια, που συνήθως απαιτείται για την καταστροφή της κρυσταλλικής δομής της δραστικής ουσίας πριν αυτή διαλυθεί, δεν αποτελεί πλέον περιορισμό για την απελευθέρωση της δραστικής από την στερεή διασπορά. Σε ορισμένες περιπτώσεις ο φορέας μπορεί να λειτουργήσει και προς την κατεύθυνση παρεμπόδισης της κατακρήμνισης και συσσωμάτωσης της δραστικής (Simonelli, A.P. et al, 1976 Hilton, J. E. et al, 1986 Usui, F. et al, 1997 Ford, J. L. et al, 1978). Έχει επίσης αναφερθεί πως αν η δραστική κατακρημνιστεί και μεταπέσει σε κρυσταλλική μορφή, τότε η μορφή που θα πάρει θα είναι αυτή του μετασταθούς πολυμόρφου της, το οποίο και συνήθως παρουσιάζει υψηλή διαλυτότητα σε σχέση με την πιο σταθερή μορφή (Hilton, J. E. et al, 1986 Ford, J. L. et al, 1978). Ένας ακόμη λόγος βελτίωσης της διαλυτότητας μιας δραστικής μέσω της χρήσης των στερεών διασπορών, είναι η βελτίωση της δυνατότητας διαβροχής της ίδιας της δραστικής, γεγονός που αποδίδεται κυρίως στις ικανότητες διαβροχής του πολυμερικού φορέα (Chiou W. L., and Riegelman S., 1971). Ο φορέας μπορεί επίσης με έναν ακόμα τρόπο να επηρεάσει την διαλυτότητα της δραστικής, μέσω απευθείας διάλυσής της σε αυτόν, αποκτώντας έτσι η πολυμερική μήτρα τον ρόλο του συνδιαλύτη. 33

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ 2.2 Στερεές διασπορές, εξέλιξη και νέες γενιές συστημάτων Πρώτη Γενιά Στερεών Διασπορών Όπως προαναφέρθηκε, η πρώτη περιγραφή των στερεών διασπορών πραγματοποιήθηκε από τους Sekiguchi και Obi το Παρατήρησαν πως η μορφοποίηση σε εύτηκτα μίγματα βελτιώνει την ταχύτητα απελευθέρωσης της δραστικής και συνεπώς και της βιοδιαθεσιμότητας μιας δυσδιάλυτης δραστικής (Sekiguchi, K. and Obi, N. 1964). Την ίδια δεκαετία, αρκετά συστήματα στερεών διασπορών είχαν περιγραφεί με χρήση δυσδιάλυτων δραστικών ουσιών, όπως η σουλφαθειαζόλη (Sekiguchi, K. and Obi, N., 1961) και η χλωραμφενικόλη (Sekiguchi, K. and Obi, N., 1964) με χρήση ουρίας ως ευδιάλυτο φορέα. Αυτές οι στερεές διασπορές καταλήγουν σε ταχύτερη απελευθέρωση της δραστικής και καλύτερη βιοδιαθεσιμότητα από ότι οι συμβατικές μορφές μορφοποίησης της ίδιας δραστικής. Το μικρό μέγεθος των σωματιδίων καθώς και η καλύτερη ικανότητα διαβροχής της δραστικής αποτέλεσαν τους κύριους παράγοντες για τις παρατηρούμενες βελτιώσεις στην βιοδιαθεσιμότητα. Αργότερα, οι Levy (Levy, G. 1963) και Kaning (Kanig, J. L. 1964) ανέπτυξαν συστήματα στερεών διασπορών, τα οποία περιείχαν ως φορέα μαννιτόλη, δημιουργώντας συστήματα στερεών διαλυμάτων μέσω μοριακών διασπορών αντί για την χρήση εύτηκτων μιγμάτων (Leuner, C. and Dressman, J., 2000). Οι παρατηρούμενες βελτιώσεις αποδόθηκαν σε ταχύτερη διάλυση του φορέα, απελευθερώνοντας μικροκρυστάλλους η σωματίδια της δραστικής (Goldberg, A.H. et al, 1966). Οι στερεές αυτές διασπορές, οι οποίες μπορούν να χαρακτηριστούν και ως πρώτη γενιά στερεών διασπορών (Σχήμα 2.2), παρασκευάζονταν με χρήση κρυσταλλικών φορέων. Οι κρυσταλλικοί φορείς περιλαμβάνουν την ουρία (Sekiguchi, K. and Obi, N Sekiguchi, K. and Obi, N Goldberg, A. H. et al., 1966) και τα σάκχαρα (Kanig, J. L. 1964), τα οποία και αποτέλεσαν τους πρώτους φορείς που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή στερεών διασπορών. Παρουσιάζουν το μειονέκτημα της δημιουργίας κρυσταλλικών στερεών διασπορών, τα οποία είναι θερμοδυναμικά πιο σταθερά και δεν απελευθερώνουν την δραστική τόσο γρήγορα όσο τα άμορφα συστήματα των στερεών διασπορών. 34

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Δεύτερη Γενιά Στερεών Διασπορών Στα τέλη της δεκαετίας του 60 (Simonelli, A. P. et al Chiou, W.L. and Riegelman, S., 1969) παρατηρήθηκε πως οι στερεές διασπορές, στις οποίες η δραστική παραμένει σε κρυσταλλική κατάσταση, ίσως να μην είναι τόσο αποτελεσματικές όσο οι άμορφες διασπορές, καθώς οι πρώτες παρουσιάζονται θερμοδυναμικά σταθερότερες (Vippagunta, S. R. et al Simonelli, A. P. et al Urbanetz, N.A. 2006). Έτσι λοιπόν, παρουσιάστηκε μια δεύτερη γενιά στερεών διασπορών, όπου οι φορείς πλέον που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως άμορφοι παρά κρυσταλλικοί. Στους άμορφους αυτούς φορείς, οι οποίοι είναι συνήθως πολυμερή, οι δραστικές ουσίες διασπείρονται μοριακά (Vilhelmsen, T. et al. 2005). Οι πολυμερικοί φορείς αποτέλεσαν τους πιο σημαντικούς αλλά και επιτυχημένους στην χρήση τους για την παρασκευή στερεών διασπορών, καθώς παρουσιάζουν την ικανότητα να δημιουργούν άμορφες στερεές διασπορές. Οι φορείς αυτοί χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες, στα συνθετικά πολυμερή και στα πολυμερή που προέρχονται από φυσικές πηγές. Στα πλήρως συνθετικά πολυμερή περιλαμβάνονται πολυμερή όπως η πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) (van Drooge, D. J. et al Simonelli, A. P. et al Karavas, E. et al Drooge, D.J.V. et al Pokharkar, V. B. et al Hasegawa, S. et al Lloyd, G. R. et al Yoshihashi, Y. et al. 2006) και η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG) (Prabhu, S. et al Urbanetz, N. A Guyot, M. et al Yao, W. W. et al Chiou, W.L. and Riegelman, S. 1970). Τα πολυμερή που προέρχονται από φυσικά προϊόντα αποτελούνται κυρίως από παράγωγα της κυτταρίνης, όπως η υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνη (HPMC) (Ohara, T. et al Won, D.H. et al Konno, H. and Taylor, L. S. 2006), η αιθυλοκυτταρίνη (Desai, J. et al Ohara, T. et al Verreck, G. et al. 2006) ή η υδροξυπροπυλοκυτταρίνη (Tanaka, N. et al Tanaka, N. et al. 2005) ή και παράγωγα αμύλου, όπως οι κυκλοδεξτρίνες (Rodier, E. et al Garcia-Zubiri, I.X. et al. 2006). Οι άμορφες στερεές διασπορές μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σύμφωνα με τις μοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της δραστικής ουσίας και των φορέων στα στερεά διαλύματα, στερεά αιωρήματα ή και μίγμα των παραπάνω (van Drooge, D.J. et al Drooge, D.J.V. et al. (2006). Στα άμορφα στερεά διαλύματα, τόσο η δραστική όσο και ο φορέας είναι πλήρως αναμείξιμα και διαλυτά συστήματα, δημιουργώντας 35

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ μια ομογενή μοριακή αλληλεπίδραση μεταξύ τους (van Drooge, D.J. et al. 2006). Η χρήση των πολυμερών στην παρασκευή πραγματικά στερεών διαλυμάτων δημιουργεί ένα άμορφο προϊόν στο οποίο η κρυσταλλική δραστική έχει πλήρως διαλυθεί (van Drooge, D.J. et al Van den Mooter, G. et al. 2006). Ο τύπος αυτός των άμορφων στερεών διασπορών είναι ομογενής σε μοριακό επίπεδο, έτσι λοιπόν μόνο μία φάση είναι παρούσα (van Drooge, D.J. et al. 2006). Άμορφα στερεά αιωρήματα (διασπορές) λαμβάνονται όταν η δραστική παρουσιάζει είτε χαμηλή διαλυτότητα στον εκάστοτε φορέα είτε εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξεως (Chiou, W.L. και Riegelman, S. 1971). Δραστικές ουσίες με υψηλό σημείο τήξεως αποτελούν υποψήφιες ουσίες για την παραγωγή άμορφων στερεών αιωρημάτων. Μοριακά, οι λαμβανόμενες διασπορές δεν παρουσιάζουν μια ομογενή δομή, αλλά αποτελείτε από δύο διαφορετικές φάσεις. Μικρά σωματίδια της δραστικής ουσίας, όταν διασπείρονται σε πολυμερικούς φορείς, έχουν την ικανότητα να δημιουργούν ένα άμορφο τελικό προϊόν (van Drooge, D.J. et al Goldberg, A.H. et al. 1966). Όταν μια δραστική ουσία βρίσκεται τόσο διαλυμένη όσο και διεσπαρμένη σε έναν φορέα, λαμβάνεται μια ετερογενής δομή με διττή συμπεριφορά και ιδιότητες τόσο του άμορφου στερεού διαλύματος όσο και της άμορφης στερεής διασποράς (αιωρήματος) (van Drooge, D.J. et al. 2006). Στα συστήματα στερεών διασπορών δεύτερης γενιάς υπάρχει η δυνατότητα ελάττωσης του μεγέθους των σωματιδίων της δραστικής ουσίας σε σχεδόν μοριακό επίπεδο, διαλυτοπoίηση ή συνδιάλυση της δραστικής από τον υδατοδιαλυτό πολυμερικό φορέα, καλύτερη δυνατότητα διαβροχής και διασπορά της δραστικής στον πολυμερικό φορέα, και παραγωγή άμορφων μορφών τόσο για την δραστική όσο και για τους φορείς (Karata, A. et al Damian, F. et al. 2000). Σε αυτές τις στερεές διασπορές, η διάλυση του φορέα (ή του μίγματος των φορέων) καθορίζει το προφίλ απελευθέρωσης της δραστικής (Ohara, T. et al Leuner, C. and Dressman, J. 2000). 36

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Σχήμα 2.2 Η εξέλιξη των στερεών διασπορών Τρίτη Γενιά Στερεών Διασπορών Τελευταία έχει αποδειχθεί πως το προφίλ διαλυτότητας μιας δραστικής μπορεί να βελτιωθεί αν ο φορέας παρουσιάζει ταυτόχρονα ιδιότητες τασσενεργού. Έτσι λοιπόν παρουσιάστηκε και η τρίτη γενιά στερεών διασπορών, η οποία περιλαμβάνει έναν φορέα με ιδιότητες τασσενεργού ή μίγμα άμορφων πολυμερών και τασσενεργών ως φορέων μιας φαρμακευτικά δραστικής ουσίας. Η τρίτη γενιά στερεών διασπορών στοχεύει τόσο στην βελτίωση της διαλυτότητας και άρα της βιοδιαθεσιμότητας δυσδιάλυτων δραστικών ουσιών όσο και στην σταθεροποίηση της στερεής διασποράς και αποφυγή της πιθανής ανακρυστάλλωσης της δραστικής με την παραμονή του δείγματος. 2.3 Μέθοδοι Παρασκευής Συστημάτων Στερεών Διασπορών Δύο είναι οι βασικές μέθοδοι παρασκευής στερεών διασπορών όπως περιγράφονται σε εξειδικευμένη επισκόπηση (review) (Leuner, C. και Dressman, J., 2000). Η μέθοδος ανάμιξης τήγματος και η μέθοδος διάλυσης σε κοινό διαλύτη Μέθοδος Ανάμιξης Τήγματος Οι Sekiguchi και Obi ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποίησαν την μέθοδο αυτή (Sekiguchi K., and Obi N., 1961). Η συνήθης τεχνική για την παρασκευή στερεών 37

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ διασπορών με την τεχνική ανάμιξης τήγματος περιλαμβάνει την τήξη της δραστικής και του φορέα μαζί, σε θερμοκρασία που υπερβαίνει το σημείο τήξης του φορέα και μερικές φορές και του φαρμάκου εάν αυτό δεν διασπάται και ακολούθως την ταχύτατη ψύξη του τήγματος σε λουτρό πάγου. Εξαιτίας της ταχύτατης στερεοποίησης η δραστική ουσία εγκλωβίζεται στο εσωτερικό της μήτρας-φορέα. Το αν και κατά πόσο μπορεί να επιτευχθεί ο σχηματισμός μοριακής διασποράς εξαρτάται από την αναλογία μήτρας-φορέα με την δραστική ουσία, από την ταχύτητα ψύξης που επιτυγχάνεται κατά την διάρκεια της διαδικασίας και κυρίως από την ύπαρξη ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ φορέα και δραστικής ουσίας. Με άλλα λόγια, η ίδια η διαδικασία που θα ακολουθηθεί και ο τρόπος που αυτό θα γίνει έχει αντίκτυπο στο προϊόν της στερεής διασποράς που λαμβάνεται και μπορεί να τροποποιηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να βελτιστοποιηθεί το λαμβανόμενο προϊόν. Σχήμα 2.3 Τεχνικές και βασικές μέθοδοι παρασκευής συστημάτων στερεής διασποράς Μια σημαντική και απαραίτητη προϋπόθεση για την παρασκευή στερεών διασπορών με την μέθοδο ανάμιξης τήγματος, είναι η δυνατότητα ανάμιξης της δραστικής ουσίας και του φορέα κατά την τήξη. Αλλά και κατά πόσο ο φορέας έχει την ικανότητα να λειτουργεί σαν διαλύτης για την δραστική ουσία κατά την διάρκεια της θέρμανσης του δείγματος. Ακόμη, ένας σημαντικός περιορισμός αυτής της μεθόδου είναι η θερμική σταθερότητα της δραστικής και του φορέα. Αν απαιτείται 38

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ υψηλή θερμοκρασία τότε φαινόμενα όπως αποσύνθεση ή και καταστροφή της δραστικής ουσίας, είναι πολύ πιθανό να παρατηρηθούν. Πιθανές αντιδράσεις οξείδωσης σε υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να αποφευχθούν εφαρμόζοντας κενό ή κάποια αδρανή ατμόσφαιρα κατά την διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας Μέθοδος Διάλυσης Μέχρι την εμφάνιση της μεθόδου της διάλυσης στο προσκήνιο, οι στερεές διασπορές παρασκευάζονταν κυρίως με την χρήση της ανάμιξης τήγματος. Οι Tachibani και Nakumara ήταν οι πρώτοι που διέλυσαν τόσο τον φορέα όσο και την δραστική σε έναν κοινό διαλύτη και στην συνέχεια εξάτμισαν τον διαλύτη υπό κενό προκειμένου να παρασκευάσουν την στερεή διασπορά (Tachibana, T. et al, 1965). Σημαντική και απαραίτητη προϋπόθεση για την παρασκευή των στερεών διασπορών με την τεχνική της διάλυσης είναι η ικανότητα διάλυσης του φορέα αλλά και της δραστικής σε έναν κοινό διαλύτη. Ο διαλύτης στην συνέχεια μπορεί να απομακρυνθεί με μια σειρά διαφορετικών μεθόδων. Οι συνήθης θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση του διαλύτη είναι μεταξύ ο C (Kearney, A.S. et al, El-Zein, H. et al 1998). Ο διαλύτης μπορεί επίσης να απομακρυνθεί με λυοφιλοποίηση (freeze drying) (Betageri, G.V. et al, 1995), ή την τεχνική ψεκασμού διαλύματος (spray drying) (Lo W.Y., and Law S.L., 1996). Πρέπει πάντα να υπενθυμίζεται πως όταν απομακρύνεται ένας οργανικός διαλύτης, μικρές αποκλίσεις από τις επιλεγμένες συνθήκες μπορούν να οδηγήσουν σε σχετικά σημαντικές αλλαγές στην παρουσίαση αλλά και τις ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Ακόμη ένα σημαντικό σημείο το οποίο απαιτεί προσοχή είναι η πλήρης απομάκρυνση του οργανικού διαλύτη από το δείγμα, καθώς το μεγαλύτερο ποσοστό των χρησιμοποιούμενων διαλυτών παρουσιάζουν κάποιας μορφής τοξικότητα. Με την ανακάλυψη της μεθόδου της διάλυσης πολλά από τα προβλήματα που σχετίζονται με την μέθοδο της ανάμιξης τήγματος ξεπεράστηκαν. Έγινε δυνατή η παρασκευή στερεών διασπορών με συστατικά θερμικά ασταθή. Επιπρόσθετα, πολλά πολυμερή που δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην τεχνική της ανάμιξης τήγματος, εξαιτίας των ιδιαίτερα υψηλών σημείων τήξεως, μπορούσαν με την νέα τεχνική να θεωρηθούν σημαντικοί φορείς. 39

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ 2.4 Χαρακτηρισμός Στερεών Διασπορών Οι κύριες μέθοδοι χαρακτηρισμού των στερεών διασπορών αναφέρονται παρακάτω. Μέθοδοι για τον χαρακτηρισμό στερεών διασπορών Δοκιμασία Διαλυτότητας (Dissolution test) Θερμοαναλυτική Μέθοδος : Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC), Θερμική μικροσκοπία. Περίθλαση Ακτίνων Χ (WAXD) Φασματοσκοπικές Μέθοδοι π.χ φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-ir spectroscopy) Μέθοδοι Μικροσκοπίου π.χ πολωτική μικροσκοπία, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Ανάμεσα σε αυτές τις τεχνικές, οι οποίες θα αναπτυχθούν όσον αφορά τις αρχές λειτουργίας τους σε επόμενο κεφάλαιο, οι κυριότερες είναι η θερμική ανάλυση, η περίθλαση ακτίνων-χ, η φασματοσκοπία υπερύθρου και η μέτρηση της ταχύτητας διάλυσης της δραστικής ουσίας. Επίσης, οι τεχνικές αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν προκειμένου να διαχωριστούν οι στερεές διασπορές, στις οποίες η δραστική βρίσκεται σε μερική μοριακή διασπορά, από τα στερεά διαλύματα (solid solution), όπου η δραστική βρίσκεται στο σύνολό της σε μοριακή διασπορά, και τα φυσικά μείγματα της δραστικής και του φορέα. Λόγω της πολυπλοκότητας των φαρμακευτικών αυτών μειγμάτων, είναι συνήθως δύσκολο να τεθούν σαφή όρια διαχωρισμού μεταξύ των μοριακών και μη μοριακών στερεών διασπορών. Πολλές φορές οι διαφορετικές αναλυτικές τεχνικές μπορεί να οδηγήσουν σε αποτελέσματα που δεν συμφωνούν μεταξύ τους. Συνήθως θεωρείται ότι σε διασπορές όπου δεν είναι δυνατόν να ανιχνευθεί κρυσταλλικότητα, η δραστική ουσία βρίσκεται σε μοριακή διασπορά. Το γεγονός αυτό αποτελεί και κριτήριο διαχωρισμού μεταξύ μοριακών και μη διασπορών. H διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης δίνει την δυνατότητα προσδιορισμού όλων των διαδικασιών στις οποίες απαιτείται ενέργεια από το σύστημα, ή αποδίδεται ενέργεια σε αυτό. Στις στερεές διασπορές, η απουσία κορυφής τήξης στα θερμογραφήματα DSC υποδηλώνει ότι η δραστική ουσία βρίσκεται μάλλον σε άμορφη παρά σε κρυσταλλική δομή. Καθώς η μέθοδος είναι ποσοτική, ο βαθμός κρυσταλλικότητας για τα συστήματα όπου η δραστική παρουσιάζεται μερικώς 40

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ κρυσταλλική και μερικώς άμορφη, μπορεί επίσης να υπολογιστεί. Παρόλα αυτά, κρυσταλλικότητες μικρότερες από 2% σε δείγματα, γενικά δεν μπορούν να ανιχνευθούν με την διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Η τεχνική της περίθλασης ακτίνων-χ δίνει την δυνατότητα μελέτης της κρυσταλλικότητας ενός δείγματος. Είναι δυνατόν λοιπόν με την χρήση της περίθλασης ακτίνων -Χ να γίνει διάκριση μεταξύ των στερεών διαλυμάτων, όπου η δραστική είναι άμορφη, και των στερεών διασπορών, όπου η δραστική είναι παρούσα με την κρυσταλλική της μορφή, ανεξάρτητα από το αν ο φορέας είναι άμορφος ή κρυσταλλικός. Όμως, κρυσταλλικότητα μικρότερη από 2% δεν μπορεί γενικά να ανιχνευθεί με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων-χ. Η τεχνική αυτή παρουσιάζει και ένα επιπρόσθετο πλεονέκτημα σε σχέση με τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Μελετάει τη φυσική κατάσταση των δειγμάτων στη θερμοκρασία περιβάλλοντος ενώ η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης χρησιμοποιεί τη θέρμανση του δείγματος με αποτέλεσμα πολλές μετρήσεις να μην ανταποκρίνονται στην πραγματική κατάσταση του δείγματος. Για παράδειγμα όταν μία δραστική βρίσκεται ενσωματωμένη σε φορέα με χαμηλή θερμοκρασία τήξης (π.χ. PEG) είναι πιθανόν η δραστική ένωση να είναι διασπαρμένη σε κρυσταλλική κατάσταση αλλά με τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης να μην καταγραφεί η κορυφή τήξης. Αυτό γίνεται γιατί η φαρμακευτική ένωση μπορεί να διαλυθεί κατά τη διάρκεια της θέρμανσης στο τήγμα του φορέα. Οποιεσδήποτε δομικές αλλαγές ή και απουσία κρυσταλλικής δομής μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγές στους δεσμούς των χαρακτηριστικών ομάδων, γεγονός που μπορεί να ανιχνευθεί με την χρήση φασματοσκοπίας υπερύθρου. Καθώς οι κορυφές που παρουσιάζονται στο φάσμα υπερύθρου δεν είναι συνολικά ευαίσθητες στις δομικές αλλαγές, είναι δυνατόν στις κορυφές που παρουσιάζουν ευαισθησία στις δομικές αλλαγές να υπάρξουν σημαντικές διαφοροποιήσεις όπως μετατοπίσεις ή και αλλαγή στις εντάσεις των κορυφών. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να βγάλουμε χρήσιμα συμπεράσματα για την δομή είτε της δραστικής είτε του συστήματος αλλά και την πιθανή ύπαρξη αλληλεπιδράσεων μεταξύ δραστικής και πολυμερικού φορέαμήτρας. Τα πειράματα διαλυτότητας δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ανεξάρτητη μέθοδος για να χαρακτηριστεί μια διασπορά ως στερεή ή ως μοριακή. Παρόλα αυτά 41

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα του φυσικοχημικού χαρακτηρισμού, μπορούν να προκύψουν σημαντικά στοιχεία για να στηριχτεί αν το σύστημα που δημιουργήθηκε είναι μοριακή διασπορά. 2.5 Συνήθεις πολυμερικοί φορείς κ ανόργανα υλικά για την παρασκευή στερεών διασπορών Πολυεθυλενογλυκόλη (PEG) Παρασκευή Η πολυαιθυλενογλυκόλη παράγεται με την αντίδραση μεταξύ αιθυλενοξειδίου με νερό ή αιθυλενογλυκόλη είτε ολιγομερή της αιθυλενογλυκόλης. Η αντίδραση καταλύεται είτε από όξινους είτε από βασικούς καταλύτες. Η αιθυλενογλυκόλη και ολιγομερή της προτιμώνται ως πρώτες ύλες για την παραγωγή πολυαιθυλενογλυκόλης καθώς επιτρέπουν τον καλύτερο έλεγχο του μοριακού βάρους του παρασκευασθέντος υλικού, και την δημιουργία τελικά ενός προϊόντος με χαμηλή πολυδιασπορά (στενή κατανομή μοριακών βαρών). Το μήκος της μακρομοριακής αλυσίδας εξαρτάται από την αναλογία των αντιδρώντων στο μίγμα. HOCH 2 CH 2 OH + n(ch 2 CH 2 O) HO(CH 2 CH 2 O) n+1 H Ανάλογα με τον καταλύτη που χρησιμοποιείται, ο μηχανισμός του πολυμερισμού μπορεί να είναι είτε κατιονικός είτε ανιονικός. Ο ανιονικός μηχανισμός προτιμάται καθώς μπορεί να παραληφθεί πολυαιθυλενογλυκόλη με χαμηλή πολυδιασπορά. Ο πολυμερισμός του αιθυλενοξειδίου είναι μια εξώθερμη αντίδραση. Υπερθέρμανση ή επιμόλυνση του αιθυλενοξειδίου με καταλύτες όπως αλκάλια ή οξείδια μετάλλων μπορεί να οδηγήσει σε αυτοπροαγωγή και αυτοκατάλυση του πολυμερισμού γεγονός που μπορεί να καταλήξει ακόμα και σε έκρηξη μετά από κάποιες ώρες. Πολυαιθυλενογλυκόλη υψηλού μοριακού βάρους παρασκευάζεται με πολυμερισμό αιωρήματος. Η αντίδραση καταλύεται από ενώσεις του μαγνησίου και ασβεστίου. Προκειμένου να αποφευχθεί πιθανή θρόμβωση των πολυμερικών αλυσίδων από το διάλυμα, χρησιμοποιούνται χηλικές ενώσεις ως πρόσθετα, όπως η διμεθυλογλυοξίμη. Αλκαλικοί καταλύτες όπως το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), το υδροξείδιο του καλίου (KOH) ή το ανθρακικό νάτριο χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πολυαιθυλενογλυκόλης χαμηλού μοριακού βάρους. 42

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Ιδιότητες Οι πολυαιθυλενογλυκόλες αποτελούν πολυμερή που προκύπτουν από το μονομερές αιθυλενοξείδιο, με μοριακά βάρη που κυμαίνονται μεταξύ Για την παρασκευή στερεών διασπορών χρησιμοποιούνται πολυαιθυλενογλυκόλες με μοριακά βάρη μεταξύ τόσο με την τεχνική της διάλυσης όσο και με την τεχνική της ανάμιξης τήγματος. Καθώς αυξάνεται το μοριακό βάρος, αυξάνεται και το ιξώδες. Για μοριακά βάρη έως 600, τα πολυμερή αυτά παρουσιάζονται υγρά, από είναι υλικά όμοια σε υφή με την βαζελίνη, από 2000 έως 6000 παρουσιάζονται κηρώδη ενώ τέλος τα πολυμερή αυτά με μοριακό βάρος από και πάνω δημιουργούν σκληρούς και εύθρυπτους κρυστάλλους σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Πίνακας 2.1 Διαφοροποίηση των ιδιοτήτων της πολυαιθυλενογλυκόλης με βάση την μεταβολή του μοριακού βάρους Μέσο Υδροξυ- Μέγιστη Δείγμα Εμφάνιση υλικού Σημείο PH Μοριακό λικές Περιεκτικότητα PEG στους 25 C Τήξεως Βάρος ομάδες σε υγρασία 200 Διαυγές ιξώδες άχρωμο υγρό <65 C % 300» <15 C % 400» C % 600» C % 1000 Λευκό κηρώδες στερεό C % 1500» C % 2000 Λευκές Νιφάδες C % 4000 Λευκές Νιφάδες C % 6000 Λευκές Νιφάδες C % Η διαλυτότητά τους στο νερό μπορεί να χαρακτηριστεί γενικά ικανοποιητική, αλλά ελαττώνεται με αύξηση του μοριακού βάρους του πολυμερούς. Χαρακτηριστικό πλεονέκτημα των πολυμερών αυτών όσον αφορά την χρήση τους στη παρασκευή 43

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ στερεών διασπορών αποτελεί το γεγονός ότι παρουσιάζουν καλή διαλυτότητα και σε οργανικούς διαλύτες. Τα σημεία τήξεως των πολυμερών αυτών που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για την φαρμακευτική τεχνολογία και συγκεκριμένα για τις στερεές διασπορές, βρίσκεται κάτω από τους 65 ο C (PEG 4000 σ.τ ο C, PEG σ.τ ο C). Τα χαμηλά αυτά σημεία τήξεως αποτελούν σημαντικό πλεονέκτημα για την παρασκευή στερεών διασπορών με την συμμετοχή αυτών των πολυμερών ως φορέων και την χρήση της μεθόδου ανάμιξης τήγματος. Επιπλέον ελκυστικό χαρακτηριστικό των πολυμερών αυτών αποτελεί το γεγονός ότι έχουν την ικανότητα να διαλύουν κάποιες ουσίες, όπως επίσης να βελτιώνουν την ικανότητα διαβροχής του μίγματος. Γενικές Εφαρμογές στην Φαρμακευτική Τεχνολογία Οι πολυαιθυλενογλυκόλες χρησιμοποιούνται ευρέως σε μια μεγάλη γκάμα φαρμακευτικών προϊόντων για παρεντερική, τοπική, οφθαλμική, από του στόματος και ορθική χορήγηση. Οι πολυαιθυλενογλυκόλες είναι σταθερά, υδατοδιαλυτά συστατικά τα οποία είναι γενικά μη ερεθιστικά για το δέρμα. Αν και εν γένει δεν διαπερνούν το δέρμα, οι πολυαιθυλενογλυκόλες είναι υδατοδιαλυτές και ως τέτοιες απομακρύνονται πολύ εύκολα από την επιφάνεια του δέρματος με απλή πλύση. Για τον λόγο αυτό τα υλικά αυτά είναι ιδιαίτερα χρήσιμα ως βάσεις για αλοιφές. Μίγματα πολυαιθυλενογλυκολών μπορούν να δημιουργηθούν έτσι ώστε να παρουσιάζεται ανθεκτικότητα κατά την έκθεση του φαρμακευτικού σκευάσματος σε υψηλές θερμοκρασίες, η απελευθέρωση της δραστικής τότε δεν εξαρτάται από το σημείο τήξεως και παρατηρείται καλύτερη φυσική σταθερότητα της φαρμακευτικής μορφής κατά την αποθήκευση. Βασικά μειονεκτήματα της χρήσης πολυαιθυλενογλυκολών αναφέρονται παρακάτω: ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται όταν τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται για την παρασκευή υποθέτων προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα στην ποιότητα και την εμφάνισή τους, η ταχύτητα απελευθέρωσης υδατοδιαλυτών δραστικών ουσιών ελαττώνεται με αύξηση του μοριακού βάρους της πολυαιθυλενογλυκόλης και τέλος οι πολυαιθύλενογλυκόλες τείνουν να είναι πιο ερεθιστικές για τις βλεννώδεις μεμβράνες παρά για τις λιπιδικές. 44

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Υδατικά διαλύματα πολυαιθυλενογλυκόλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως μέσα διασποράς είτε ως μέσα για την ρύθμιση του ιξώδους και της συνοχής άλλων μέσων διασποράς. Όταν χρησιμοποιηθούν οι πολυαιθυλενογλυκόλες σε συνδυασμό με άλλους γαλακτωματοποιητές, μπορούν να δράσουν ως σταθεροποιητές γαλακτώματος. Σε συγκεντρώσεις έως περίπου 30% β/β, PEG 300 και PEG 400 έχουν χρησιμοποιηθεί σε φαρμακευτικά σκευάσματα παρεντερικής χορήγησης. Στις στερεές φαρμακευτικές μορφές χορήγησης, πολυαιθυλενογλυκόλες με υψηλά μοριακά βάρη μπορούν να βελτιώσουν την δράση των χρησιμοποιούμενων συνδετικών μέσων και να αποδώσουν πλαστικότητα στα τεμαχίδια. Παρόλα αυτά οι ίδιες παρουσιάζουν μικρή συνδετική ικανότητα όταν χρησιμοποιούνται αποκλειστικά και παρατείνουν τον καταθρυμματισμό μόνο όταν βρίσκονται σε ποσοστά μεγαλύτερα από 5% β/β. Όταν χρησιμοποιούνται σε θερμοπλαστική κοκκοποίηση, μίγμα των συστατικών με περιεκτικότητα 10-15% β/β PEG 6000 θερμαίνεται σε θερμοκρασία o C. Η μάζα μετατρέπεται σε πάστα και δημιουργεί κόκκους ενώ αναμιγνύεται κατά την ψύξη. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ιδιαίτερα όταν απαιτείται παρατεταμένος καταθρυμματισμός της χορηγούμενης δόσης. Οι πολυαιθυλενογλυκόλες όπως αναφέρθηκε και παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την βελτίωση της διαλυτότητας στο νερό και εν γένει των χαρακτηριστικών διαλυτοποίησης δυσδιάλυτων φαρμακευτικών ουσιών με την δημιουργία στερεών διασπορών. Επίσης πολυαιθυλενογλυκόλες με μοριακά βάρη 6000 και παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λιπαντικά. Η λιπαντική δράση τους δεν είναι εξίσου καλή με το στεατικό μαγνήσιο, και μπορεί να παρατηρηθεί αντιστροφή των επιθυμητών αποτελεσμάτων, στην περίπτωση που το υλικό θερμανθεί πολύ κατά την δισκιοποίηση. Τέλος τα υλικά αυτά παρουσιάζονται χρήσιμα όταν είναι επιθυμητή η επικάλυψη δισκίων. Η παρουσία τους, ιδιαίτερα των πολυαιθυλενογλυκολών με χαμηλά μοριακά βάρη οι οποίες παρουσιάζονται υγρές, σαν επικαλυπτικά σε διάφορα δισκία τείνουν να αυξήσουν την διαπερατότητα του νερού. Οι πολυαιθυλενογλυκόλες αποτελούν και ιδιαίτερα χρήσιμους πλαστικοποιητές σε μικρο-ενθυλακωμένα 45

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ προϊόντα προκειμένου να αποφευχθεί η διάρρηξη της επικάλυψης των μικροκαψουλών κατά την διάρκεια της συμπίεσή τους σε δισκία Πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) Παρασκευή Η πολυβινυλοπυρρολιδόνη προκύπτει από τον πολυμερισμό του μονομερούς της βινυλοπυρρολιδόνης. Ο πολυμερισμός του μονομερούς αυτού μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε μέσω πολυμερισμού ελευθέρων ριζών είτε με ιοντικό μηχανισμό. Ο τελευταίος δίνει προϊόντα με μικρά μοριακά βάρη και δεν βρίσκει σημαντική εμπορική δράση. ΕΝΑΡΞΗ H 2 O 2 HO. + HO. CH 2 CH N O + HO. HO H 2 C CH. N O ΔΙΑΔΟΣΗ HO H 2 C CH. N O + n CH 2 CH N O HO H 2 C CH N O n CH 2 CH. N O ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΣ HO H 2 C CH N O n CH 2 CH. N O HO. HO H 2 C CH N O n CH 2 CHOH N O HO H 2 C H C N O n CH 2 CHO + H N O Σχημα 2.4 Μέθοδος παρασκευής Πολυβινυλοπυρρολιδόνης 46

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Η έναρξη του πολυμερισμού μέσω ριζών πραγματοποιείται με υπεροξείδιο του υδρογόνου, η συγκέντρωση του οποίου επηρεάζει το μοριακό βάρος του παραγόμενου πολυμερούς. Το στάδιο διάδοσης της αντίδρασης γίνεται με προσθήκη της μακρορρίζας στον διπλό δεσμό του μονομερούς. Το στάδιο του τερματισμού λαμβάνει χώρα με συνένωση δύο ριζών, μιας μακρομοριακής και μίας υδροξυλικής, οδηγώντας στην δημιουργία ενός ασταθούς προϊόντος με ακραία υδροξυλική ομάδα. Η διάσπαση του προϊόντος με απομάκρυνση ενός ακραίου μορίου πυρρολιδόνης οδηγεί στην δημιουργία του σταθερού πολυμερικού προϊόντος με μία ακραία αλδεϋδική ομάδα. Ιδιότητες Ο πολυμερισμός του μονομερούς βινυλιπυρρολιδόνης οδηγεί στην παρασκευή της πολυβινυλοπυρρολιδόνης με μοριακά βάρη που κυμαίνονται από 2500 έως και Η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης του πολυμερούς αυτού εξαρτάται όχι μόνο από το μοριακό βάρος αλλά και από την περιεκτικότητα του εκάστοτε δείγματος σε υγρασία. Γενικά η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Tg) παρουσιάζεται σε υψηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα πολυβινυλοπυρρολιδόνη με μοριακό βάρος περίπου παρουσιάζει Τg=155 o C. Για τον λόγο αυτό τα πολυμερή αυτά παρουσιάζουν περιορισμένη χρήση στην παρασκευή στερεών διασπορών με την μέθοδο θερμού τήγματος. Εξαιτίας της καλής τους διαλυτότητας σε πολλούς και διαφορετικούς οργανικούς διαλύτες, είναι κατάλληλα για την παρασκευή στερεών διασπορών με την μέθοδο της διάλυσης. Παρόμοια με την πολυαιθυλενογλυκόλη, η πολυβινυλοπυρρολιδόνη παρουσιάζει πολύ καλή διαλυτότητα στο νερό με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται και η ικανότητα διαβροχής του συστατικού που βρίσκεται σε διασπορά. Γενικές Εφαρμογές στην Φαρμακευτική Τεχνολογία Εξαιτίας των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων, ιδιαίτερα η καλή διαλυτότητα που παρουσιάζει η πολυβινυλοπυρρολιδόνη στο νερό αλλά και σε μια ποικιλία διαφόρων οργανικών διαλυτών, η εξαιρετική χημική σταθερότητα και η ικανότητά του να συνδέεται ισχυρά με διάφορα είτε υδρόφιλα είτε υδρόφοβα συστατικά, την μετατρέπει σε ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα πολυμερή. Ιδιαίτερα 47

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ σημαντική είναι η χρήση της πολυβινυλοπυρρολιδόνης στην φαρμακευτική τεχνολογία και κατ επέκταση στην φαρμακευτική βιομηχανία καθώς και την ιατρική. Επίσης το υλικό αυτό βρήκε σημαντικές εφαρμογές στην κοσμετική, την υφαντουργία, την βιομηχανία χαρτιού και σάπωνα, σε μεμβράνες, πρόσθετα, πλαστικά, διασπορείς. Εξαιτίας της εξαιρετικά χαμηλής τοξικότητας, το PVP μετατράπηκε σε ένα πολυμερές με ευρεία χρήση στην φαρμακευτική τεχνολογία και βιομηχανία. Το PVP γίνεται κολλώδες με την προσθήκη μικρής ποσότητας ύδατος και για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται ιδιαίτερα ως συνδετικό μέσο. Εξαιτίας της καλής διαλυτότητας και υδροφιλίας του το PVP διευκολύνει τον καταθρυμματισμό των δισκίων και εξασφαλίζει ικανοποιητικές ταχύτητας απελευθέρωσης για μια φαρμακευτικά δραστική ουσία. Βρίσκει ταυτόχρονα σημαντική εφαρμογή στην επικάλυψη δισκίων. Η μορφοποίηση δυσδιάλυτων φαρμακευτικά δραστικών ουσιών όπως έχει προαναφερθεί αποτελεί ουσιαστικό πρόβλημα για την φαρμακευτική βιομηχανία. Το PVP αποδείχθηκε ιδιαίτερα χρήσιμο στην βελτίωση της διαλυτότητας στο νερό και της βιοδιαθεσιμότητας αυτών των δραστικών ουσιών. Επίσης το PVP κερδίζει συνέχεια έδαφος προς την κατεύθυνση της ελεγχόμενης αποδέσμευσης δραστικών ουσιών. Η εξαιρετική του συμβατότητα, η σημαντική ικανότητα που παρουσιάζει στην δημιουργία συμπλόκων, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της διαλυτοποίησής του καθώς και η χαμηλή του τοξικότητα μετατρέπουν το πολυμερές αυτό εξαιρετικό για τέτοιου είδους εφαρμογή. Χρησιμοποιείται επίσης σε συσκευές διαδερμικής χορήγησης, υδροπηκτές, μεμβράνες, μικροκάψουλες, υπόθετα και δισκία. Σε ορισμένα σκευάσματα, το PVP χρησιμοποιείται ως πηκτική ουσία προκειμένου να βελτιωθεί η εμφάνιση και η υφή του σκευάσματος. Το PVP χρησιμοποιείται επίσης σε πολλές οφθαλμικές εφαρμογές τόσο σε σκευάσματα ματιών για να αυξήσει το ιξώδες των σταγόνων, μεγιστοποιώντας έτσι τον χρόνο επαφής με το μάτι, για την μείωση πιθανών ερεθισμών και την προώθηση της διαθεσιμότητας του φαρμακευτικού υλικού. Χρησιμοποιείται επίσης στα υγρά καθαρισμού και συντήρησης των φακών επαφής. Η πολυβινυλοπυρρολιδόνη αποτελεί ίσως το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο πολυμερές στην βιομηχανία των καλλυντικών. Κατέχει εξέχουσα θέση στα προϊόντα περιποίησης μαλλιών και σε μια ποικιλία διαφορετικών εφαρμογών στο χώρο της 48

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ κοσμετικής. Βελτιώνει τις φυσικές ιδιότητες και εμφάνιση των μεϊκ-απ προσώπου και ματιών, κραγιόν, αποσμητικών, αντιηλιακών προϊόντων. Χρησιμοποιείται σε κρέμες, λοσιόν, στην σταθεροποίηση αφρών και στην διασπορά πιγμέντων. Αυξάνει την λίπανση και λειτουργεί ως υλικό για την διατήρηση της υγρασίας σε προϊόντα περιποίησης δέρματος. Αποτελεί συστατικό πολλών κρεμών αφαίρεσης ρυτίδων, προϊόντων κατά της ακμής, καθαριστικά δέρματος καθώς και καλλυντικά γαλακτώματα. Τέλος βρίσκει εφαρμογή σε προϊόντα για την βελτίωση της στοματικής υγιεινής όπως οδοντόπαστες, στοματικά διαλύματα ακόμα και ως επικάλυψη σε οδοντικό νήμα, σε προϊόντα περιποίησης ποδιών, αποτρίχωσης και νυχιών. 49

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Διοξείδιο του Πυριτίου SiO 2 Παρασκευή Το διοξείδιο το πυριτίου παράγεται όταν το πυρίτιο εκτίθεται σε οξυγόνο (ή αέρα). Μια πολύ λεπτή στιβάδα (περίπου 1nm ή 10Å) δημιουργείται στην επιφάνεια του πυριτίου όταν εκτίθεται στον αέρα υπό συνθήκες περιβάλλοντος. Υψηλότερες θερμοκρασίες και εν γένει εναλλακτικές συνθήκες χρησιμοποιούνται προκειμένου να αναπτυχθεί σε μεγαλύτερο βαθμό η δημιουργούμενη στιβάδα διοξειδίου του πυριτίου, για παράδειγμα σε θερμοκρασίες C όπου λαμβάνει χώρα η ξηρή ή υγρή οξείδωση με χρήση είτε οξυγόνου είτε νερού αντίστοιχα. Το πάχος της στιβάδας του πυριτίου που αντικαθίσταται από διοξείδιο του πυριτίου είναι 44% του πάχους της στιβάδας του διοξειδίου του πυριτίου που δημιουργείται. Εναλλακτικές μέθοδοι απόθεσης διοξειδίου του πυριτίου στην επιφάνεια του πυριτίου και δημιουργία στιβάδας αναπτύσσονται παρακάτω. Οξείδωση σιλανίου σε χαμηλή θερμοκρασία SiH 4 + 2O 2 SiO 2 + 2H 2 O (στους C) Διάσπαση τετρααιθυλορθοεστέρα του πυριτικού οξέος (TEOS) C Si(OC 2 H 5 ) 4 SiO 2 + H 2 O + 2C 2 H 4 Πυρογενές διοξείδιο του πυριτίου (αρκετές φορές αποκαλείται fumed silica ή silica fume), το οποίο είναι διοξείδιο του πυριτίου πολύ λεπτής διασποράς με εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια, και το οποίο παράγεται με καύση SiCl 4 σε φλόγα πλούσια σε οξυγόνο προς παραγωγή "καπνού" του SiO 2 : SiCl 4 + 2H 2 + O 2 SiO 2 + 4HCl 50

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Άμορφο διοξείδιο του πυριτίου, silica gel, παράγεται με οξίνιση διαλύματος σαλικυλικού νατρίου προς δημιουργία ζελατινώδους ιζήματος το οποίο στην συνέχεια πλένεται και ξηραίνεται δημιουργώντας τελικά άχρωμο πορώδες διοξειδίου του πυριτίου. Ιδιότητες Χρησιμοποιείται σαν συστατικό για την αύξηση του ιξώδους για την δημιουργία πυκνών και θιξοτροπικών υγρών. Βελτιώνει την σταθερότητα τόσο κατά την αποθήκευση όσο και απέναντι στην θερμοκρασία των ημι-στερεών και υγρών φαρμακευτικών μορφών. Βελτιώνει την κατανομή διαφόρων φαρμακευτικά δραστικών συστατικών. Πρόσθετο ελεύθερης ροής και anti-capping (capping: ο μερικός η πλήρης αποχωρισμός του πάνω η κάτω μέρους ενός δισκίου) συστατικό για βελτίωση των ιδιοτήτων των κόνεων. Εφαρμογές Στην φαρμακευτική τεχνολογία το διοξείδιο του πυριτίου έχει χρησιμοποιηθεί σε στερεές, ημι-στερεές όπως επίσης και υγρές φαρμακευτικές μορφές με βάση τις ιδιότητες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Το διοξείδιο του πυριτίου αποτελεί ένα κεραμικό υλικό με πολλαπλές χρήσεις στην βιομηχανία προκειμένου να βελτιώσει μηχανικές ιδιότητες όπως και ιδιότητες επιφάνειας διαφόρων υλικών. Χρησιμοποιείται ως πληρωτικό υλικό, ως υλικό μεταβολής των ρεολογικών ιδιοτήτων, σε πολλά προϊόντα, όπως βαφές και επικαλυπτικά, πλαστικά, συνθετικά ελαστικά, ουσίες συγκόλλησης, υλικά στεγανοποίησης, ή σε μονωτικά υλικά. Επίδραση στην υγεία Εν γένει, η εισπνοή οποιασδήποτε μορφής κόνης (πέρα από τις συνταγογραφούμενες) δεν συνιστάται. Όταν μελετώνται οι πιθανές επιδράσεις, της εισπνοής διοξειδίου του πυριτίου, στον ανθρώπινο οργανισμό, είναι πολύ σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη εάν το διοξείδιο του πυριτίου βρίσκεται είτε σε κρυσταλλική είτε σε άμορφη κατάσταση. 51

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Η εισπνοή καλά κονιοποιημένου κρυσταλλικού διοξειδίου του πυριτίου σε πολύ μικρές ποσότητες (0.1mg/m 3 ) με την πάροδο του χρόνου μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ασθενειών όπως η πνευμονοκονίαση, η χρόνια βρογχίτιδα ή και (σε σπάνιες περιπτώσεις) καρκίνο, καθώς η σκόνη συσσωρεύεται στους πνεύμονες και προκαλεί μόνιμο ερεθισμό τους, ελαττώνοντας την ικανότητα λειτουργίας τους (το διοξείδιο του πυριτίου δεν διαλύεται και δεν απομακρύνεται με την πάροδο του χρόνου). Σε μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στην Ευρώπη (Μ. Βρετανία και Γαλλία), βρέθηκε πως το άμορφο διοξείδιο του πυριτίου είναι βιολογικά αδρανές τόσο κατά την κατάποση όσο και κατά την εισπνοή. Στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, ο Οργανισμός Ελέγχου Τροφίμων και Φαρμάκων (Food and Drug Administration, FDA) κατέληξε πως το διοξείδιο του πυριτίου αποβάλλεται φυσιολογικά από τον ανθρώπινο οργανισμό και υπό αυτή την έννοια επιτρέπεται η χρήση του τόσο στα τρόφιμα όσο και στα φαρμακευτικά σκευάσματα. Σε άλλες περιπτώσεις πέραν της εισπνοής, το καθαρό διοξείδιο του πυριτίου χαρακτηρίζεται αδρανές υλικό και ακίνδυνο. Το καθαρό διοξείδιο του πυριτίου είναι αδιάλυτο in vivo. Δεν υπόκειται σε πέψη, δεν έχει καμία θρεπτική αξία και παρουσιάζει μηδενική τοξικότητα. Με την κατάποση του διοξειδίου του πυριτίου αυτό διέρχεται από το γαστρεντερικό σύστημα χωρίς καμία μεταβολή και αποβάλλεται, μη αφήνοντας ίχνη. Μικρά τεμαχίδια διοξειδίου του πυριτίου είναι εξίσου αβλαβή, εφόσον δεν είναι αρκετά μεγάλα ώστε να φράξουν τον γαστρεντερικό σωλήνα. Καθώς κάποια είδη διοξειδίου του πυριτίου έχουν την ικανότητα να προσροφούν μεγάλες ποσότητες νερού, εκτενής έκθεση μπορεί να προκαλέσει τοπική ξηρότητα του δέρματος ή και άλλων ιστών. 52

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ 2.6 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Στερεών Διασπορών και Μελλοντικές Προοπτικές Η εμπειρία στο ζήτημα των στερεών διασπορών τα τελευταία χρόνια υποδηλώνει ότι αυτή η τεχνική μορφοποίησης αποτελεί μια ελπιδοφόρα προσέγγιση για την βελτίωση της ταχύτητας διάλυσης και της βιοδιαθεσιμότητας των δυσδιάλυτων φαρμακευτικών ουσιών. To βασικό πλεονέκτημα των συστημάτων στερεής διασποράς σε σχέση με αυτή της χρήσης δισκίων ή καψουλών, φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 2.5), όπως παρουσιάστηκε σε γνωστό άρθρο επισκόπησης (Serajuddin T.M. Abu, 1999). Η διαλυτοποίηση της δραστικής από μία κάψουλα ή ένα δισκίο περιορίζεται από το μέγεθος των σωματιδίων της δραστικής όπως παρουσιάζονται μετά τον καταθρυμματισμό της χορηγούμενης δόσης. Στην περίπτωση αυτή ένα μέσο μέγεθος σωματιδίων περίπου 5μm αποτελεί το κατώτερο όριο σωματιδίων, αν και μεγαλύτερα μεγέθη σωματιδίων προτιμώνται για ευκολία στον χειρισμό, την μορφοποίηση και την παρασκευή. Στην περίπτωση των στερεών διασπορών ή των στερεών διαλυμάτων, μια ποσότητα της δραστικής διαλύεται απευθείας προς την κατεύθυνση κορεσμού των γαστρεντερικών υγρών, και η περίσσεια δραστικής εφόσον υπάρχει κατακρημνίζεται σαν πολύ μικρά, κολλοειδούς μεγέθους σωματίδια ή και σαν ελαιώδεις κηλίδες πολύ μικρού μεγέθους. Σχήμα 2.5 Σχηματική αναπαράσταση της βελτιωμένης βιοδιαθεσιμότητας μιας δυσδιάλυτης φαρμακευτικά δραστικής ουσίας με την χρήση των στερεών διασπορών σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους της χρήσης είτε δισκίων είτε καψουλών. 53

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Οι πιο συχνοί προβληματισμοί όσον αφορά την μορφοποίηση φαρμακευτικά δραστικών ουσιών με την χρήση των στερεών διασπορών περιλαμβάνουν την ικανότητα της υπο-κλίμακα μεγέθυνσης (scale-up) της παραγωγής, την φυσική σταθερότητα των διασπορών, και την ποσότητα του φορέα που απαιτείται για την διευκόλυνση της απαιτούμενης βελτίωσης στην ταχύτητα αποδέσμευσης. Όταν απαιτείται μια υψηλή αναλογία φορέα/δραστικής, η ποσότητα της διασποράς που απαιτείται να χορηγηθεί στην συνήθη δόση, μπορεί να είναι πολύ υψηλή ώστε να υπάρχει δυσκολία στην παρασκευή δισκίου ή κάψουλας που να μπορεί να ληφθεί εύκολα από τον ασθενή. Όσο μεγαλύτερη είναι η δόση της δραστικής τόσο πιο πιθανή είναι η εκδοχή αυτού του προβλήματος να εμφανιστεί. Άλλο ένα ζήτημα που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη είναι η συσχέτιση in vitro με in vivo αποτελέσματα. Δραστικές ουσίες που παρουσιάζουν γρήγορη ταχύτητα απελευθέρωσης in vitro, μπορεί να αποτύχουν στην τελική βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας αν οι in vitro δοκιμασίες δεν ανταποκρίνονται επαρκώς σε προσομοίωση των επικρατούντων συνθηκών στον γαστρεντερικό σωλήνα ή αν παρουσιάζονται συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φορέα και των υγρών του γαστρεντερικού σωλήνα. Παρά τους παραπάνω προβληματισμούς, αρκετά προϊόντα που περιέχουν στερεές διασπορές βρίσκονται ήδη στην αγορά και ο αριθμός τους πιθανόν να αυξηθεί σημαντικά μέσα στα επόμενα χρόνια. Δύο είναι οι κύριες τάσεις που ευνοούν σημαντικά την παρουσία και την χρήση των στερεών διασπορών στην φαρμακευτική τεχνολογία. Ο όλο και αυξανόμενος αριθμός των υποψήφιων προς ανάπτυξη δυσδιάλυτων φαρμακευτικών δραστικών, όπως επίσης και οι συνεχείς βελτιώσεις των τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή των στερεών διασπορών. Ακόμη ένα σημαντικό πλεονέκτημα των στερεών διασπορών σε σχέση με διάφορες άλλες προσεγγίσεις μορφοποίησης είναι η ικανότητα χρήσης διαφόρων υλικών, πολυμερών ή και μη, ως φορέων, τα οποία ήδη χρησιμοποιούνται ευρέως στην φαρμακευτική τεχνολογία. Έτσι δεν χρειάζεται να γίνουν περαιτέρω μελέτες τοξικότητας των υλικών αυτών. Η δυνατότητα συνδυασμού δύο ή και περισσότερων φορέων για την παραγωγή βέλτιστων προϊόντων επεκτείνει ακόμα περισσότερο τις δυνατότητες μορφοποίησης. Επίσης, πλεονέκτημα αποτελεί και το γεγονός πως οι στερεές διασπορές σε σχέση με άλλους 54

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΤΕΡΕΕΣ ΔΙΑΣΠΟΡΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΔΙΑΘΕΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΔΥΣΔΙΑΛΥΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ τρόπους μορφοποίησης, βελτιώνουν την διαλυτότητα και την ταχύτητα απελευθέρωσης σε εξαιρετικά μεγάλο βαθμό. Αυτό μπορεί εν δυνάμει να οδηγήσει στην αύξηση της βιοδιαθεσιμότητας σε τέτοιο βαθμό ώστε τελικά να επιτυγχάνεται ακόμα και μείωση της χορηγούμενης δόσης. Ζητήματα στα οποία θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή τα επόμενα χρόνια περιλαμβάνουν την βελτίωση των ήδη χρησιμοποιούμενων τεχνικών με τέτοιο τρόπο ώστε να διευκολυνθεί η παραγωγή σε υπό-κλίμακα μεγέθυνση (scale-up), ταυτόχρονα καλύτερες προβλέψεις όσον αφορά την αναλογία φορέα/δραστικής έτσι ώστε να προκύπτουν πραγματικά στερεά διαλύματα (solid solution) ή μερικώς κρυσταλλικές διασπορές όπως επίσης και το κατά πόσο μια διασπορά παραμένει σταθερή σε σχέση με τον χρόνο. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί πως με επιλογή κατάλληλων φορέων είναι δυνατή ακόμα και η επιβράδυνση της απελευθέρωσης της δραστικής με την μορφοποίηση στερεής διασποράς. Η διαθεσιμότητα μιας ευρείας γκάμας πολυμερών που παρουσιάζουν τα ίδια χαμηλή διαλυτότητα ή διογκώνονται σε υδατικές συνθήκες, υποδηλώνει την σημαντική δυναμική που παρουσιάζουν οι στερεές διασπορές όσον αφορά την χρήση τους σε φαρμακοτεχνικές μορφές ελεγχόμενης αποδέσμευσης της δραστικής. 55

70

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ BΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 Γενικά Οι αλειφατικοί πολυεστέρες, καθώς οι πολυανυδρίτες, οι πολυανθρακικοί εστέρες και τα πολυαμινοξέα αποτελούν τα πιο γνωστά συνθετικά, υδρολύσιμα πολυμερή. Ενώ πολλοί αλειφατικοί εστέρες μπορούν να αποικοδομηθούν, συνήθως είναι ακατάλληλοι για τις διάφορες εφαρμογές. Το ενδιαφέρον για τους αλειφατικούς 57

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ πολυεστέρες αναζωπυρώθηκε εξαιτίας της ανάγκης για ανάπτυξη νέων υλικών, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν σε ιατρικούς και περιβαλλοντικούς τομείς. Οι αλειφατικοί πολυεστέρες συγκαταλέγονται στα ευρύτερα χρησιμοποιούμενα, βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή σε ιατρικές εφαρμογές. Σε πολλές φυσικές διεργασίες διασπώνται εστερικοί δεσμοί, οπότε αναμένεται πως συνθετικά πολυμερή που περιέχουν εστερικούς δεσμούς και συγκεκριμένη δομή θα διασπώνται στο περιβάλλον. Σήμερα, τα διάφορα περιβαλλοντικά προβλήματα στρέφουν το ενδιαφέρον των ερευνητών στην παραγωγή βιοαποικοδομήσιμων πολυεστέρων ως εναλλακτικών λύσεως στην πλειονότητα των εμπορικών πλαστικών. Τα πρώτα επιτυχή προϊόντα παρασκευάστηκαν με αντιδράσεις πολυσυμπύκνωσης των διολών με τα αλειφατικά δικαρβοξυλικά οξέα και εισήχθησαν στην αγορά με την εμπορική ονομασία bionolle. Ακολούθησαν και άλλα πολυμερή που είχαν ως βάσει το bionolle και προορίζονταν για την παρασκευή σκευών εμφιάλωσης και διαφόρων αφρωδών προϊόντων. Η πραγματική ώθηση, όμως, στην βιομηχανική παραγωγή βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών δόθηκε με τον πολυμερισμό λακτονών με την τεχνική διάνοιξης δακτυλίου. Τα πλεονεκτήματα που καθιέρωσαν την τεχνική αυτή σε βιομηχανική κλίμακα είναι η μεγάλη απόδοση της αντίδρασης και οι πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες των παραγόμενων πολυεστέρων. Τα ενθαρρυντικά πρώτα αποτελέσματα, καθώς και οι απαιτήσεις νέων εφαρμογών ή και παλαιότερων, προωθούν την έρευνα για νέους πολυεστέρες, συμπολυεστέρες, μίγματα κλπ, οι οποίοι θα παρασκευάζονται όχι μόνο με διάνοιξη δακτυλίου, αλλά και με άλλες τεχνικές. Παρακάτω παρουσιάζονται οι τρόποι παρασκευής πολυεστέρων, οι ιδιότητές τους και οι εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται. 3.2 Παρασκευή Για την παρασκευή των πολυεστέρων χρησιμοποιούνται μέθοδοι ανάλογες με αυτές της παρασκευής των απλών εστέρων (Καραγιαννίδης Γ.Π. & Σιδερίδου Ε.Δ. 2006) όπως: 58

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Α) Πολυεστεροποίηση μιας διόλης με ένα δικαρβοξυλικό οξύ n HO R OH + n HOOC R' COOH O R O C R' C + 2nH 2 O n O O Β) Μετεστεροποίηση ενός διεστέρα δικαρβοξυλικού οξέος με μια διόλη n HO R OH + n H 3 CO C R' C OCH 3 O O O R O C R' C + 2nCH 3 OH n O O Γ) Αντίδραση ενός διχλωριδίου δικαρβοξυλικού οξέος με μια διόλη n HO R OH + n Cl C R' C Cl O O O R O C R' C + 2nHCl n O O Δ) Πολυεστεροποίηση μιας διόλης και ενός ανυδρίτη οξέος O n HO R OH + n O C C O R' O R O C R' C n + nh 2 O Ε) Αυτοσυμπύκνωση ενός υδροξυοξέος O O n HO R COOH O R C n + nh 2 O O Ζ) Διάνοιξη δακτυλίου λακτονών O C n R O R C O O n Στην περίπτωση των αλειφατικών πολυεστέρων, οι ομάδες R και R είναι μεθυλενικές αλυσίδες διακλαδισμένες ή όχι. 59

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Οι αντιδράσεις εστεροποίησης και μετεστεροποίησης είναι γενικά αργές και αμφίδρομες. Για την αύξηση της ταχύτητάς τους γίνονται συνήθως σε υψηλές θερμοκρασίες, με τη χρησιμοποίηση όξινων ή βασικών καταλυτών και σύγχρονη απομάκρυνση των παραπροϊόντων που παράγονται. 3.3 Κατηγορίες πολυεστέρων Η τάξη των πολυεστέρων περιλαμβάνει τρεις μεγάλες κατηγορίες με βάση τη δομή τους (Καραγιαννίδης Γ.Π. & Σιδερίδου Ε.Δ. Χημεία Πολυμερών 2006): Θερμοπλαστικοί πολυεστέρες Δικτυωμένοι πολυεστέρες Πολυ(ανθρακικοί εστέρες) Οι θερμοπλαστικοί πολυεστέρες είναι γραμμικοί πολυεστέρες που ανάλογα με τα μονομερή από τα οποία προέρχονται διακρίνονται σε i) αλειφατικούς, ii) αρωματικούς και iii) αλειφαρωματικούς, ανάλογα με το αν τα μονομερή ήταν αλειφατικά ή/ και αρωματικά. Οι δικτυωμένοι πολυεστέρες είναι γνωστοί με την εμπορική ονομασία πολυεστερικές ή αλκυδικές ρητίνες και διακρίνονται σε i) κορεσμένες πολυεστερικές ρητίνες που παρασκευάζονται από μονομερή τα οποία έχουν περισσότερες από δύο δραστικές ομάδες, οπότε η δικτύωση συμβαίνει κατά τη διάρκεια της πολυεστεροποίησης, και σε ii) ακόρεστες πολυεστερικές ρητίνες που παρασκευάζονται από μονομερή από τα οποία το ένα περιέχει διπλό δεσμό. Οι σταυροδεσμοί δημιουργούνται με ανόρθωση των διπλών δεσμών μετά το σχηματισμό του πολυεστέρα. Οι πολυ(ανθρακικοί εστέρες) είναι εστέρες του ανθρακικού οξέος και μπορεί να εμφανίζονται είτε ως θερμοπλαστικοί είτε ως δικτυωμένοι. 3.4 Φυσικές ιδιότητες Οι φυσικές ιδιότητες των αλειφατικών πολυεστέρων εξαρτώνται από αρκετούς παράγοντες όπως, τη χημική σύνθεση των δομικών μονάδων και κατ επέκταση του πολυμερούς, την ευλυγισία της μακρομοριακής αλυσίδας, την ύπαρξη ή όχι πολικών ομάδων, το μοριακό βάρος του πολυμερούς, τον βαθμό δικτύωσης, την κρυσταλλικότητα, την στερεοχημεία του πολυμερούς κ.α.. Βέβαια, οι ιδιότητες αυτές 60

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ μπορούν να τροποποιηθούν σχηματίζοντας μίγματα πολυμερών, συμπολυμερών, αλλά και τροποποιώντας την αρχιτεκτονική των μακροαλυσίδωνν (π.χ. υπερδικτυωμένα πολυμερή, δενδριμερή, κλπ). Λαμβάνοντας υπ όψη το πλήθος των παραγόντων που επηρεάζουν τις φυσικές ιδιότητες των αλειφατικών πολυεστέρων γίνεται αντιληπτό ότι δεν μπορούμε να μιλήσουμε γενικά για φυσικές ιδιότητες αλειφατικών πολυεστέρων, αλλά να αναφερθούμε σε κάθε πολυμερές ή μια περιορισμένη ομάδα αλειφατικών πολυεστέρων ξεχωριστά. Γι αυτό το λόγο παρατίθεται παρακάτω μια σύντομη αναφορά στους κυριότερους αλειφατικούς πολυεστέρες και στις φυσικές τους ιδιότητες. Οι πολυεστέρες με την εμπορική ονομασία bionolle είναι λευκά, κρυσταλλικά, θερμοπλαστικά πολυμερή, με T m από 90 έως 120 o C, T g από 45 έως 10 o C και πυκνότητα περίπου 1,25 g/cm 3. Παρουσιάζουν εξαιρετικές ιδιότητες κατά την επεξεργασία τους και μπορούν να μορφοποιηθούν χρησιμοποιώντας συμβατικό εξοπλισμό, σε θερμοκρασία o C, με αρκετές τεχνικές (Fujimaki T., 1998). (π.χ. εμφύσηση, εκβολή, έγχυση). Επίσης, ο αριθμός των μεθυλενομάδων της διόλης και του δικαρβοξυλικού οξέος επηρεάζει σε πολύ μεγάλο βαθμό τις ιδιότητες των μελών της ομάδας αυτής. Για παράδειγμα, ο πολυ(ηλεκτρικός βουτυλενεστέρας (PBS) παρουσιάζει T m = 115,9 o C και T g = -36,6 o C, ενώ ο πολυ(αδιπικός αιθυλενεστέρας) (PEA) παρουσιάζει T m = 47,2 o C και T g = -46,4 o C (Jin H.J. et al 2000). T m ( o C) T g ( o C) O CH 2 O C CH 2 4 O PBS C 2 O 115,9-36,6 O CH 2 O C CH O PEA C O 47,2-46,4 Πίνακας 3.1 Επίδραση του αριθμού των μεθυλενομάδων στις T m και T g του bionolle Η πολυκαπρολακτόνη (PCL) είναι ένα ημικρυσταλλικό πολυμερές (περίπου 50% κρυσταλλικότητα), με T g = -60 o C και T m = 60 o C. Το πολυμερές μπορεί και 61

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ μορφοποιείται με έγχυση τήγματος, με εμφύσηση μεμβράνης και με εξώθηση τήγματος, χωρίς να παρατηρείται σημαντική μείωση του μοριακού βάρους. Αν και ο βαθμός κρυσταλλικότητας της PCL είναι σχετικά υψηλός συγκριτικά με άλλους αλειφατικούς πολυεστέρες, ο ρυθμός κρυστάλλωσης του πολυμερούς είναι πολύ μικρός (Chen H.L. et al, 1997). Όπως αναφέραμε, οι φυσικές ιδιότητες μπορούν να τροποποιηθούν με ανάμιξη πολυμερών με άλλα πολυμερή ή πρόσθετα και με συμπολυμερισμό. Οι παραπάνω τεχνικές βρίσκουν εφαρμογή για παράδειγμα στην βιοϊατρική, όπου παρασκευάζονται συμπολυμερή του γλυκολικού και του γαλακτικού οξέος. 3.5 Αποικοδόμηση Η αποικοδόμηση των αλειφατικών πολυεστέρων εξαρτάται κυρίως από τη δομή της μακρομοριακής αλυσίδας. Απαραίτητη προϋπόθεση για να μπορεί να διεξαχθεί η αποικοδόμηση είναι η ύπαρξη υδρολύσιμων και/ ή ικανών να οξειδωθούν ομάδων στην πολυμερική αλυσίδα. Ο ρυθμός της αποικοδόμησης εξαρτάται από τη χημική δομή της δομικής μονάδας, τη στερεοχημεία των δομικών μονάδων, το μοριακό βάρος του πολυμερούς, τη μορφολογία (π.χ. κρυσταλλικότητα, μέγεθος σφαιρουλιτών, προσανατολισμό), την υδροφιλία, την μορφολογία και το εμβαδόν της πολυμερικής επιφάνειας και την ύπαρξη προσθέτων. Η αποικοδόμηση των αλειφατικών πολυεστέρων μπορεί να μελετηθεί μετρώντας τη μείωση του μοριακού βάρους των δειγμάτων, εξαιτίας της υδρόλυσης των δεσμών του μακρομορίου ή υπολογίζοντας την απώλεια βάρους των δειγμάτων, η οποία οφείλεται στην απομάκρυνση των προκύπτοντων ολιγομερών χαμηλού μοριακού βάρους. Η μελέτη των μορφολογικών μεταβολών γίνεται με SEM, ενώ ο προσδιορισμός των προϊόντων της αποικοδόμησης γίνεται με GC-MS. Η αποικοδόμηση των πολυμερών είναι ένα κεφάλαιο πολύ μεγάλο, που επηρεάζει πολλούς τομείς και επηρεάζεται από πολλούς διαφορετικούς παράγοντες. Για το λόγο αυτό γίνεται εκτενέστερη περιγραφή του στην ενότητα της βιοαποικοδόμησης, παρακάτω, όπου το θέμα αναπτύσσεται από την πλευρά της διεργασίας και όχι απ την πλευρά του υποστρώματος. 62

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.6 Εφαρμογές Οι αλειφατικοί πολυεστέρες χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς, π.χ. γεωπονικά υλικά, βιοϊατρικά εμφυτεύματα κ.α. Εξαιτίας των πολύ καλών μηχανικών της ιδιοτήτων, η PCL έχει προωθηθεί κυρίως ως αποικοδομήσιμο υλικό συσκευασίας στην ανάπτυξη και επαναφύτευση δενδρυλλίων (Pitt C. et al Raghavan D. 1995). Τα μίγματά της με άμυλο και τα παράγωγά του χρησιμοποιούνται στην παρασκευή συσκευασιών για ψώνια (Ali S.A. et al, 1993). Η PCL έχει επίσης χρησιμοποιηθεί και ως φορέας φαρμακευτικών ουσιών (Engelberg I. & Kohn J. 1991). Όσον αφορά τα πολυμερή που υπάγονται στην εμπορική ονομασία bionοlle, αυτά έχουν βρει εφαρμογή ως αντικείμενα ιδιαίτερων σχημάτων που παρασκευάζονται με έγχυση τήγματος (π.χ. αιχμηρά αντικείμενα, βούρτσες, κλπ), αυλακωτές ή/και κυλινδρικές μεμβράνες (π.χ. διάφοροι τύποι συσκευασιών), ευλύγιστα υλικά συσκευασίας, συσκευασίες καλλυντικών, καθώς και διάφοροι τύποι φιαλών (Fujimaki T, 1998). Πολλοί αλειφατικοί πολυεστέρες που έχουν ως βάση το γαλακτικό οξύ έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε ιατρικές εφαρμογές (Ikada Y. & Tsuji H. 2000) (χειρουργικά νήματα, οδοντικά εμφυτεύματα, βίδες και πλάκες οστών, φάρμακα κατά της ελονοσίας μακράς διάρκειας, αντισυλλυπτικά, οφθαλμολογικά φάρμακα, κ.α). Καταλήγοντας, μπορούμε να πούμε πως μπορούν να αυξηθούν οι διάφορες χρήσεις των αλειφατικών πολυεστέρων, καθώς και να ενταθεί η χρήση τους σε ήδη υπάρχουσες εφαρμογές, με την επίτευξη συνθηκών ελεγχόμενης βιοαποικοδόμησης, ελεγχόμενης ή παρεμποδισμένης διαπερατότητας αερίων και με την παρασκευή νέων πολυμερών με επιθυμητές, ανάλογα με την χρήση, μηχανικές ιδιότητες. 3.7 Βιοαποικοδόμιση αλειφατικών πολυεστέρων Τα τελευταία χρόνια εξελίσσεται μια παγκόσμια προσπάθεια για την ανάπτυξη βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών για γεωργικές εφαρμογές, αλλά και ως μέσα διαχείρισης πολυμερικών αποβλήτων στο περιβάλλον. Μέχρι πρόσφατα οι περισσότερες προσπάθειες επικεντρώνονταν στη σύνθεση των βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών, ενώ δεν δινόταν αρκετή σημασία στις περιβαλλοντολογικές απαιτήσεις για την ανάπτυξή τους. Συνεπώς γίνανε και πολλές αβάσιμες υποθέσεις, σχετικά με 63

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ τη χρήση των βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών, περιορίζοντας τη γενική αποδοχή γύρω από την τεχνολογία τους. Ένας σημαντικός παράγοντας στον οποίο οφειλόταν αυτός ο περιορισμός ήταν το γεγονός ότι ο όρος «βιοαποικοδομήσιμος» δεν χρησιμοποιούνταν επακριβώς με την ίδια έννοια σε όλους τους τομείς. Στους ιατρικούς τομείς της χειρουργικής, της αποκατάστασης οστών και της αποδέσμευσης φαρμάκων ο όρος βιοαποικοδομήσιμος χρησιμοποιούνταν δηλώνοντας αντιδράσεις υδρόλυσης. Αντιθέτως, στα περιβαλλοντολογικά αποικοδομήσιμα πλαστικά ο όρος βιοαποικοδόμηση μπορεί να σήμαινε θρυμματισμό, απώλεια μηχανικών ιδιοτήτων ή και μερικές φορές, αποικοδόμηση εξαιτίας της δράσης ζωντανών μικροοργανισμών. Κάποιες φορές, η χειροτέρευση ή η απώλεια της φυσικής ακεραιότητας των υλικών θεωρούνταν λανθασμένα ως βιοαποικοδόμηση. Είχε γίνει κατανοητό λοιπόν ότι πρέπει να υπάρχει ένας καθολικά αποδεκτά προσδιορισμός του όρου «βιοαποικοδομήσιμος» για την αποφυγή της σύγχυσης, καθώς και για την εντατικοποίηση της προώθησης των βιοαποικοδομήσιμων υλικών σε διάφορες εφαρμογές. Πολλές ομάδες και οργανισμοί είχαν προσπαθήσει να αποδώσουν την έννοια των όρων «αποικοδόμηση», «βιοαποικοδόμηση» και «βιοαποικοδομησιμότητα». Υπάρχουν, όμως, αρκετοί λόγοι για τους οποίους η απόδοση ενός και μόνο ορισμού δε θα ήταν ακριβής. Οι λόγοι αυτοί είναι οι εξής: Η μεταβλητότητα ενός επικείμενου ορισμού που θα αναφέρεται στους διαφορετικούς περιβαλλοντικούς τομείς στους οποίους θα εισάγονται τα υλικά και τον σχετικό αντίκτυπο των υλικών στους τομείς αυτούς. Οι διαφορές στις απόψεις όσον αφορά τα επιστημονικά σημεία προσέγγισης ή αναφοράς που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό της έννοιας «βιοαποικοδομήσιμος». Η απόκλιση των απόψεων σχετικά με τις πολιτικές επιπτώσεις των διάφορων ορισμών. Οι προκλήσεις που τίθενται από τις γλωσσικές διαφορές σε όλο τον κόσμο. Σαν αποτέλεσμα, υιοθετήθηκαν ως επίσημοι πολλοί διαφορετικοί ορισμοί ανάλογα με το υπόβαθρο του εκάστοτε οργανισμού. Παρόλα αυτά, τα κριτήρια που απαιτούνται για τον χαρακτηρισμό ενός υλικού ως βιοαποικοδομήσιμο φαίνεται να έχουν μεγαλύτερη πρακτική σημασία. Η δυνατότητα ενός υλικού να βιοδιασπάται δεν 64

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ καθορίζει με κάποιο τρόπο το χρονικό πλαίσιο στο οποίο εξελίσσεται η διεργασία, ούτε τον μέγιστο βαθμό στον οποίο επιτυγχάνεται η διάσπαση. 3.8 Προσδιορίζοντας την βιοαποικοδομησιμότητα Τα πολυμερή υπόκεινται σε διαδικασίες αποικοδόμησης ως συνέπεια της επίδρασης διαφόρων φυσικών παραγόντων, όπως θερμότητα, ηλιακό φως, ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, μηχανική μορφοποίηση, καθώς και διάφορων χημικών παραγόντων, όπως οξυγόνο, υγρασία, όζον, ατμοσφαιρικοί ρύποι κτλ. Γενικά, οι διαδικασίες αποικοδόμησης όλων των πολυμερών υλικών λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια δύο σταδίων: Κατά τη μορφοποίησή τους με εξώθηση, έγχυση, νηματοποίηση από τήγμα κτλ, εξαιτίας της συνδυαστικής δράσης μηχανικής καταπόνησης, θερμότητας και οξυγόνου. Κατά την έκθεσή τους σε ηλιακή ακτινοβολία, οξυγόνο, ατμοσφαιρικούς ρύπους και άλλους ζημιογόνους παράγοντες ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Οι διαδικασίες αποικοδόμησης γενικά αποφέρουν μια βαθμιαία, μη αντιστρεπτή υποβάθμιση στις ιδιότητες του υλικού (π.χ. μηχανικές), έως ότου το υλικό καθίσταται άχρηστο, καθορίζοντας έτσι τον χρόνο ζωής του. Η διάκριση μεταξύ αποικοδομήσιμων και μη-αποικοδομήσιμων πολυμερών δεν είναι ξεκάθαρη, καθώς όλα τα πολυμερή αποικοδομούνται. Ο παράγοντας που φαίνεται να καθορίζει το κατά πόσο ένα πολυμερές είναι αποικοδομήσιμο ή όχι είναι η σχέση μεταξύ του ρυθμού αποικοδόμησης του πολυμερούς και του ρυθμού απόθεσής του στο περιβάλλον, είτε ως υλικό εφαρμογής ή ως απόβλητο. Έτσι, βάσει αυτής της φιλοσοφίας, αποικοδομήσιμα θεωρούνται τα υλικά που αποικοδομούνται κατά τη διάρκεια της χρήσης τους ή αμέσως μετά τη χρήση τους, ενώ μη-αποικοδομήσιμα θεωρούνται τα υλικά τα οποία χρειάζονται αρκετό χρονικό διάστημα για να αποικοδομηθούν σε σχέση με τη διάρκεια της εφαρμογής τους (Partini M, 2006). Όσον αφορά τη διάκριση μεταξύ αποικοδόμηση και βιοαποικοδόμηση, έχουν διατυπωθεί αρκετοί ορισμοί από διάφορες πρότυπες αρχές. Αναφέροντας τον παρεχόμενο κατά ASTM (2003) ορισμό, της υπο-επιτροπής D20.96, προσδιορίζονται οι παρακάτω όροι: 65

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Αποικοδομήσιμο πλαστικό : Ένα πλαστικό το οποίο είναι σχεδιασμένο να υπόκειται αξιοσημείωτες αλλαγές στη χημική του δομή υπό συγκεκριμένες περιβαλλοντολογικές συνθήκες και χρονικό διάστημα, που έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια κάποιων ιδιοτήτων του υλικού, όπως αυτές μετρήθηκαν με πρότυπες μεθόδους κατάλληλες για την εκάστοτε εφαρμογή. Βιοαποικοδομήσιμο πλαστικό : Ένα πλαστικό στο οποίο η αποικοδόμηση οφείλεται στη δράση κάποιων φυσικά εμφανιζόμενων μικροοργανισμών όπως βακτήρια, μύκητες και άλγη. Ο ορισμός που δίνουν οι Albertsson και Karlsson για την βιοαποικοδόμηση είναι ένας από τους πιο πρόσφατους και ένας από τους πλέον χρησιμοποιούμενους σε αναφορές ερευνητικών εργασιών σχετικά με την βιοαποικοδόμηση. Κατ αυτούς, Βιοαποικοδόμηση είναι η διεργασία αποικοδόμησης των πολυμερών που λαμβάνει χώρα κατά τη δράση ενζύμων και/ ή η χημική διάσπαση που οφείλεται σε μικροοργανισμούς (βακτήρια, άλγη κλπ). Θεωρώντας αυτό τον ορισμό, είναι απαραίτητο να λαμβάνουμε υπόψη τις διάφορες αβιοτικές αντιδράσεις (π.χ. φωτοαποικοδόμηση, οξείδωση και υδρόλυση) που μπορεί να παρεμποδίζουν ή να επιταχύνουν τη διαδικασία της βιοαποικοδόμησης. 3.9 Μηχανισμοί αποικοδόμησης των πολυμερών Ένα από τα βασικά ερωτήματα που γεννώνται όταν εργάζεται κανείς με βιοαποικοδομήσιμα υλικά είναι: «γιατί κάποια πολυμερή βιοαποικοδομούνται, ενώ κάποια άλλα όχι;». Για να είμαστε σε θέση να δώσουμε απάντηση σ αυτό το ερώτημα χρειάζεται πρώτα να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς με τους οποίους βιοδιασπώνται τα πολυμερή. Όπως αναφέραμε και πιο πάνω, παρόλο που η βιοαποικοδόμηση ορίζεται ως η αποικοδόμηση εξαιτίας βιολογικής δραστηριότητας, πολλές φορές συμβαίνει ταυτόχρονα ή έπεται της αβιοτικής αποικοδόμησης. 66

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Παρακάτω γίνεται μια μικρή αναφορά στους κυριότερους μηχανισμούς αποικοδόμησης των πολυμερών (Bastioli C, 2005) Μη-βιολογική αποικοδόμηση πολυμερών Ένας από τους κυριότερους μηχανισμούς μη-βιολογικής αποικοδόμησης πολυμερών είναι η υδρόλυση. Ένας μεγάλος αριθμός πολυμερών είναι δυνατόν να υποστούν υδρόλυση, π.χ. πολυεστέρες, πολυαμίδια, πολυουρεθάνες, πολυακετάλες και ρητίνες ουρίας. Αρκετοί ερευνητές έχουν μελετήσει εκτενώς τους διάφορους μηχανισμούς υδρόλυσης, τόσο όταν η υδρόλυση συμβαίνει στην κύρια μακρομοριακή αλυσίδα του πολυμερούς όσο κι όταν η υδρόλυση συμβαίνει σε πλευρικές ομάδες. Υπάρχει μία ευρεία γκάμα συστατικών που καταλύουν τις αντιδράσεις υδρόλυσης όπως οξέα, βάσεις, κατιόντα, πυρηνόφιλα μόρια, μέσα μεταφοράς φάσης κ.α. Σε αντίθεση με την ενζυμική υδρόλυση όπου η αποικοδόμηση συμβαίνει επιφανειακά και σταδιακά επεκτείνεται προς τα έσω, η χημική υδρόλυση ενός στερεού υλικού μπορεί να συμβαίνει διαμέσου του σώματός του με εξαίρεση κάποια πολύ υδρόφοβα πολυμερή. Οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τη χημική υδρόλυση των πολυμερών είναι: 1. Ο τύπος του χημικού δεσμού 2. Το ph 3. Η θερμοκρασία 4. Η σύσταση του συμπολυμερούς (όταν πρόκειται για συμπολυμερές) 5. Η υδροφιλία ή η υδροφοβία του πολυμερούς Βιολογική αποικοδόμηση πολυμερών Κάποια από τα κυριότερα συστατικά των κυττάρων των ζωντανών οργανισμών είναι πολυμερή, τα οποία παίζουν σημαντικό ρόλο στη διεργασία του μεταβολισμού (πρωτεΐνες), στη μετάδοση του γενετικού κώδικα (νουκλεϊνικά οξέα) και στη διαμόρφωση των δομικών στοιχείων του κυττάρου (συστατικά κυτταρικού τοιχώματος, πρωτεΐνες). Αυτά τα πολυμερή πρέπει να είναι σε θέση να αποικοδομηθούν μέσα στα κύτταρα ανάλογα με τις αλλαγές του κυτταρικού περιβάλλοντος, αλλά και για να είναι διαθέσιμα και σε άλλους οργανισμούς κατά την 67

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ κυτταρική διάσπαση. Λογικό είναι λοιπόν πως κατά την εξέλιξη των οργανισμών μέσα στους αιώνες αναπτύχθηκαν μηχανισμοί διάσπασης των φυσικών πολυμερών. Όσον αφορά τα συνθετικά πολυμερή, αυτά εισήχθησαν στο περιβάλλον τις τελευταίες δεκαετίες με αποτέλεσμα να μην έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα πολλοί και ικανοί μηχανισμοί για τη διάσπασή τους. Στη φύση, δύο ή περισσότεροι μηχανισμοί αποικοδόμησης είναι δυνατόν να συνδυάζονται για την αποσύνθεση πολυμερών. Η βιολογική αποικοδόμηση μπορεί να συμβαίνει μέσα από τη δράση διάφορων ενζύμων ή από διάφορα προϊόντα (π.χ. οξέα και υπεροξείδια) τα οποία εκκρίνονται από μικροοργανισμούς (βακτήρια, μήκυτες κλπ). Είναι επίσης δυνατόν διάφοροι μακρο-οργανισμοί να καταναλώσουν πολυμερή και να τα μεταβολίσουν, προκαλώντας μηχανική, χημική ή ενζυμική αποσάθρωση. Η διαδικασία της βιολογικής αποικοδόμησης των πολυμερών συμβαίνει σε δύο στάδια: πρώτα προσβάλλονται οι δεσμοί της μακρομοριακής αλυσίδας απόπολυμερίζοντας το μακρομόριο και στη συνέχεια ακολουθεί το στάδιο της πλήρους διάλυσης της μακρομοριακής αλυσίδας στα στοιχεία από τα οποία αποτελείται (mineralization). Το πρώτο στάδιο συμβαίνει εξωτερικά του μικροοργανισμού, εξαιτίας του μεγέθους του μακρομορίου, καθώς και της αδυναμίας πολλές φορές να διαλυθεί το πολυμερές. Υπεύθυνα για αυτό το στάδιο είναι διάφορα εξωκυτταρικά ένζυμα, τα οποία μπορούν να δράσουν με ενδο-προσβολή (τυχαία διάσπαση των αποικοδομήσιμων δεσμών κατά μήκος της μακρομοριακής αλυσίδας) ή με εξωπροσβολή (διαδοχική διάσπαση του τελευταίου αποιοδομήσιμου δεσμού της μακρομοριακής αλυσίδας και απόσπαση ενός μονομερούς κάθε φορά). Αμέσως μόλις σχηματίζονται κάποια μονομερή ή ολιγομερή τμήματα, τότε αυτά μεταφέρονται μέσα στο κύτταρο όπου διασπώνται πλήρως, όπως αναφέρθηκε, στα βασικά τους στοιχεία. Σ αυτό το στάδιο το κύτταρο συνήθως λαμβάνει ενέργεια. Εκτός από ATP, στα προϊόντα αυτού του σταδίου συμπεριλαμβάνονται αέρια (π.χ. CO 2, CH 4, N 2, H 2 ), νερό, άλατα, ιχνοστοιχεία και βιομάζα. Αυτή η γενική πορεία βιοαποικοδόμησης μπορεί να υπάρξει με πολλές παραλλαγές ανάλογα με τον τύπο του πολυμερούς, το είδος των μικροοργανισμών και το περιβάλλον. Παρόλα αυτά, πάντα θα υπάρχει η συμμετοχή κάποιου ενζύμου σε ένα από τα δύο στάδια. Τα ένζυμα είναι οι λεγόμενοι βιοκαταλύτες. Τα ένζυμα έχουν την δυνατότητα να επιταχύνουν με πολύ μεγάλο ρυθμό ( ) αντιδράσεις οι οποίες δεν 68

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ πραγματοποιούνται ή πραγματοποιούνται υπερβολικά αργά σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Όλα τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες (π.χ. πολυπεπτίδια) με περίπλοκη τρισδιάστατη δομή και με μοριακά βάρη από μερικές χιλιάδες έως μερικά εκατομμύρια g/mol. Η ενεργότητα των ενζύμων εξαρτάται από τη δομική διαμόρφωσή τους, βάσει της οποίας δημιουργούνται συγκεκριμένες περιοχές στην επιφάνεια του ενζύμου που αποτελούν το ενεργό κέντρο του. Η αντίδραση μεταξύ του ενζύμου και του υποστρώματος συμβαίνει στο ενεργό κέντρο του ενζύμου δίνοντας συγκεκριμένα προϊόντα. Τα ενεργά κέντρα μερικών ενζύμων παρουσιάζουν αποκλειστικότητα ως προς ένα ορισμένο υπόστρωμα (σχέση «κλειδιού-κλειδαριάς»), ενώ άλλα ένζυμα αναγνωρίζουν περισσότερα του ενός υποστρώματα. Η μέγιστη απόδοση των ενζύμων επιτυγχάνεται με την ταυτόχρονη δράση κάποιων παραγόντων ανόργανης (π.χ. μεταλλικά ιόντα) ή οργανικής προέλευσης (π.χ. συνένζυμα, ΑΤΡ, βιταμίνες). Διαφορετικά ένζυμα μπορεί να παρουσιάζουν διαφορετικούς τρόπους κατάλυσης. Κάποια ένζυμα τροποποιούν το υπόστρωμα με μηχανισμό ελευθέρων ριζών, ενώ άλλα ακολουθούν εναλλακτικές χημικές οδούς. Επειδή σκοπός αυτής της εργασίας δεν είναι να καλύψουμε τη δράση όλων των ενζύμων με τα εκάστοτε υποστρώματα, παρακάτω παρουσιάζονται εν συντομία κάποια τυπικά παραδείγματα αποικοδόμησης πολυμερών μέσω ενζυμικής υδρόλυσης Ενζυμική υδρόλυση Οι γλυκοζιτικοί, ο πεπτιδικοί και οι περισσότεροι εστερικοί δεσμοί (π.χ. στις πρωτεΐνες, στα νουκλεϊκά οξέα, στους πολυσακχαρίτες και στα πολυ(υδροξυαλκανοϊκά οξέα)) διασπώνται με υδρόλυση. Οι αντιδράσεις της υδρόλυσης καταλύονται από έναν αριθμό διαφορετικών ενζύμων ανάλογα με το είδος του δεσμού. Έτσι διακρίνονται οι πρωτεάσες, οι εστεράσες και οι γλυκοσιδάσες. Αυτές οι τρεις ομάδες ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των υδρολασών. Πρωτεάσες Πρόκειται για πρωτεολυτικά ένζυμα τα οποία καταλύουν την υδρόλυση πεπτιδικών δεσμών και σε ορισμένες περιπτώσεις την υδρόλυση εστερικών δεσμών. Οι πρωτεάσες διαιρούνται σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με το ενεργό κέντρο που 69

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ διαθέτουν. Οι κατηγορίες αυτές είναι: i) οι σερινικές πρωτεάσες, ii) οι κυστεϊνικές πρωτεάσες, iii) οι σύμπλοκες πρωτεάσες/ μετάλλου και iv) οι ασπαρτικές πρωτεάσες. Εστεράσες Πρόκειται για μια ομάδα ενζύμων, από τις ευρύτερα διαδεδομένες στη φύση. Οι εστεράσες προκαλούν διάσπαση του εστερικού δεσμού προσθέτοντας ένα μόριο νερού. Οι εστεράσες μπορούν να διαιρεθούν σε πέντε υποομάδες ανάλογα με τον τύπο του οξέος που συμμετέχει στον πολυεστέρα: i) υδρολάσες καρβοξυλικών εστέρων, ii) υδρολάσες θειολοεστέρων, iii) υδρολάσες φωσφορικών μονοεστέρων, iv) υδρολάσες φωσφορικών διεστέρων και v) υδρολάσες θειικών εστέρων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει μια ομάδα καρβοξυλικών εστερασών, οι λιπάσες. Οι λιπάσες καταλύουν την υδρόλυση των τριγλυκεριδίων σε διγλυκερίδια, μονογλυκερίδια, γλυκερόλη και λιπαρά οξέα. Μερικές λιπάσες είναι επίσης ικανές να υδρολύουν πολυεστέρες σε ολιγομερή και μονομερή προϊόντα, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να μεταβολιστούν περαιτέρω, από άλλες εστεράσες, εσωκυτταρικά. Οι λιπάσες δρουν μονάχα στην οργανική-υδατική διεπιφάνεια και παρουσιάζουν πολύ χαμηλή ενεργότητα σε διαλυτά υποστρώματα. Αναφέρεται πως για να ενεργοποιηθεί η λιπάση στην οργανική-υδατική διεπεφάνεια πρέπει η υδρόφοβη κεφαλή της να δεσμευθεί στην οργανική επιφάνεια και ταυτόχρονα το ενεργό κέντρο του ενζύμου να ευθυγραμμίζεται και να δεσμεύεται με το υπόστρωμα. Παρόλο που έχουνε γίνει εκτενείς μελέτες σχετικά με την εξειδίκευση των λιπασών πάνω σε διάφορα υποστρώματα, ωστόσο, δεν έχει μελετηθεί διεξοδικά ο μηχανισμός δράσης των λιπασών. Αυτό οφείλεται στη δυσκολία να μελετηθεί η κινητική της δράσης ενός ενζύμου σε ετερογενές σύστημα. Θεωρείται, πάντως, ότι ο μηχανισμός δράσης των λιπασών έχει πολλά κοινά σημεία με τον αντίστοιχο των σερινικών πρωτεασών. Πολύ πιθανόν να σχηματίζεται ένα ακυλο-ένζυμο ως ενδιάμεσο. Το ακυλο-ένζυμο στη συνέχεια υδρολύεται από ένα μόριο ύδατος προς ένα μόριο λιπαρού οξέος, ενώ το αναγεννημένο ένζυμο μεταφέρεται σε μια πυρηνόφιλη ομάδα (π.χ. μια υδροξυλομάδα γλυκερόλης) για να προβεί σε μετεστεροποίηση. Γλυκοσιδάσες Οι γλυκοσιδάσες υδρολύουν τον γλυκοζιτικό δεσμό πολυσακχαριτών (π.χ. άμυλο, κυτταρίνη). Οι σημαντικότεροι τύποι γλυκοσιδασών είναι: i) οι αμυλάσες, οι 70

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ οποίες δρουν στο άμυλο και σε παρόμοιους πολυσακχαρίτες υδρολύοντας τον 1,4- ή τον 1,6-γλυκοζιτικό δεσμό και ii) οι κυτταρινάσες, οι οποίες υδρολύουν τον 1,4-βγλυκοζιτικό δεσμό της κυτταρίνης και των παραγώγων της Τρόποι μέτρησης της βιοαποικοδομησιμότητας Όπως γίνεται κατανοητό από τις προηγούμενες παραγράφους, η βιοαποικοδομησιμότητα των πολυμερών δεν εξαρτάται μόνο από χημεία αυτών αλλά και από το είδος των βιολογικών συστημάτων που εμπλέκονται στη διαδικασία. Όταν μελετάται η βιοαποικοδομησιμότητα ενός υλικού, λοιπόν, δεν είναι δυνατόν να αμελείται η επίδραση του περιβάλλοντος (Bastioli C, 2005). Έτσι, μπορούμε να πούμε γενικά πως η βιοαποικοδομησιμότητα επηρεάζεται από: Την παρουσία μικροοργανισμών Τη διαθεσιμότητα οξυγόνου Το ποσό του διαθέσιμου ύδατος Τη θερμοκρασία Το χημικό περιβάλλον (ph, ηλεκτρολύτες κλπ) Στη βιβλιογραφία υπάρχουν πάρα πολλές αναφορές για τους τρόπους αποτίμησης της βιοαποικοδόμησης των πολυμερών. Εξαιτίας, όμως, των μικροδιαφορών που υπάρχουν μεταξύ των ορισμών της βιοαποικοδόμησης, αυτοί οι τρόποι αποτίμησης της βιοαποικοδόμησης διαφοροποιούνται ως προς τις πληροφορίες που προσφέρουν. Εφόσον το τυπικό περιβάλλον βιοαποικοδόμησης περιλαμβάνει την έκθεση του πολυμερικού υποστρώματος σε έναν πληθυσμό μικροοργανισμών ή/ και ενζύμων, μόνο μερικοί τύποι μετρήσεων είναι δυνατοί. Αυτές οι μετρήσεις αποσκοπούν στον χαρακτηρισμό του υποστρώματος, των μικροοργανισμών ή των προϊόντων της βιοαποικοδόμησης. Κατά τον Andray (Andrady A.L., 1994), μπορούμε να θεωρήσουμε τέσσερις προσεγγίσεις για τη μελέτη της βιοαποικοδόμησης: Παρακολούθηση της ανάπτυξης των μικροοργανισμών Παρακολούθηση της ελάττωσης του υποστρώματος Παρακολούθηση των προϊόντων της βιοαποικοδόμησης Παρακολούθηση των αλλαγών στις ιδιότητες του υποστρώματος 71

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.11 Παράγοντες που επηρεάζουν την βιοαποικοδόμηση Στην προηγούμενη παράγραφο αναφέρεται η καθοριστική σημασία του περιβάλλοντος στον ρυθμό και τον βαθμό της βιοαποικοδόμησης. Ένας άλλος παράγοντας «κλειδί» στην διεργασία της βιοαποικοδόμησης είναι η χημική σύσταση του πολυμερούς. Η χημική σύσταση καθορίζει τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του υλικού και κατ επέκταση τις αλληλεπιδράσεις του με το βιολογικό περιβάλλον, οι οποίες με τη σειρά τους καθορίζουν την συμβατότητα του υποστρώματος με ορισμένους μηχανισμούς αποικοδόμησης. Πολλές έρευνες έχουνε γίνει αποσκοπώντας στη συσχέτιση της βιοαποικοδομησιμότητας με τη δομή των πολυμερών, αλλά μόνο κάποιοι γενικοί συσχετισμοί έχουν επιτευχθεί. Σε πολλές περιπτώσεις συμβαίνουν στιγμιαίες αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφόρων παραγόντων, παρεμποδίζοντας την εξαγωγή συμπερασμάτων για την επιρροή του κάθε παράγοντα στη βιοαποικοδόμηση. Κάποιοι γενικοί παράγοντες που επιδρούν στην διαδικασία της βιοαοικοδόμησης παρατίθενται παρακάτω, αλλά δεν πρέπει να διαφεύγει ότι έχουν αναφερθεί πολλές αποκλίσεις από τους «κανόνες» (Bastioli C, 2005). Η προσβασιμότητα του πολυμερούς από ένζυμα που δρουν σε υδατικό περιβάλλον είναι ζωτικής σημασίας για την βιοαποικοδόμηση, καθώς το πρώτο στάδιο της διεργασίας περιλαμβάνει τη δράση εξωκυτταρικών ενζύμων. Επομένως, η φυσική κατάσταση του πολυμερούς και η μορφολογία της επιφάνειάς του είναι αρχικά οι παράγοντες που καθορίζουν την πορεία της βιοαποικοδόμησης. Η βιοαποικοδομησιμότητα ενός πολυμερούς επηρεάζεται επίσης από την υδροφιλική φύση και την κρυσταλλικότητα του υλικού. Γενικά, μπορούμε να πούμε πως όσο πιο υδρόφιλο είναι το πολυμερές, τόσο πιο επιδεκτικό θα είναι σε υδρόλυση. Από την άλλη, όσο μεγαλύτερη είναι η κρυσταλλικότητα του πολυμερούς, τόσο μειώνεται η πρόσβαση των ενζύμων στους δεσμούς-στόχους και κατά συνέπεια παρεμποδίζεται η βιοαποικοδόμηση. Ένας άλλος παράγοντας παρόμοιος με την κρυσταλλικότητα είναι η κινητικότητα των μακρομοριακών αλυσίδων. Όσο πιο ευκίνητες είναι οι μακρομοριακές αλυσίδες (μικρή κρυσταλλικότητα, θερμοκρασία περιβάλλοντος κοντά στην T m του πολυμερούς), τόσο περισσότερο αυξάνεται ο ρυθμός της βιοαποικοδόμησης. Οι σημαντικές χημικές ιδιότητες είναι i) οι δεσμοί στην μακρομοριακή αλυσίδα, ii) η θέση και η δραστικότητα των πλευρικών ομάδων και iii) η δραστικότητα των 72

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ακραίων ομάδων. Οι δεσμοί που περιέχουν ετεροάτομα (π.χ. εστερικοί, αμιδικοί) θεωρούνται επιδεκτικοί σε ενζυμική αποικοδόμηση. Δεν συμβαίνει όμως το ίδιο σε πολλές κατηγορίες πολυμερών (πολυαμίδια, αρωματικούς πολυεστέρες) που περιέχουν ετεροάτομα στον πολυμερικό κορμό. Η στερεοχημεία των δομικών μονάδων του πολυμερούς επηρεάζει επίσης την πορεία της βιοαποικοδόμησης, καθώς μια καθοριστική ιδιότητα των ενζύμων είναι η στερεοεξειδίκευσή τους προς έναν τύπο υποστρώματος. Η στερεοεξειδίκευση μπορεί όμως να παρέλθει σε δευτερεύουσα μοίρα, όταν χρησιμοποιούνται συστήματα με μεγάλο φάσμα μικροοργανισμών αντί συστημάτων ενός ή λίγων ενζύμων. Η κατανομή μοριακών βαρών του πολυμερούς μπορεί να έχει δραματικές επιδράσεις στην διεξαγωγή της βιοαποικοδόμησης. Τέτοιου είδους φαινόμενα έχουν παρατηρηθεί σε ορισμένα πολυμερή, όπου ήταν απαραίτητη η ύπαρξη πολυμερών με μια κατώτατη οριακή τιμή μοριακού βάρους για να ξεκινήσει η βιοαποικοδόμηση. Αυτή η συμπεριφορά δεν έχει διευκρινιστεί πλήρως, αλλά σχετίζεται με διαφοροποιήσεις στην προσβασιμότητα των ενζύμων, στην ευκινησία των μακρομοριακών αλυσίδων, στο μέγεθος της κρυσταλλικότητας, στο συνταίριασμα των ενεργών κέντρων, καθώς και άλλων μορφολογικών παραγόντων. Οι αλληλεπιδράσεις με άλλα πολυμερή (μίγματα) επηρεάζουν επίσης την βιοαποικοδομησιμότητα. Τα πρόσθετα αυτά υλικά μπορεί να δρουν σαν φράγματα παρεμποδίζοντας την μετανάστευση των μικροοργανισμών, των ενζύμων, της υγρασίας ή του οξυγόνου μέσα στην πολυμερική μήτρα. Η βιοαποικοδομησιμότητα ενός πολυμερούς συχνά μειώνεται όταν αυτό «εμβολιάζεται» (grafted polymer) σε ένα μη-βιοαποικοδομήσιμο πολυμερές ή όταν δικτυώνεται (crosslinked polymer). Από την άλλη, έχουν γίνει αρκετές αναφορές στη βιβλιογραφία πως η ανάμιξη ή ο εμβολιασμός ενός μη-βιοαποικοδομήσιμου πολυμερούς με ένα βιοαποικοδομήσιμο οδηγεί σε ένα βιοαποικοδομήσιμο σύστημα. 73

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.12 Εφαρμογές πολυμερών στην φαρμακοβιομηχανία: χρήσεις βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών ως έκδοχα. Τα πολυμερικά υλικά βρίσκουν ολοένα και αυξανόμενη εφαρμογή σε διάφορους τομείς της καθημερινής ζωής επειδή προσφέρουν ένα ευρύ φάσμα σχετικών ιδιοτήτων (Barratt G, Couvreur P et al, Couvreur P & Vauthier C, Delie F & Blanco-Príeto M.-J, Orive G et al, Rawat M. et al, Soppimatha K.S. et al, 2001) Η ανάμιξη των πολυμερών είναι ένας τεχνολογικός τρόπος για την παραγωγή υλικών με πλήρως προκαθορισμένες και συγκεκριμένες ιδιότητες και με το ελάχιστο κόστος. Ένας από τους τομείς αυτούς είναι και η φαρμακευτική. Τα πολυμερή και τα μίγματα των πολυμερών χρησιμοποιούνται ως έκδοχα για την μεταφορά και τον έλεγχο της αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας, έτσι ώστε αυτή να μην απελευθερώνεται αμέσως και ποσοτικά στον οργανισμό αλλά σταδιακά έτσι ώστε να σταθεροποιείται η συγκέντρωση του φαρμάκου στο αίμα μεταξύ μιας μέγιστης επιθυμητής και μιας ελάχιστης αποτελεσματικής τιμής, για μια παρατεταμένη χρονική περίοδο. Η ελεγχόμενη απελευθέρωση του φαρμάκου επιτυγχάνεται όταν ένα πολυμερές, είτε φυσικό είτε συνθετικό, είναι διακριτικά συνδυασμένο με ένα φάρμακο ή έναν άλλο ενεργό παράγοντα, κατά τρόπο τέτοιον ώστε ο ενεργός αυτός παράγοντας να απελευθερώνεται από το υλικό σύμφωνα με έναν προσχεδιασμένο τρόπο (Barratt G, Orive G et al Rawat M et al, 2006). Η απελευθέρωση του ενεργού παράγοντα μπορεί να είναι σταθερή για μια μεγάλη χρονική περίοδο, μπορεί να είναι κυκλική για μια μεγάλη χρονική περίοδο ή μπορεί να ενεργοποιηθεί από το περιβάλλον ή άλλους εξωτερικούς παράγοντες. Σε κάθε περίπτωση, ο σκοπός πίσω από την ελεγχόμενη απελευθέρωση του φαρμάκου είναι η επίτευξη περισσότερο αποτελεσματικών θεραπειών εξαλείφοντας το ενδεχόμενο είτε ελλιπούς είτε υπερβολικής δόσεως. Άλλα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση αυτών των συστημάτων ελεγχόμενης απελευθέρωσης μπορούν να συμπεριλάβουν: τη διατήρηση των επιπέδων του φαρμάκου μέσα σε μια επιθυμητή κλίμακα, την ελάττωση του ρυθμού χορήγησης φαρμάκου, τη βέλτιστη χρήση του φαρμάκου ανά περίσταση και την αυξημένη συμμόρφωση του ασθενή. 74

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Εκτός των πολύ σημαντικών πλεονεκτημάτων, πρέπει να λαμβάνουμε υπ όψη και ενδεχόμενα μειονεκτήματα που θα προκύψουν κατά την εφαρμογή θεραπειών με ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων. Τέτοια μειονεκτήματα μπορεί να είναι: η πιθανή τοξικότητα ή μη-βιοσυμβατότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται, η παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων κατά τη διάσπαση των πολυμερών, η πιθανότητα σωματικής δυσφορίας του ασθενή από το μηχανισμό απελευθέρωσης και το υψηλό κόστος των συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Ένα ιδανικό σύστημα απελευθέρωσης φαρμάκου θα πρέπει να έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: να είναι βιοχημικά αδρανές, να είναι βιοσυμβατό, να είναι μηχανικά ανθεκτικό, να μην ενοχλεί τον ασθενή, να είναι ικανό να φέρει υψηλό φορτίο φαρμάκου, να είναι ασφαλές ως προς κάποια τυχαία απελευθέρωση, να είναι απλό στη χορήγηση και στην απομάκρυνση, να είναι εύκολο στη κατασκευή και στην αποστείρωση Ο στόχος για πολλά από τα αρχικά συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης ήταν να επιτευχθεί ένας ρυθμός απελευθέρωσης της δραστικής ο οποίος θα παρείχε ένα υψηλό επίπεδο δραστικής στο αίμα κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης χρονικής περιόδου. Με τα κοινά χάπια ή τις ενέσεις, το επίπεδο της δραστικής αυξάνεται μετά από κάθε χορήγηση και στη συνέχεια μειώνεται μέχρι την χορήγηση της επόμενης δόσης (συνεχόμενη καμπύλη Σχήματος 3.1). Το κύριο σημείο στις χορηγήσεις των κοινών φαρμάκων είναι ότι το επίπεδο του ενεργού παράγοντα στο αίμα θα πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ μιας μέγιστης τιμής, η οποία μπορεί να αναπαριστά ένα τοξικό επίπεδο, και μια ελάχιστη τιμή κάτω από την οποία το φάρμακο παύει να είναι αποτελεσματικό. Στα συστήματα ελεγχόμενης απελευθέρωσης του φαρμάκου που σχεδιάζονται για μακροπρόθεσμη χορήγηση, το επίπεδο του φαρμάκου στο αίμα παραμένει σταθερό μεταξύ της επιθυμητής μέγιστης και ελάχιστης τιμής, για μια παρατεταμένη χρονική περίοδο (διακεκομμένη καμπύλη Σχήματος 3.1). Τα τελευταία χρόνια, τα σκευάσματα ελεγχόμενης απελευθέρωσης του φαρμάκου και τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αυτά, έχουν εξελιχθεί και έχουν γίνει πιο εξειδικευμένα, με την ιδιότητα να κάνουν πολλά περισσότερα από την απλή παράταση της περιόδου απελευθέρωσης ενός συγκεκριμένου φαρμάκου. Παραδείγματος χάριν, τα σημερινά συστήματα ελεγχόμενης απελευθέρωσης μπορούν να ανταποκριθούν σε αλλαγές του βιολογικού 75

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΙΣΗΜΟΙ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ περιβάλλοντος και να διανείμουν ή να σταματήσουν να διανέμουν φάρμακα, σύμφωνα με αυτές τις αλλαγές. Επιπλέον, τα υλικά έχουν εξελιχθεί και έτσι οδηγηθήκαμε στα προσανατολισμένα συστήματα διανομής, στα οποία ένα συγκεκριμένο σκεύασμα μπορεί να «στοχεύσει» ένα συγκεκριμένο τύπο κυττάρων, ιστών ή θέσεων και να αποδεσμεύσει τη δραστική ουσία. Μια μεγάλη ποικιλία υλικών έχουν χρησιμοποιηθεί στην ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων και άλλων ενεργών παραγόντων. Αρχικά, αυτά τα πολυμερή προορίζονταν για άλλες μη βιολογικές χρήσεις, αλλά προτιμήθηκαν και για την ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων λόγω των αξιοθαύμαστων φυσικών ιδιοτήτων τους όπως, μεγάλη ελαστικότητα, μονωτική ικανότητα, μεγάλη ανθεκτικότητα, σταθερότητα διαστάσεων κλπ. Σχήμα 3.1 Επίπεδα φαρμάκου στο αίμα -κοινά φάρμακα, ---φάρμακα ελεγχόμενης απελευθέρωσης, χορήγηση δόσης Για να είναι επιτυχημένη η χρήση ενός υλικού στα συστήματα ελεγχόμενης απελευθέρωσης, το υλικό αυτό θα πρέπει να είναι χημικά αδρανές και απαλλαγμένο από ακαθαρσίες. Επιπλέον θα πρέπει να έχει μια κατάλληλη φυσική δομή, με την ελάχιστη γήρανση η οποία είναι ανεπιθύμητη, και να είναι εύκολο στην επεξεργασία. 76

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ 4.1 Ιστορική Αναδρομή Η ιδέα της τοποθέτησης μορίων ή ατόμων κατά το δοκούν είναι μάλλον επαναστατική, όμως υπάρχει ήδη από το 1959 όταν και ο νομπελίστας φυσικός Richard Feynman, σε μια ομιλία του με τίτλο "There's Plenty of Room at the Bottom" διατύπωσε την άποψη ότι δεν υπάρχει τίποτα στους νόμους της φυσικής που να 77

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ απαγορεύει την διάταξη ατόμων κατά βούληση. "Ένα φοβάμαι" υποστήριζε, "να σκεφτώ ότι ο απώτερος στόχος είναι να μπορούμε, στο μακρινό μέλλον, να μεταχειριζόμαστε τα άτομα ακριβώς με τον τρόπο που θέλουμε". Ο Feynman πίστευε ότι δεν υπάρχει κανένα εμπόδιο, πέρα της έλλειψης πειραματικών οργάνων σε νανοσκοπική κλίμακα, για την διάταξη και μεταχείριση της ύλης σε μοριακό και ατομικό επίπεδο, αφού άλλωστε οι νόμοι της φυσικής δεν θέτουν κανένα τέτοιο περιορισμό. Σχήμα 4.1 Η μετάβαση από την μακρο- στην μικρο- και τελικά στην νανο-κλίμακα Καθώς μεταβαίνουμε όλο και σε μικρότερα μεγέθη, γεννάται η ανάγκη να επανασχεδιάσουμε τις πειραματικές μας διατάξεις, αφού αλλάζει και ο συσχετισμός των δυνάμεων. Η βαρύτητα γίνεται λιγότερο σημαντική, ενώ ιδιάζοντα ρόλο παίζουν πλέον οι δυνάμεις van der Waals και η επιφανειακή τάση. Υπάρχουν δύο ειδών προσεγγίσεις: η πρώτη είναι γνωστή ως προσέγγιση "από κάτω προς τα επάνω" (bottom - up approach) και στηρίζεται στη δημιουργία διατάξεων χρησιμοποιώντας τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης τα άτομα, σε αντιδιαστολή με την δεύτερη προσέγγιση "από πάνω προς τα κάτω" (top - down approach) κατά την οποία η κατασκευή στηρίζεται σε μεθόδους κοπής και χάραξης (Anonymous, 78

93 4.2 Νανοεπιστήμες και νανοτεχνολογία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Στην επιστήμη και την τεχνολογία, το πρόθεμα νανο (από την ελληνική λέξη νάνος) σημαίνει 10-9 = Ένα νανόμετρο (nm) ισούται με ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου, είναι δηλαδή δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερο από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Ο όρος νανοτεχνολογία χρησιμοποιείται εδώ ως περιληπτικός όρος, και καλύπτει τους διάφορους κλάδους νανοεπιστημών και νανοτεχνολογιών. Οι Νανοεπιστήμες ασχολούνται με την διερεύνηση, τη κατανόηση, τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων, την παρατήρηση, τη μέτρηση και τον έλεγχο της ύλης στη νανοκλίμακα. Παίζουν ένα πολύ σημαντικό ρόλο και εκτείνονται σε ένα ευρύ επιστημονικό-ερευνητικό πεδίο όπου απαραίτητα συναντώνται διάφορες επιστήμες όπως η φυσική, η χημεία, η επιστήμη των υλικών, η βιολογία, η φαρμακευτική και η μηχανολογία. Οι νανοεπιστήμες φαίνεται να έχουν την δυναμική να αλλάξουν τα πάντα στον επιστημονικό χώρο (Anonymous, Ως Νανοτεχνολογία ορίζεται ο τρόπος με τον οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε διατάξεις και συστήματα (π.χ., νανοκινητήρες, νανορομπότ, sensors, biochips, κ.α.) με έλεγχο της ύλης στη νανοκλίμακα, δηλαδή σε κλίμακα ατόμων, μορίων και μοριακών δομών. Η ουσία της νανοτεχνολογίας έγκειται στην δυνατότητα πραγματοποίησης διεργασιών και διαδικασιών στη νανοκλίμακα με στόχο την δημιουργία μεγαλύτερων δομών με νέα μοριακή οργάνωση. Οι ονομαζόμενες αυτές νανοδομές αποτελούν τα μικρότερα κατασκευάσματα του ανθρώπου και εμφανίζουν καινοτόμες φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητες και διεργασίες. Σκοπός της Νανοεπιστήμης και της Νανοτεχνολογίας αποτελεί η κατανόηση αυτών των ιδιοτήτων και των επιστημονικών αρχών που θα οδηγήσει στην κατανόηση καθώς και στην αποτελεσματική και αποδοτική σύνθεση των δομών αυτών (Anonymous, Οι Νανοτεχνολογίες αναμένεται να "αναδομήσουν" τις υπάρχουσες σήμερα τεχνολογίες παραγωγής, την υγεία και την ποιότητα ζωής, τη διαχείριση του περιβάλλοντος, την παραγωγή ενέργειας, τις μεταφορές & επικοινωνίες, τους υπολογιστές & πληροφορική, την εκπαίδευση και έρευνα. Η όποια προσέγγιση (ερευνητική ή εκπαιδευτική) στις περιοχές των Νανοεπιστημών & Νανοτεχνολογιών απαιτεί διεπιστημονική θεώρηση. Η νανοτεχνολογία δεν δύναται να οριστεί αποκλειστικά μόνο με όρους διαστάσεων, αλλά αντιπροσωπεύει μία σύγκλιση των παραδοσιακών επιστημών της Φυσικής, Χημείας και Βιολογίας σε ένα κοινό ερευνητικό σύνορο. 79

94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Σχήμα 4.2 Η κλίμακα διαφόρων φυσικών και τεχνητών αντικειμένων 4.3 Νανοτεχνολογία και φαρμακευτική επιστήμη Τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται όλο και πιο έντονο το ενδιαφέρον για τα νανοσυστήματα (νανοφορείς) στην φαρμακευτική επιστήμη. Το γεγονός αυτό οφείλεται στα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν εν γένει τα συστήματα αυτά σε σύγκριση με τα ήδη υπάρχοντα. Επίσης ο σχεδιασμός νέων συστημάτων αποδέσμευσης δραστικών ουσιών αποτελεί ένα τομέα με ιδιαίτερες προκλήσεις ιδιαίτερα με τους όρους της δημιουργίας νέων συστημάτων για στοχευμένη χορήγηση δραστικών ουσιών σε καθορισμένα σημεία ή όργανα του ανθρώπινου σώματος. Χημικές ουσίες ή και συστατικά με συγκεκριμένη θεραπευτική ικανότητα, τα οποία φαίνεται να δίνουν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά αποτελέσματα, όσον αφορά την θεραπεία μιας ασθένειας, σε καλλιέργειες κυττάρων, αποτυγχάνουν να δώσουν εξίσου θετικά αποτελέσματα κατά την χορήγησή τους στον ασθενή, δηλαδή στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος, αυτό έχει ως αποτέλεσμα να χορηγούνται μεγάλες δόσεις των συστατικών αυτών στον ασθενή, γεγονός που οδηγεί τελικά στην εμφάνιση διαφόρων 80

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ παρενεργειών σε έντονο βαθμό. Το γεγονός αυτό παρουσιάζεται τόσο στις δραστικές ουσίες με κλασική χημική δομή όσο και στα βιοτεχνολογικά φάρμακα, όπως οι ανασυνδιασμένες πρωτεΐνες, τα εμβόλια, τα αντιβιοτικά και τα γενωμικά φάρμακα. Πολλές από όλες αυτές τις δραστικές απαιτούν ειδικές τεχνικές μορφοποίησης ώστε να ξεπεραστούν τα διάφορα προβλήματα που μπορεί να παρουσιάζουν, όπως η φτωχή διαλυτότητά τους στο νερό, η απουσία σταθερότητας της δραστικής σε βιολογικό περιβάλλον (μικρή ημιπερίοδος ζωής), φτωχή βιοδιαθεσιμότητα και δυνητικά ιδιαίτερα ισχυρές παρενέργειες, οι οποίες απαιτούν την παρουσία της δραστικής σε αυξημένη ποσότητα μόνο στο σημείο δράσης της. Η ιδιότητα ορισμένων δραστικών να συνδέονται ισχυρά με συγκεκριμένες πρωτεΐνες έχει ως αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η είσοδός τους στον εγκέφαλο είτε σε άλλα όργανα. Η παρουσία και η δημιουργία κατάλληλων συστημάτων αποδέσμευσης δραστικών ουσιών αποτελεί κρίσιμο στόχο, γεγονός που μπορεί να υποστηριχθεί από μία πρόσφατη έρευνα σύμφωνα με την οποία τα ετήσια έξοδα για φαρμακευτικά σκευάσματα ανέρχονται ετησίως στα 65 δισεκατομμύρια δολάρια. Πίνακας 4.1: Εταιρίες οι οποίες δραστηριοποιούνται στο χώρο ανάπτυξης και εφαρμογής νανοτεχνολογίας. Η φτωχή βιοδιαθεσιμότητα πολλών φαρμακευτικά δραστικών ουσιών, πολύ συχνά έχει ως αποτέλεσμα όχι μόνο το υψηλότερο κόστος θεραπείας για τον ασθενή 81

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ και μη αποτελεσματική θεραπεία, αλλά το σημαντικότερο ίσως, αυξημένοι κίνδυνοι τοξικότητας ή ακόμα και θανάτου (Rawat, M. et al, Glen A2005). Μια σειρά εταιριών έχει κάνει στροφή τα τελευταία χρόνια προς την ανάπτυξη, βελτίωση και κυρίως εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στο τομέα των φαρμακευτικών σκευασμάτων. Κάποιες από αυτές παρουσιάζονται και στον παρακάτω πίνακα. 4.4 Οικονομικά Στοιχεία Ερχόμενες αντιμέτωπες με έναν πρωτοφανή ανταγωνισμό, οι φαρμακευτικές εταιρείες αποτιμούν την απόδοση των ενεργών ουσιών σε κάθε στάδιο του κύκλου ανάπτυξης των θεραπευτικών. Ο τρόπος απόδοσης μπορεί να αποτελέσει την ειδοποιό διαφορά στην επιτυχία ή την αποτυχία ενός φαρμάκου όχι μόνο επί επιστημονικής βάσης, αλλά επειδή η αποδοχή από τους ασθενείς ενός νέου σκευάσματος επηρεάζεται άμεσα από τον τρόπο που αυτό χορηγείται. Σήμερα, η παγκόσμια αγορά για νέας γενιάς συστημάτων απόδοσης αποτιμάται σε 42.9 δισεκατομμύρια ευρώ. Σχεδόν το μισό από αυτό το ποσό αναφέρεται σε συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης, με όλα τα υπόλοιπα να ακολουθούν (Σχήμα 4.3). Σχήμα 4.3 Παγκόσμια κατανομή των συστημάτων απόδοσης φαρμακευτικά δραστικών ουσιών Καθώς τα αποτελέσματα από τη χρήση των συστημάτων αυτών αρχίζουν στις μέρες μας να είναι ορατά και ενθαρρυντικά, το κομμάτι της πίτας που αντιστοιχεί στα ελεγχόμενης αποδέσμευσης συστήματα ολοένα και μεγαλώνει, με τις φαρμακοβιομηχανίες να έχουν εστιάσει την προσοχή τους και τους ασθενείς να τα αποδέχονται με λιγότερη δυσπιστία. Καθώς στις μέρες μας ασθένειες όπως ο 82

97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ καρκίνος κάθε μορφής, καρδιοαγγειακά προβλήματα, διανοητικής φύσεως προβλήματα, εξακολουθούν να απασχολούν την επιστημονική κοινότητα, αλλά και νέες ασθένειες όπως το AIDS και η νόσος των πουλερικών, η έρευνα προς την συγκεκριμένη κατεύθυνση, όχι μόνο κρίνεται απαραίτητη, αλλά είναι επιτακτική ανάγκη των καιρών μας. 4.5 Αναγκαιότητα ύπαρξης νανοφορέων H νανοτεχνολογία αποτελεί ένα νέο πεδίο έρευνας που παρέχει τόσο τα εργαλεία αλλά και την τεχνολογία, για την εργασία σε ατομικό και μοριακό επίπεδο, οδηγώντας έτσι στην δημιουργία τόσο συσκευών όσο και νέων συστημάτων αποδέσμευσης με εξολοκλήρου νέες ιδιότητες και λειτουργίες. Οι νανοφορείς μπορούν να κατευθύνουν και να αποδεσμεύουν την δραστική σε μικροσκοπικές περιοχές μέσα στο ανθρώπινο σώμα. (Roco M. C. et al, 2000). Oι νανοφορείς αντιπροσωπεύουν την μηχανική των σωματιδίων, τα οποία έχουν μέγεθος μικρότερο από 100 νανόμετρα. Η νανοτεχνολογία είναι συμπληρωματική της βιοτεχνολογίας και μπορεί εν δυνάμει να καλύψει τα κενά μεταξύ δομής και λειτουργίας των μορίων με βιολογική δράση όπως επίσης και μεταξύ ανθρώπινης φυσιολογίας και παθοφυσιολογίας. Πολύπλοκες τεχνικές και εργαλεία έχουν κάνει δυνατό τον καλύτερο χαρακτηρισμό αλλά και χειρισμό υλικών σε επίπεδο νανοκλίμακας προκειμένου να διασαφηνιστεί το φαινόμενο της νανοκλίμακας που οδηγεί στην γέννηση μιας νέας περιόδου όσον αφορά τον τομέα της απόδοσης μιας δραστικής. Οι νανοφορείς αποτελούν μια συνεχή αλληλοεπικάλυψη διαφόρων πεδίων έρευνας όπως της βιοτεχνολογίας, της νανοτεχνολογίας, και της τεχνολογίας της πληροφορικής, γεγονός που μπορεί εν δυνάμει να οδηγήσει σε σημαντικές εφαρμογές στις θετικές επιστήμες και επιστήμες υγείας, συμπεριλαμβανομένου και τις θεραπείες με βάση την γενωμική, την απόδοση ουσιών με φαρμακευτική δράση, τους βιοαισθητήρες κ.α (Roco M. C. et al, Sahoo K.S. et al, 2003 Wilkinson, J. M. 2003). 83

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Οι νανοφορείς αποτελούν επίσης μια ελκυστική προοπτική για την μετατροπή διαφόρων βιοσυστημάτων, και παρέχει ευρύ πεδίο έρευνας στο χώρο των βιολογικών επιστημών (Bugunia-Kubik, K. et al, Schimidt J. et al, 2002). Οι νανοφορείς ξεπερνούν την αντίσταση που παρουσιάζουν τα φυσιολογικά σύνορα που θέτει το σώμα καθώς η αποτελεσματική απόδοση μιας ουσίας με φαρμακευτική δράση σε διάφορα σημεία μέσα στο σώμα καθορίζεται άμεσα από το μέγεθος του σωματιδίου. Οι νανοφορείς αποτελούν σημαντικούς αρωγούς στην βελτίωση της διαλυτότητας των δυσδιάλυτων στο νερό δραστικών ουσιών (Kipp J. E. et al, Ould-ouali L. et al, 2005), στην βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας (Arbos P. et al, 2004), στην απελευθέρωση δραστικών ουσιών σε προκαθορισμένο χρόνο, και στην ακριβή στόχευση της δραστικής ουσίας (Yamamoto H. et al, 2005). Οι ιδιότητες της επιφάνειας των νανοφορέων είναι δυνατόν να μεταβληθεί προκειμένου να επιτευχθεί στοχευμένη χορήγηση μιας δραστικής ουσίας (Yamamoto H. et al, Peppas L. B. et al, Kreuter J., 2001) για παράδειγμα νανοσωματίδια στα οποία έχουν ενθυλακωθεί μικρά μόρια, πρωτεΐνες, πεπτίδια και νουκλεϊνικά οξέα, δεν αναγνωρίζονται από το αμυντικό σύστημα και μπορούν με αυτόν τον τρόπο να γίνει η στόχευση σε συγκεκριμένους τύπους ιστών (Cohen H. et al, 2000). Οι φορείς σε επίπεδο νανοσωματιδίων για την στοχευμένη χορήγηση, ελαττώνουν την τοξικότητα της δραστικής και εξασφαλίζουν αποτελεσματικότερη κατανομή της δραστικής. Οι νανοφορείς υπόσχονται την απόδοση βιοτεχνολογικών φαρμάκων σε διάφορα δύσκολα σημεία του ανθρώπινου σώματος όπως ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός και οι ισχυροί επιθηλιακοί δεσμοί του δέρματος. Οι νανοφορείς τέλος μπορούν πιο εύκολα να εισχωρήσουν στα καρκινικά κύτταρα λόγω της διαφοροποίησης που τα τελευταία παρουσιάζουν, χαλαρή σύσταση της εξωτερικής μεμβράνης, που περιέχει κενά τα οποία κυμαίνονται από 100 έως 1000 nm σε διάμετρο. Τα τελευταία χρόνια, εξαιρετική προσπάθεια καταβάλλεται στην ανάπτυξη νανοτεχνολογιών με σκοπό την απόδοση ενεργών ουσιών, καθώς η νανοτεχνολογία 84

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ προσφέρει τα κατάλληλα μέσα για απόδοση μικρού μοριακού βάρους ενεργών ουσιών, αλλά και μακρομορίων όπως πρωτεϊνών, πεπτιδίων ή γονιδιακού υλικού, είτε με τοποθέτηση, είτε με στοχευμένη απόδοση. Η νανοτεχνολογία επικεντρώνεται στη κατασκευή βιοσυμβατών νανοδομών (νανοφορέων) όπως νανοσωματίδια, νανοκάψουλες, μικκύλια και σύμπλοκα, ως φορείς ενεργών ουσιών. Καθώς αυτά τα συστήματα είναι συνήθως πολύ μικρά σε μέγεθος, εμφανίζουν πολύπλευρα πλεονεκτήματα στην απόδοση φαρμακευτικά δραστικών ουσιών. Οι νανοφορείς λοιπόν προσφέρουν μια σειρά πλεονεκτημάτων και έτσι μετατρέπονται σε ιδανικούς φορείς για την αποδέσμευση δραστικών ουσιών. Τα συστήματα αυτά απόδοσης δραστικών ουσιών μπορούν να ενισχύσουν τον θεραπευτικό δείκτη (therapeutic index) των ενεργών ουσιών για τους παρακάτω κυρίως λόγους (Panyam J., and Labhasetwar V., Finch A.C., Cryan S.A. 2005) Σχήμα 4.4 Ερευνητές ανακάλυψαν πως να κατασκευάσουν πολυμερικά μίκρο- και νάνοσωματίδια σε μια ευρεία γκάμα διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών χρησιμοποιώντας συνήθη διαθέσιμα εργαστηριακά αντιδραστήρια και εξοπλισμό (Credit: Image courtesy of University of California - Santa Barbara) Αυξάνουν την ποσότητα της δραστικής ουσία η οποία φτάνει τελικά στο επιθυμητό ενδοκυτταρικό ή εξωκυτταρικό σημείο δράσης. Ενισχύουν τη μεταφορά της δραστικής ουσίας στο επιθυμητό σημείο δράσης. Ενισχύουν τη σταθερότητα των δραστικών ουσιών in-vivo. 85

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Προστατεύουν τις ευαίσθητες ουσίες από τις συνθήκες του περιβάλλοντος (π.χ., υγρασία, οξυγόνο, θερμότητα) και την εξωτερική αλλοίωση και επομένως βελτιώνουν τις συνθήκες αποθήκευσής τους. Αυξάνουν τον χρόνο παραμονής των δραστικών ουσιών στο επιθυμητό σημείο δράσης με μείωση του χρόνου εντοπισμού από το ανοσοποιητικό σύστημα. Μειώνουν την μη επιθυμητή απόδοση των δραστικών ουσιών σε ιστούς που δεν αποτελούν στόχο. Μειώνουν τις παρενέργειες (πιθανούς ερεθισμούς) οι οποίοι μπορούν να προκληθούν από την δραστική ουσία. Μειώνουν την τοξικότητα λόγω μεγάλων δοσολογιών της δραστικής ουσίας. Μειώνουν την πτητικότητα των δραστικών ουσιών. Ενισχύουν τον χρόνο ημίσειας ζωής των προϊόντων. Ενισχύουν τη γεύση των προϊόντων. Η κλίμακα μεγέθους αυτών των συστημάτων απόδοσης ενεργών ουσιών είναι επίσης καθοριστική στο τελικό αποτέλεσμα, καθώς και στην απόδοση των συγκεκριμένων συστημάτων. Τα νανοσωματίδια παρέχουν έναν μεγάλο αριθμό πλεονεκτημάτων έναντι των μικροσωματιδίων στην απόδοση δραστικών ουσιών, όπως: Τα νανοσωματίδια έχουν γενικά μεγαλύτερη ενδοκυτταρική απορρόφηση. Τα νανοσωματίδια μπορούν να διαπερνούν τις βλεννώδης μεμβράνες (submucosal layers), ενώ τα μικροσωματίδια κυρίως συσσωρεύονται στον επιθηλιακό ιστό (epithelial lining). Τα νανοσωματίδια μπορούν να παραμένουν στο κυκλοφορικό σύστημα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ότι τα μικροσωματίδια, χωρίς προβλήματα συσσωμάτωσης ή εντοπισμού τους από το ανοσοποιητικό σύστημα. Όλα τα παραπάνω επιτρέπουν ικανοποιητική απόδοση των ενεργών ουσιών στο επιθυμητό σημείο στο σώμα. Ταυτόχρονα, προσαρμόζοντας τα χαρακτηριστικά των πολυμερικών φορέων είναι δυνατόν να ελεγχθεί ο ρυθμός απόδοσης των ενεργών ουσιών από τα νανοσωματίδια, ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό θεραπευτικό επίπεδο στον συγκεκριμένο ιστό και για το απαιτούμενο χρονικό διάστημα, ώστε να επιτευχθεί το βέλτιστο θεραπευτικό αποτέλεσμα. 86

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ 4.6 Περιορισμοί νανοφορέων Εκτός από τα σημαντικά πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι νανοφορείς παρουσιάζουν ταυτόχρονα και σημαντικούς περιορισμούς, η αντιμετώπιση των οποίων αποτελεί αδύρρητο βήμα στην κατεύθυνση προώθησης της νανοτεχνολογίας για την ευρεία και γενικευμένη τελικά χρήση και εφαρμογή της. Οι σημαντικότερες δυσκολίες αλλά και περιορισμοί που εμφανίζονται στην περίπτωση των νανοφορέων εμφανίζονται παρακάτω. Οι νανοφορείς παρουσιάζουν δυσκολίες στον χειρισμό, την αποθήκευση αλλά και την χορήγηση καθώς είναι ιδιαίτερα δεκτικοί στην συσσωμάτωση. Αποτελούν ακατάλληλα συστήματα για ουσίες με χαμηλή δραστικότητα. Η κύρια πηγή ανησυχίας για τους νανοφορείς αποτελεί το ιδιαίτερα μικρό τους μέγεθος που μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα να επιτρέπεται από τον οργανισμό η είσοδος και συνεπώς παρουσία των φορέων αυτών σε ανεπιθύμητες περιοχές με ζημιογόνες και βλαβερές τελικά για τον οργανισμό συνέπειες π.χ οι νανοφορείς μπορεί να διαπεράσουν την μεμβράνη του πυρήνα του κυττάρου και να προκαλέσει είτε ανεπιθύμητες γενετικές τροποποιήσεις ή και καταστροφή μέρους του γενετικού κώδικα. (Hoet Peter, H. M. et al, 2004). 4.7 Τύποι νανοφορέων Οι νανοφορείς αποτελούν είτε υλικά είτε συσκευές στην περιοχή της νανοκλίμακας (κάτω από 1μm), που έχουν κατασκευαστεί από διάφορα βιοαποικοδομήσιμα υλικά, φυσικά ή και συνθετικά πολυμερή, λιπίδια ή φωσφολιπίδια ή ακόμα και οργανομεταλλικά συστατικά. Οι νανοφορείς έχοντας ένα πολύ μικρό μέγεθος παρουσιάζουν πολύ μεγάλο λόγο επιφάνειας προς όγκο, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας διάλυσης. Το γαστρεντερικό σύστημα αποτελεί το κύριο όργανο για την απορρόφηση των νανοσωματιδίων (Peppas L. B. et al, 2004). Η απορρόφηση αυτή σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων όπως το μέγεθος και οι ιδιότητες της επιφάνειάς τους. Οι νανοφορείς περιλαμβάνουν μια ευρεία γκάμα συστημάτων όπως οι νανοσωλήνες, τα κεραμικά νανοσωματίδια, τα λιποσώματα, τα στερεά λιπιδικά νανοσωματίδια, τα πολυμερικά νανοσωματίδια και οι νανοκάψουλες, τα πολυμερικά μυκίλλια, τα δενδριμερή και τα λειτουργικά νανοσωματίδια (Lobenberg 87

102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ R., and Kreuter J., 1996 Sahoo, K.S. et al, 2003). Στον πίνακα 4.2 όσο και στο σχήμα 4.5 παρουσιάζονται τόσο η περιγραφή, οι εφαρμογές όσο και η σχηματική αναπαράσταση των συστημάτων αυτών, αντίστοιχα. Πίνακας 4.2 : Χαρακτηριστικά είδη νανοφορέων περιγραφή και εφαρμογές τους. Σχήμα 4.5 Χαρακτηριστικά είδη νανοφορέων και η σχηματική αναπαράσταση των συστημάτων αυτών. 88

103 4.8 Πολυμερικά νανοσωματίδια ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Τα πολυμερικά νανοσωματίδια παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Είναι σαφώς πιο σταθερά από άλλους κολλοειδής φορείς, όπως τα λιποσώματα, και μπορούν να προστατέψουν την δραστική ουσία που ενθυλακώνεται στο εσωτερικό τους από το περιβάλλον του γαστρεντερικού συστήματος. Επιπλέον η χρήση διαφόρων πολυμερικών υλικών δίνει την δυνατότητα του χειρισμού ακόμα και της αλλαγής κατά βούληση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών (π.χ. υδροφοβικότητα, ζ-δυναμικό), τις ιδιότητες της απελευθέρωσης της δραστικής (π.χ καθυστερούμενη, παρατεταμένη), και την βιολογική ακόμα δράση (π.χ. στόχευση, πρόσφυση, αυξημένη κυτταρική απορρόφηση) των νανοσωματιδίων (Garlindo-Rondriguez S.A. et al, 2005). Τέλος είναι δυνατή η αλλαγή των ιδιοτήτων της επιφάνειας των νανοσωματιδίων είτε με προσρόφηση είτε με χημικό δεσμό διαφόρων μορίων όπως η πολυαιθυλενογλυκόλης, poloxamers, ακόμα και βιολογικά δραστικά μόρια. Έχει ήδη αναφερθεί εκτενώς και έχει επίσης αποδειχθεί πως η νανοενθυλάκωση δραστικών μορίων τα προστατεύει από το αφιλόξενο περιβάλλον του γαστρεντερικού συστήματος, και ταυτόχρονα βελτιώνει την απορρόφησή τους. (Rieux, A et al, 2006). Σχήμα 4.6 Τύποι και αντίστοιχο μέγεθος νανοφορέων που χρησιμοποιούνται στην απόδοση και στοχευμένη χορήγηση δραστικών ουσιών. 89

104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Τα πολυμερικά νανοσωματίδια είναι μυκιλλιακοί φορείς των οποίων το μέγεθος κυμαίνεται από 10 έως 1000 nm είναι στερεά και μπορεί να συνίστανται βιοαποικοδομήσιμα ή μη βιοαποικοδομήσιμα υλικά (Σχήμα 4.6). Τα πολυμερικά νανοσωματίδια χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τις νανοκάψουλες και νανοσφαιρίδια (nanocapsules, nanospheres). Οι νανοκάψουλες αποτελούν κυστοειδή συστήματα τα οποία αποτελούνται από ένα εξωτερικό περίβλημα και έναν εσωτερικό πυρήνα, η δραστική είναι περιορισμένη σε μια κοιλότητα που περιέχει ένα εσωτερικό υγρό πυρήνα και περιβάλλεται από μια πολυμερική μεμβράνη (Couvreur, P et al, 1995). Στην περίπτωση αυτή η δραστική ουσία είναι συνήθως διαλυμένη στον εσωτερικό πυρήνα, μπορεί όμως να είναι και προσροφημένη στην επιφάνεια του σωματιδίου (Allemann, E. et al, 1993). Τα νανοσφαιρίδια συνίστανται από μία πολυμερική μήτρα και η δραστική είναι δυνατόν είτε να προσροφηθεί στην επιφάνεια του σφαιριδίου είτε να ενθυλακωθεί στο εσωτερικό του. Σχήμα 4.7 Πολυμερικά νανοσωματίδια προσκολλημένα σε ερυθρά αιμοσφαίρια και συνεπώς παραμονή τους στην κυκλοφορία για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Τα μή προσκολλημένα νανοσωματίδια απομακρύνονται γρήγορα με την συμβολή του ανοσοποιητικού συστήματος του ανθρώπινου σώματος. (Credit: Image: Mr. Peter Allen, UCSB, Society for Experimental Biology and Medicine) Η ικανότητα και οι ιδιότητα που παρουσιάζουν τα πολυμερικά νανοσωματίδια να αποδίδουν το δραστικό συστατικό που έχει ενθυλακωθεί στο εσωτερικό τους, καθώς και να προσφέρουν προστασία σε αυτό, καθιστά τα νανοσυστήματα ιδιαίτερα επωφελή για την χρήση τους σε εφαρμογές απόδοσης δραστικών ουσιών (Rieux, A et al, L. Brannon-Peppas, 1995), ιδιαίτερα στο γαστρεντερικό σύστημα, όπως 90

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ αναφέρθηκε, όπου οι συνθήκες μπορούν να χαρακτηριστούν ιδιαίτερα δυσμενείς για τις δραστικές ουσίες. Στη συνέχεια θα αναφερθούν τόσο οι κύριες μέθοδοι δημιουργίας νανοσωματιδίων και εκτενέστερα αυτές που αναφέρονται στα πολυμερικά νανοσωματίδια, καθώς οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες των πολυμερικών νανοσωματιδίων. 4.9 Βασικοί μέθοδοι δημιουργίας νανοσωματιδίων Τα νανοσωματίδια πολυμερούς-δραστικής έχουν μελετηθεί εκτενώς ως μοριακοί φορείς σε φαρμακευτικούς και ιατρικούς τομείς, λόγω της δυνατότητας που δίνουν ως συστήματα αποδέσμευσης δραστικών καθώς εμφανίζουν σημαντικές ιδιότητες ελεγχόμενης και άμεσης αποδέσμευσης, υπομοριακό μέγεθος και βιοσυμβατότητα με τον ανθρώπινο ιστό και τα κύτταρα. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δύο δεκαετιών έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι παρασκευής νανοσωματιδίων, οι οποίες ταξινομούνται σύμφωνα με το εάν ο σχηματισμός των σωματιδίων περιλαμβάνει μια αντίδραση πολυμερισμού ή προκύπτει από ένα μακρομόριο ή ένα ήδη προσχηματισμένο πολυμερές (Couvreur, P, et al 1995). Παρακάτω θα αναπτυχθούν οι σημαντικότερες μέθοδοι παρασκευής νανοσωματιδίων, ενώ θα παρουσιαστούν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μεθόδου τα οποία επηρεάζουν εν τέλει και την επιλογή μιας συγκεκριμένης μεθόδου νανοενθυλάκωσης (Pinto Reis Catarina et al, 2006). Ανάλογα με τις φυσικοχημικές ιδιότητες του φαρμάκου υπάρχει η δυνατότητα να επιλεγεί η καλύτερη μέθοδος παρασκευής και το πλέον κατάλληλο πολυμερές για αποτελεσματική νανοενθυλάκωση. Οι διαλύτες που χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία παρασκευής νανοσωματιδίων πρέπει να μην είναι τοξικοί έτσι ώστε να μην υπάρχει κίνδυνος για τον ανθρώπινο οργανισμό. Για την παρασκευή νανοσωματιδίων χρησιμοποιούνται κοινοί διαλύτες όπως ακετόνη, αιθανόλη και χλωροφόρμιο. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να δίνεται αρκετή μέριμνα στο τελικό παρασκεύασμα να μην υπάρχει καθόλου η παρουσία διαλύτη ή να περιορίζεται στο ελάχιστο δυνατό με εξάτμιση. Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για την παρασκευή νανοσωματιδίων οι οποίες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σύμφωνα με το αν απαιτείται αντίδραση πολυμερισμού ή αν χρησιμοποιούνται έτοιμα πολυμερή συνθετικά ή φυσικά. Τα τελευταία χρόνια άρχισαν να εφαρμόζονται και νέες τεχνικές με ψεκασμό διαλύματος 91

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ πολυμερούς-δραστικής που βρίσκεται σε υπερκρίσιμες συνθήκες. Η κατηγοριοποίηση αυτή μπορεί να παρατηρηθεί αναλυτικά παρακάτω: Α) Μέθοδοι όπου απαιτείται αντίδραση πολυμερισμού 1) πολυμερισμός γαλακτώματος i) με χρήση οργανική συνεχόμενη φάση ii) με χρήση υδατικής συνεχόμενης φάσης 2) Διφασικός πολυμερισμός Β) Απευθείας από προσχηματισμένα πολυμερή συνθετικά ή φυσικά Γ) Με ελεγχόμενη διάλυση μακρομορίων Δ) Νέες τεχνικές σχηματισμού νανοσωματιδίων με ψεκασμό-spray drying Στη συνέχεια θα αναλυθούν οι μέθοδοι παρασκευής των πολυμερικών νανοσωματιδίων (ήδη προσχηματισμένα πολυμερή), θα τονιστούν τα πλεονεκτήματα της κάθε τεχνικής Μέθοδοι παρασκευής πολυμερικών νανοσωματιδίων Η χρήση των έτοιμων (προσχηματισμένων) πολυμερών για την παρασκευή νανοσωματιδίων άρχισε να πραγματοποιείται για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα που παρουσιάζονταν σε μεθόδους σχηματισμού νανοσωματιδίων ύστερα από διαδικασία πολυμερισμού. Τα περισσότερα από τα κατάλληλα μονομερή για σχηματισμό μικκυλίων ύστερα από διαδικασία πολυμερισμού σε υδατικό διάλυμα, οδηγούσαν σε αργά βιοαποικοδομήσιμα ή μη βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή. Επιπλέον, η απόδοση της αντίδρασης δεν είναι 100% κι έτσι υπάρχουν μόρια που δεν έχουν αντιδράσει (π.χ. μονομερές, ολιγομερή, τασσενεργό) τα οποία μπορεί να είναι ενδεχομένως τοξικά, απαιτώντας σχολαστικό καθαρισμό του κολλοειδούς υλικού που παράγεται. Προκειμένου να αποφευχθούν αυτοί οι περιορισμοί και οι δυσκολίες αναπτύχθηκαν τεχνικές σχηματισμού νανοσωματιδίων με χρήση προσχηματισμένων πολυμερών Γαλακτωματοποίηση/ εξάτμιση του διαλύτη Η μέθοδος αυτή (emulsification/solvent evaporation) αποτελείται από δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο απαιτεί τη γαλακτωματοποίηση ενός διαλύματος πολυμερούς σε μια υδατική φάση (Εικόνα 4.8). Στο δεύτερο στάδιο ακολουθεί η 92

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ εξάτμιση του διαλύτη στον οποίο είναι διαλυμένο το πολυμερές, εξωθώντας το πολυμερές το οποίο τελικά κατακρημνίζεται με τη μορφή νανοσφαιριδίων. Ένα οργανικό διάλυμα πολυμερούς που περιέχει διαλυμένη την δραστική, διασπείρεται σε σωματίδια μεγέθους νανο-, με χρήση ενός μέσου διασποράς και ομογενοποίηση υψηλής ενέργειας με υπερήχους (sonicator) (Tice TR, and Gilley RM. 1985) σε ένα μη διαλύτη ή μέσο αιώρησης όπως το χλωροφόρμιο ή οξικό αιθυλεστέρα. Το πολυμερές κατακρημνίζεται με την μορφή νανοσφαιριδίων στα οποία η δραστική είναι λεπτά διεσπαρμένη στο δίκτυο της πολυμερικής μήτρας. Ο διαλύτης εξατμίζεται στη συνέχεια με την αύξηση της θερμοκρασίας και ταυτόχρονη πίεση ή με συνεχή ανάδευση (Soppimath KS et al 2001). Το μέγεθος των νανοσωματιδίων μπορεί να ελεγχθεί με ρύθμιση των εξής παραγόντων: ταχύτητα ανάδευσης, τύπος του μέσου διασποράς, ποσότητα του μέσου διασποράς, ιξώδες της οργανικής φάσης, ιξώδες της υδατικής φάσης, θερμοκρασία. Σχήμα 4.8 Σχηματική αναπαράσταση της τεχνικής emulsification/solvent evaporation Αν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί τύποι γαλακτωμάτων, ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα γαλακτώματα ελαίου/ύδατος καθώς χρησιμοποιούν το νερό ως μη διαλύτη κάτι που απλοποιεί τη μέθοδο και την βελτιώνει οικονομικά, καθώς εξαλείφει την ανάγκη για ανακύκλωση (κάποιου διαλύτη), διευκολύνει το στάδιο του καθαρισμού (πλύσης) του δείγματος και ελαχιστοποιεί την εμφάνιση συσσωματωμάτων, γεγονός που λειτουργεί θετικά στην κατεύθυνση της υπό κλίμακα ανάπτυξη της μεθόδου (Aftabrouchard D, and Dorlker E., 1992). Ωστόσο, η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί μόνο στην περίπτωση λιπόφιλων δραστικών ουσιών, ενώ 93

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ οι περιορισμοί έχουν να κάνουν με την υψηλή ενέργεια που απαιτείται για το στάδιο της ομογενοποίησης Εκτόπιση διαλύτη και διεπιφανειακή απόθεση νανοσωματιδίων Η εκτόπιση διαλύτη και η διεπιφανειακή απόθεση είναι παρόμοιες μέθοδοι βασισμένες σε αυθόρμητη μετατροπή σε μορφή γαλακτώματος της οργανικής εσωτερικής φάσης, που περιέχει διαλυμένο πολυμερές, στην υδατική εξωτερική φάση (Σχήμα 4.9). Ωστόσο, με εκτόπιση διαλύτη σχηματίζονται τόσο νανοσφαιρίδια όσο και νανοκάψουλες, ενώ με την τεχνική της διεπιφανειακής απόθεσης μπορούν να σχηματιστούν μόνο νανοκάψουλες. Η εκτόπιση διαλύτη περιλαμβάνει την κατακρήμνιση ενός προσχηματισμένου πολυμερούς από ένα οργανικό διάλυμα και διάχυση του οργανικού διαλύτη στο υδατικό μέσο παρουσία ή όχι ενός επιφανειοδραστικού (Fessi, H et al, Barichello JM et al, Galindo-Rodriguez S et al, Ganachaud F and Katz JL. 2005). Το πολυμερές, διαλύεται σε έναν αναμίξιμο με νερό διαλύτη, μέσης πολικότητας, οδηγώντας έτσι στο σχηματισμό των νανοσφαιριδίων. Το σύστημα αυτό εισέρχεται υπό ανάδευση σε υδατικό διάλυμα το οποίο περιέχει ένα επιφανειοδραστικό ως σταθεροποιητή. Η απόθεση του πολυμερούς στη διεπιφάνεια μεταξύ υδατικής φάσης και οργανικού διαλύτη, που προκαλείται από τη γρήγορη διάχυση του οργανικού διαλύτη, οδηγεί στο στιγμιαίο σχηματισμό ενός κολλοειδούς αιωρήματος (Quintanar- Guerrero D et al, 1998). Σχήμα 4.9 Σχηματική αναπαράσταση της τεχνικής μετατόπισης διαλύτη και διφασικής απόθεσης 94

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Η τεχνική εκτόπισης διαλύτη επιτρέπει την παρασκευή νανοκάψουλων όταν ενσωματώνεται μια μικρή ποσότητα μη τοξικής ελαϊκής φάσης, στην οργανική φάση (Quintanar-Guerrero D et al, 1998). Εξετάζοντας τις βασισμένες σε κάποιο έλαιο κεντρικές κοιλότητες των νανοκαψουλώνν, έχουν αναφερθεί υψηλές αποδόσεις ικανότητας φόρτωσης για λιπόφιλες δραστικές ουσίες, γενικά. Η χρησιμότητα αυτής της απλής τεχνικής περιορίζεται στους αναμίξιμους με νερό διαλύτες, στους οποίους η ταχύτητα διάχυσης είναι αρκετά μεγάλη για να προκαλέσει αυθόρμητη μετατροπή σε μορφή γαλακτώματος. Κατόπιν, ακόμα κι αν μερικοί αναμίξιμοι με νερό διαλύτες παράγουν μια ορισμένη αστάθεια όταν αναμιγνύονται στο νερό, η αυθόρμητη μετατροπή σε μορφή γαλακτώματος δεν παρατηρείται εάν η ταχύτητα συγχώνευσηςένωσης των διαμορφωμένων σωματιδίων είναι αρκετά υψηλή. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται βασικά σε λιπόφιλες δραστικές λόγω της δυνατότητας ανάμιξης του διαλύτη με την υδατική φάση (Barichello, JM et al, 1999) και δεν αποτελεί αποδοτική μέθοδο για την ενθυλάκωση υδατοδιαλυτών φαρμακευτικά δραστικών ουσιών σε νανοκάψουλες. Στην πραγματικότητα, φαντάζει δύσκολο να επιλεχθεί ένα σύστημα δραστικής/ πολυμερούς/διαλύτη/μη διαλύτη στο οποίο να σχηματίζονται νανοσωματίδια με αποτελεσματική ενθυλάκωση δραστικής, καθώς ο διαλύτης και ο μη διαλύτης του πολυμερούς θα πρέπει να είναι αμοιβαία αναμίξιμοι. Η σταδιακή προσθήκη του διαλύματος πολυμερούς στο μη διαλύτη οδηγεί γενικά σε σχηματισμό νανοσφαιριδίων με διάμετρο κοντά στα 200nm. Η διεπιφανειακή απόθεση είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή των νανοκαψουλών εντούτοις, δεν αποτελεί τεχνική πολυμερισμού αλλά τεχνική γαλακτωματοποίησης/στερεοποίησης. Στη μέθοδο αυτή, εισάγεται μια πέμπτη ένωση, ελαιώδους φύσεως, αναμίξιμη με το διαλύτη του πολυμερούς αλλά μη αναμίξιμη με το μίγμα. Το πολυμερές καταβυθίζεται στη διεπιφάνεια μεταξύ των λεπτά διασκορπισμένων ελαιωδών σωματιδίων και της υδατικής φάσης, σχηματίζοντας έτσι τα νανοκάκουλες (Couvreur P, et al 1995). Ως μέσο διασποράς χρησιμοποιείται ένα υδατικό διάλυμα Γαλακτωματοποίηση/διάχυση διαλύτη Η μέθοδος αυτή emulsification/solvent difussion (ESD) προτάθηκε αρχικά στη βιβλιογραφία βασισμένη στη χρήση οργανικών διαλυτών, και αργότερα 95

110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ προσαρμόστηκε στην salting-out διαδικασία (διαδικασία εξαλάτωσης). Το πολυμερές διαλύεται σε έναν μερικώς υδατοδιαλυτό διαλύτη και διαποτίζεται μέχρι κορεσμού με νερό για να εξασφαλιστεί η αρχική θερμοδυναμική ισορροπία και των δύο υγρών. Στην πραγματικότητα, προκειμένου να πραγματοποιηθεί η καταβύθιση του πολυμερούς και ο επακόλουθος σχηματισμός νανοσωματιδίων, είναι απαραίτητο να υποκινηθεί (προκληθεί) η διάχυση του διαλύτη της διασκορπισμένης φάσης, με διάλυση με περίσσεια νερού, όταν ο οργανικός διαλύτης είναι εν μέρει αναμίξιμος με το νερό ή με έναν άλλο οργανικό διαλύτη στην αντίθετη περίπτωση. Στη συνέχεια, η κορεσμένη διαλυτική φάση πολυμερούς-νερού γαλακτωματοποιείται σε ένα υδατικό διάλυμα που περιέχει το σταθεροποιητή, οδηγώντας έτσι στη διάχυση του διαλύτη στην εξωτερική φάση και στο σχηματισμό νανοσφαιριδίων ή νανοκάψουλων, σύμφωνα με την αναλογία ελαίου/πολυμερούς. Τέλος, ο διαλύτης αποβάλλεται είτε με εξάτμιση είτε με χρήση περιστροφικού εξατμιστή υπό πίεση, ανάλογα με το σημείο βρασμού του. Η διαδικασία μπορεί να παρατηρηθεί και σχηματικά παρακάτω (Σχήμα 4.10). Η τεχνική αυτή παρουσιάζει διάφορα πλεονεκτήματα, όπως: υψηλή απόδοση σε ικανότητα ενθυλάκωσης (γενικά 70%), δεν υπάρχει η ανάγκη κατανάλωσης υψηλών ποσών ενέργειας ομογενοποίησης, υψηλή δυνατότητα επαναληψιμότητας από παρτίδα σε παρτίδα, ευκολία εφαρμογής σε μεγάλη κλίμακα, απλότητα, στενή κατανομή μεγέθους νανοσωματιδίων. Σχήμα 4.10 Σχηματική αναπαράσταση της τεχνικής emulsification/solvent diffusion Τα μειονεκτήματα της τεχνικής είναι: η μεγάλη ποσότητα νερού που πρέπει να απομακρυνθεί από το τελικά σχηματιζόμενο αιώρημα, η διαρροή του υδατοδιαλυτού 96

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ φαρμάκου στην κορεσμένη υδατική εξωτερική φάση κατά τη διάρκεια της γαλακτωματοποίησης, κάτι που μειώνει την απόδοση της ενθυλάκωσης. Όπως συμβαίνει και σε άλλες τεχνικές, έτσι και αυτή παρουσιάζει μεγάλη απόδοση στην ενθυλάκωση λιπόφιλων δραστικών (Quintanar-Guerrero D, et al 1998) Εξαλάτωση (salting-out) με συνθετικά πολυμερή Η τεχνική αυτή βασίζεται στο διαχωρισμό ενός αναμίξιμου με νερό διαλύτη από ένα υδατικό διάλυμα, μέσω μιας διαδικασίας εξαλάτωσης. Η μέθοδος μπορεί να θεωρηθεί ως μια παραλλαγή της μεθόδου γαλακτωματοποίησης/διάχυσης διαλύτη. Το πολυμερές και η δραστική διαλύονται αρχικά σε έναν διαλύτη όπως η ακετόνη και στη συνέχεια γαλακτωματοποιούνται σε μια υδατική γέλη που περιέχει τον παράγοντα εξαλάτωσης (ηλεκτρολύτες, όπως το χλωρίδιο του μαγνήσιου, το χλωρίδιο του ασβεστίου και το οξικό άλας του μαγνήσιου, ή μη ηλεκτρολύτες όπως η σουκρόζη) και έναν κολλοειδή σταθεροποιητή όπως πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) ή υδροξυαιθυλοκελλουλόζη. Αυτό το γαλάκτωμα ελαίου/ύδατος διαλύεται με χρήση αρκετής ποσότητας νερού ή υδατικού διαλύματος για να ευνοηθεί η διάχυση της ακετόνης στην υδατική φάση, προκαλώντας κατά συνέπεια το σχηματισμό νανοσφαιριδίων (Σχήμα 4.11). Η επιλογή του παράγοντα εξαλάτωσης είναι σημαντική, επειδή μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην απόδοση της ενθυλάκωσης του φαρμάκου. Ο διαλύτης και ο παράγοντας εξαλάτωσης απομακρύνονται στη συνέχεια με μια διαδικασία διήθησης διασταυρωμένης ροής (cross-flow filtration). Σχήμα 4.11 Σχηματική αναπαράσταση της τεχνικής εξαλάτωσης 97

112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Αυτή η τεχνική που χρησιμοποιείται για την παρασκευή νανοσωματιδίων με πολυμερή PLA, πολυ(μεθακρυλικό) οξύ οδηγεί σε υψηλές αποδόσεις, ενώ μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα σε μεγάλη κλίμακα (Quintanar-Guerrero D, et al 1998). Το κύριο πλεονέκτημα της εξαλάτωσης είναι ότι ελαχιστοποιεί την πιθανή καταπόνηση στις πρωτεϊνικές δραστικές ουσίες που πρόκειται να ενθυλακωθούν (Jung T, et al 2000). Επιπλέον δεν απαιτείται αύξηση της θερμοκρασίας και επομένως μπορεί να φανεί χρήσιμη τεχνική όταν πρόκειται να ενθυλακωθούν θερμοευαίσθητες δραστικές ουσίες (Lambert G, et al 2001). Τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα είναι αποκλειστική εφαρμογή σε λιπόφιλες δραστικές και τα πολλά στάδια πλύσης των νανοσωματιδίων που απαιτούνται (Couvreur P, et al 1995) Παράμετροι μορφοποίησης που έχουν καθοριστικό ρόλο στις ιδιότητες των νανοσωματιδίων Καθώς η πρόσληψη των νανοσωματιδίων από τα κύτταρα του γαστρεντερικού συστήματος, καθορίζεται από το μέγεθος, το μέγεθός τους αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για την τύχη των νανοσωματιδίων χορηγούμενων από το στόμα. Για το λόγο αυτό έχουν εκτενώς μελετηθεί οι παράγοντες που καθορίζουν το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Πολλές μελέτες βασισμένες στην μεταβολή διαφόρων παραγόντων έχουν πραγματοποιηθεί προκειμένου να καθοριστεί ποιοι και σε ποιο βαθμό καθορίζουν το μέγεθος των νανοσωματιδίων, όπως η ένταση και ο χρόνος ομογενοποίησης, η προσθήκη κάποιου εκδόχου στην εσωτερική υδατική φάση, η συγκέντρωση της δραστικής καθώς και η αναλογία ελαϊκής-υδατικής στιβάδας (Dillen K. et al, Govender T. et al, 1999). Επίσης, η παραγωγή των νανοσωματιδίων, γενικά, καθορίζεται από αρκετούς ανεξάρτητους παράγοντες (Hans M.L, and Lowman A.M., 2002). Μία από τις καθοριστικές παραμέτρους είναι ο τύπος του τασσενεργού/ σταθεροποιητή που χρησιμοποιείται. Μία ευρεία γκάμα είτε συνθετικών είτε φυσικών μορίων, με ποικίλλες ιδιότητες, χρησιμοποιούνται προς αυτή την κατεύθυνση (Feng S-S, and Huang G., Hye-Young Kwon, et al Lemoine D, et al Fontana Giacomo et al 1998). Η συγκέντρωση και η φύση του τασσενεργού (Lemoine D., and Preat V., H. Jeffery, et al 1991) επηρεάζει σημαντικά το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Για παράδειγμα δημιουργία νανοσωματιδίων με την 98

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ παρουσία πολυβινυλλικής αλκόολης (PVA) δίνει μεγέθη νανοσωματιδίων μικρότερα σε σχέση με αυτά που προκύπτουν με την χρήση δοδεκυλοσουλφονικού νατρίου (SDS). Επίσης το ποσό του σταθεροποιητή που χρησιμοποιείται επιδρά σε μεγάλο βαθμό στις ιδιότητες των παρασκευασθέντων νανοσωματιδίων. Με μια γενική εκτίμηση υψηλή συγκέντρωση τασσενεργού ουσίας οδηγεί σε ελάττωση του μεγέθους των σωματιδίων. Αν η συγκέντρωση του σταθεροποιητή είναι πολύ χαμηλή, θα έχει ως αποτέλεσμα την συσσωμάτωση των σταγόνων και τελικά θα δημιουργηθούν πολύ λίγα, αν όχι καθόλου, νανοσωματίδια. Εναλλακτικά αν χρησιμοποιηθεί μεγάλη ποσότητα τασσενεργού, αυτό θα έχει ως συνέπεια να ελαττωθεί η ποσότητα της δραστικής που ενθυλακώνεται στο εσωτερικό των πολυμερικών νανοσωματιδίων, εξαιτίας πιθανών αλληλεπιδράσεων μεταξύ του σταθεροποιητή και της δραστικής ουσίας. Παρόλα αυτά αν η συγκέντρωση του τασσενεργού βρίσκεται ανάμεσα στα βέλτιστα όρια τότε ο έλεγχος του μεγέθους των νανοσωματιδίων είναι δυνατός. Για παράδειγμα όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος γαλακτοματοποίησης-εξάτμισης διαλύτη, και η πολυβινυλλική αλκόολη χρησιμοποιείται ως σταθεροποιητής του συστήματος τότε μια αύξηση στην συγκέντρωσή της οδηγεί σε ελάττωση του μεγέθους των σωματιδίων (Lemoine, D. and Preat V., Song C.X. et al, 1997). Το μοριακό βάρος και η συγκέντρωση του πολυμερούς επηρεάζει επίσης σε μεγάλο βαθμό το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Παρόλα αυτά οι διάφορες μελέτες δίνουν αντικρουόμενα αποτελέσματα σε αυτόν τον τομέα. Σε ορισμένες μελέτες παρουσιάζεται το μοριακό βάρος του πολυμερούς να έχει αντίστροφα αποτελέσματα σε σχέση με το μέγεθος των νανοσωματιδίων και την ικανότητα ενθυλάκωσης σε δραστική. Δηλαδή όσο μικρότερο το μοριακό βάρος του πολυμερούς τόσο μικρότερο και το μέγεθος των νανοσωματιδίων και τόσο μικρότερη και η ικανότητα ενθυλάκωσης της δραστικής. Ταυτόχρονα μία αύξηση στην συγκέντρωση του πολυμερούς οδηγεί σε αύξηση της ενθυλάκωσης σε δραστική και ταυτόχρονα σε αύξηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων (Blanco MD and Alonso MJ., Song, C.X. et al Kwon Hye-Young et al 2001). Σε άλλες πάλι ερευνητικές εργασίες αναφέρεται πως όσο υψηλότερο το μοριακό βάρος του πολυμερούς, τόσο μικρότερο και με μικρότερη διασπορά το μέγεθος των νανοσωματιδίων (Zambaux, M.F. et al, 1998). Όταν τα πολυμερικά νανοσωματίδια παρασκευάζονται για μία συγκεκριμένη εφαρμογή απόδοσης φαρμακευτικά δραστικής ουσίας, τότε το μέγεθος των 99

114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ σωματιδίων και η ικανότητα ενθυλάκωσης αποτελούν δύο από τους πιο σημαντικούς παράγοντες. Θα πρέπει δηλαδή να καθορίζεται εξαρχής ο στόχος του συστήματος αποδέσμευσης της δραστικής με την χρήση νανοσωματιδίων, πριν τον προσδιορισμό του επιθυμητού μεγέθους για την εκάστοτε εφαρμογή. Αν για παράδειγμα ο στόχος συνίσταται στην γρήγορη διάλυση της δραστικής στο εσωτερικό του σώματος είτε την αρτηριακή εισαγωγή τότε το μέγεθος των νανοσωματιδίων θα πρέπει να κυμαίνεται στα 100nm ή ακόμα και μικρότερο. Αν πάλι στόχος είναι η παρατεταμένη αποδέσμευση της δραστικής ουσίας ή η στόχευση των σωματιδίων στα φαγοκύτταρα, μεγαλύτερα μεγέθη σωματιδίων στα 800nm περίπου αποτελούν ικανοποιητική τιμή. Οι ιδιότητες της επιφάνειας των νανοσωματιδίων επιδρούν επίσης στην απορρόφηση των νανοσωματιδίων στον οργανισμό. Η υδροφοβικότητα και το φορτίο της επιφάνειας των νανοσωματιδίων καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την χημική σύσταση του πολυμερούς. Η επιφάνεια των νανοσωματιδίων μπορεί να τροποποιηθεί είτε με επικάλυψη είτε με πρόσδεση ενός μορίου που έχει την δυνατότητα να μεταβάλλει τις ιδιότητες της επιφάνειας του νανοσωματιδίου. Ένα ακόμη χαρακτηριστικό των πολυμερικών νανοσωματιδίων που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι το ζ-δυναμικό. Το ζ-δυναμικό αποτελεί μέτρο της φόρτισης των σωματιδίων, και ως τέτοιο όσο μεγαλύτερη η απόλυτη τιμή του ζ- δυναμικού τόσο μεγαλύτερο το φορτίο της επιφάνειας των νανοσωματιδίων. Με μια έννοια το ζ-δυναμικό αντιπροσωπεύει έναν δείκτη της σταθερότητας που παρουσιάζουν τα σωματίδια. Στην περίπτωση των φορτισμένων σωματιδίων, καθώς το ζ-δυναμικό αυξάνεται, οι απωθητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων παρουσιάζονται μεγαλύτερες καταλήγοντας στην δημιουργία ενός πιο σταθερού συστήματος με πιο ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους. Μία φυσικά σταθερή νανοδιασπορά η οποία σταθεροποιείται μόνο από τις απωθητικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων θα έχει ένα ζ-δυναμικό ±30 Mv (Muller, RH et al 2001). Η σταθερότητα είναι απαραίτητα προκειμένου να αποφεύγεται η συσσωμάτωση. Όταν η επιφάνεια των σωματιδίων μεταβάλλεται με την χρήση πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG) τότε επιτυγχάνεται ελάττωση του αρνητικού ζ-δυναμικού και άρα σταθεροποίηση του συστήματος των νανοσωματιδίων. Η ακεραιότητα της δραστικής ουσίας που ενθυλακώνεται στο εσωτερικό του πολυμερικού νανοσωματιδίου επιδρά σαφώς στην βιοδιαθεσιμότητα και την φαρμακευτική δραστικότητα. Πολλοί και διαφορετικοί παράγοντες βελτιώνουν τόσο την ενθυλάκωση όσο και την σταθερότητα μιας δραστικής. Συγκεκριμένα από 100

115 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ διάφορες μελέτες έχει προκύψει πώς τόσο η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η πειραματική διαδικασία και η διάρκεια εξάτμισης του οργανικού διαλύτη δεν μεταβάλλουν τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων αλλά επιδρούν στην ικανότητα και τελικά και στο ποσοστό ενθυλάκωσης της δραστικής (Zambaux, M.F. et al 1998). Αποδείχθηκε πως η διάρκεια εξάτμισης του οργανικού διαλύτη θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο σύντομη, όπως επίσης και η διαδικασία παρασκευής των νανοσωματιδίων θα πρέπει να πραγματοποιείται στους 0 C ώστε να ελαχιστοποιηθεί ακόμα και η πιθανότητα διάσπασης της δραστικής (ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα ευαίσθητα μόρια όπως π.χ. πρωτεΐνες, νουκλεϊνικά οξέα). Τέλος ένας παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων είναι η τελική διαδικασία της λυοφιλοποίησης. Έχει αναφερθεί σε διάφορες μελέτες πως πρόσθετα όπως διάφορα σάκχαρα είναι απαραίτητα για την προστασία των νανοσωματιδίωνν κατά την διάρκεια της διαδικασίας της λυοφιλοποίησης (Chacon M et al. 1999). Τα σάκχαρα αυτά πιθανά να λειτουργούν ως μια μορφή μήτρας για την διατήρηση της απόστασης μεταξύ των νανοσωματιδίων και με αυτόν τον τρόπο να προλαμβάνεται η συσσωμάτωση. Ακριβώς λόγω της πιθανότητας συσσωμάτωσης, η διαδικασία της λυοφιλοποίησης μπορεί εν δυνάμει να επηρεάσει το βέλτιστο μέγεθος που θα πρέπει να παρουσιάζουν τα νανοσωματίδια και συνεπώς την συμπεριφορά απελευθέρωσης της δραστικής από τα σωματίδια και επομένως την φαρμακοκινητική συμπεριφορά της δραστικής (Saez A. et al 2000) Μηχανισμοί ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμάκου από πολυμερικούς νανοφορείς Υπάρχουν τρεις πρωταρχικοί μηχανισμοί με τους οποίους οι ενεργοί παράγοντες, δραστικές φαρμακευτικές ουσίες, μπορούν να αποδεσμευθούν από ένα σύστημα διανομής με τους εξής τρόπους: Διάχυση Διάσπαση Διόγκωση ακολουθούμενη από διάχυση Οποιοσδήποτε από αυτούς τους μηχανισμούς ή και όλοι, μπορούν να συμβούν σε ένα δεδομένο σύστημα αποδέσμευσης. Η διάχυση συμβαίνει όταν μια δραστική φαρμακευτική ουσία ή άλλος ενεργός παράγοντας περνά διαμέσου του πολυμερούς το οποίο συνθέτει τον μηχανισμό ελέγχου απελευθέρωσης. Η διάχυση μπορεί να 101

116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ συμβεί σε μακροσκοπικό επίπεδο, διαμέσου των πόρων της πολυμερικής μήτρας ή σε μοριακό επίπεδο, περνώντας μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων. Παραδείγματα συστημάτων απελευθέρωσης με διάχυση, δίνονται στο Σχήμα 4.12 και Σχήμα Σχήμα 4.12 Αποδέσμευση δραστικής από ένα τυπικό σύστημα μήτρας Στο Σχήμα 4.12, ένα πολυμερές και μία δραστική ουσία έχουν αναμειχθεί και έχουν σχηματίσει ένα ομογενές σύστημα, το οποίο επίσης αναφέρεται και ως σύστημα μήτρας. Η διάχυση λαμβάνει χώρα όταν η δραστική ουσία περνάει από την πολυμερική μήτρα στο εξωτερικό περιβάλλον. Όσο η αποδέσμευση συνεχίζεται, ο βαθμός της μειώνεται κανονικά σε αυτού του τύπου τα συστήματα, μιας και ο ενεργός παράγοντας, δραστική ουσία, έχει προοδευτικά μεγαλύτερη απόσταση να διανύσει και έτσι απαιτεί μεγαλύτερο χρόνο διάχυσης για να απελευθερωθεί. Για τα συστήματα τροφοδότησης (reservoir) που βλέπουμε στο Σχήμα 4.13α και 4.13β, ο βαθμός αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας μπορεί να παραμείνει αρκετά σταθερός. Σε αυτόν τον σχεδιασμό, ένα reservoir (είτε πρόκειται για στερεό φάρμακο, αραιό διάλυμα ή διάλυμα υψηλής συγκεντρώσεως φαρμάκου μέσα σε πολυμερική μήτρα) περιβάλλεται από ένα φιλμ ή μια μεμβράνη ενός υλικού που ελέγχει τον βαθμό απελευθέρωσης. Η μόνη δομή που περιορίζει αποτελεσματικά την απελευθέρωση της δραστικής είναι το πολυμερικό στρώμα που περιβάλει το reservoir. Εφόσον αυτό το πολυμερικό επίστρωμα είναι ουσιαστικά ομοιόμορφο και το πάχος του δεν αλλάζει, ο βαθμός διάχυσης του ενεργού παράγοντα μπορεί να διατηρηθεί αρκετά σταθερός καθ όλη τη διάρκεια ζωής του συστήματος αποδέσμευσης. Το σύστημα που βλέπουμε στο Σχήμα 4.13α είναι αντιπροσωπευτικό reservoir ενός εμφυτεύσιμου ή από του στόματος χορήγησης συστήματος απελευθέρωσης, ενώ το σύστημα στο Σχήμα 4.13β απεικονίζει ένα επιδερμικό 102

117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ σύστημα αποδέσμευσης, στο οποίο η αποδέσμευση μπορεί να γίνει μόνο από μια πλευρά Σχήμα 4.13 Απελευθέρωση φαρμάκου από ένα τυπικό σύστημα reservoir α) εμφυτεύσιμο ή στοματικό σύστημα, β) επιδερμικό σύστημα Όταν ο ενεργός παράγοντας, δραστική ουσία, απελευθερωθεί στο εξωτερικό περιβάλλον, μπορεί κάποιος να υποθέσει ότι ο έλεγχος πάνω στην αποδέσμευση της δραστικής έχει ολοκληρωθεί. Εντούτοις, αυτό δεν ισχύει πάντα. Για την επιδερμική διάδοση της δραστικής η διείσδυση του φαρμάκου διαμέσου του δέρματος αποτελεί μια πρόσθετη σειρά βημάτων διάχυσης και ενεργού μεταφοράς. Για τα συστήματα ελεγχόμενης διάχυσης που περιγράφηκαν μέχρι στιγμής, η συσκευή απελευθέρωσης, πολυμερική μήτρα, της δραστικής ουσίας είναι πλήρως σταθερή στο βιολογικό περιβάλλον και δεν αλλάζει το μέγεθος της είτε μέσω της διόγκωσης είτε μέσω της διάσπασης. Σε αυτά τα συστήματα οι συνδυασμοί πολυμερικών μητρών και βιοενεργών παραγόντων που επιλέγονται, πρέπει να επιτρέπουν την διάχυση της δραστικής διαμέσου των πόρων και η μακρομοριακή δομή του πολυμερούς κατά την εισαγωγή του συστήματος απελευθέρωσης μέσα στο βιολογικό περιβάλλον δεν πρέπει να υποστεί οποιαδήποτε αλλαγή Συστήματα ανταποκρινόμενα στο περιβάλλον Είναι επίσης πιθανό για ένα σύστημα αποδέσμευσης μιας δραστικά φαρμακευτικής ουσίας, να σχεδιασθεί έτσι ώστε να είναι ανίκανο να απελευθερώσει τον ενεργό παράγοντα (έναν ή και περισσότερους) μέχρις να βρεθεί σε ένα κατάλληλο βιολογικό περιβάλλον. Τα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης που 103

118 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ διογκώνονται είναι αρχικά στεγνά, ενώ όταν εισέλθουν στο σώμα, θα απορροφήσουν νερό ή άλλα σωματικά υγρά και θα διογκωθούν. Η διόγκωση αυξάνει τόσο το υδατικό διάλυμα μέσα στο σκεύασμα όσο και το μέγεθος του πολυμερικού πλέγματος, επιτρέποντας στο φάρμακο να διαχυθεί διαμέσου του διογκωμένου πλέγματος στο εξωτερικό περιβάλλον (Couvreur, P., et al, Couvreur, P. & Vauthier, Orive, G., et al, Rawat, M., et al, 2006). Παραδείγματα αυτού του τύπου των σκευασμάτων παρατίθενται στο Σχήμα 4.14α και 4.14β για συστήματα reservoir και μήτρας, αντιστοίχως. Τα περισσότερα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης με διόγκωση είναι βασισμένα σε υδρογέλες, δηλαδή πολυμερή τα οποία θα διογκωθούν χωρίς να διαλυθούν όταν θα τοποθετηθούν σε νερό ή άλλα βιολογικά υγρά. Οι υδρογέλες αυτές μπορούν να απορροφήσουν μεγάλη ποσότητα υγρών και σε ισορροπία συνήθως αποτελούνται από 60-90% υγρά και μόλις 10-30% πολυμερές. Σχήμα 4.14 Αποδέσμευση φαρμάκου από α) reservoir και β) μήτρα με διόγκωση του συστήματος απελευθέρωσης Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα και χρήσιμα, χαρακτηριστικά της ικανότητας διόγκωσης των πολυμερών, γίνεται φανερό όταν αυτή η διόγκωση μπορεί να ενεργοποιηθεί από μια αλλαγή που θα συμβεί στο περιβάλλον γύρο από το σύστημα αποδέσμευσης. Εξαρτώμενη πάντα από το πολυμερές, η περιβαλλοντική αυτή αλλαγή μπορεί να σχετίζεται με το ph, τη θερμοκρασία ή την ιονική ισχύ, και το σύστημα μπορεί είτε να συρρικνωθεί είτε να διογκωθεί σύμφωνα με κάποια αλλαγή σε 104

119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ οποιονδήποτε από αυτούς τους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Στο Σχήμα 4.15 παριστάνονται οι βασικές αλλαγές στη δομή αυτών των ευαίσθητων συστημάτων. Για αυτόν τον τύπο συστήματος, η αποδέσμευση ολοκληρώνεται μόνο όταν διογκώνεται το πολυμερές. Επειδή πολλά από τα ενδεχομένως πιο χρήσιμα, ευαίσθητα στο ph πολυμερή, διογκώνονται σε υψηλές τιμές ph και συρρικνώνονται σε χαμηλές τιμές, η ενεργοποίηση της αποδέσμευσης του φαρμάκου γίνεται κατά την αύξηση του ph στο περιβάλλον. Τέτοια υλικά είναι ιδανικά για συστήματα από του στόματος χορήγησης δραστικών ουσιών στα οποία το φάρμακο δεν απελευθερώνεται στις χαμηλές τιμές ph που συναντώνται στο στομάχι αλλά στις υψηλές τιμές ph του άνω λεπτού εντέρου. Σχήμα 4.15 Αποδέσμευση φαρμάκου από σύστημα ευαίσθητο σε περιβαλλοντικές αλλαγές 4.14 Βιοαποικοδομήσιμα συστήματα Όλα τα συστήματα που περιγράφηκαν ως τώρα είναι βασισμένα σε πολυμερή τα οποία δεν αλλάζουν τη χημική τους δομή ανεξάρτητα από το ότι μπορεί να συμβαίνει κατά τη διόγκωση. Ωστόσο, μεγάλη προσοχή και έρευνα συγκεντρώνεται στα βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή. Αυτά τα υλικά διασπώνται μέσα στο σώμα ως αποτέλεσμα μιας φυσικής βιολογικής διαδικασίας, απαλείφοντας την ανάγκη απομάκρυνσης ενός συστήματος διάδοσης φαρμάκου όταν η απελευθέρωση του ενεργού παράγοντα έχει ολοκληρωθεί (Soppimatha, K. et al 2001). Τα περισσότερα βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή σχεδιάζονται έτσι ώστε να διασπώνται ως αποτέλεσμα υδρόλυσης των πολυμερικών αλυσίδων σε βιολογικά αποδεκτές και προοδευτικά μικρότερες ενώσεις. Σε μερικές περιπτώσεις (π.χ. πολυγαλακτικό οξύ, πολυγλυκολικό οξύ και τα συμπολυμερή τους) τα πολυμερή θα διασπαστούν τελικά σε γαλακτικό οξύ και σε γλυκολικό οξύ και θα εισαχθούν στο κύκλο του Krebs, ώστε να διασπαστούν περαιτέρω σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό 105

120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΒΙΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΟΥΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΕΣ ΩΣ ΦΟΡΕΙΣ ΦΑΡΜΑΚΩΝ και να απεκκριθούν διαμέσου της κανονικής διαδικασίας. Η αποικοδόμηση μπορεί να λάβει χώρα διαμέσου μιας υδρόλυσης σε όλο τον όγκο, κατά την οποία το πολυμερές διασπάται με τρόπο αρκετά ομοιόμορφο σε όλη την μήτρα, όπως γίνεται εμφανές στο Σχήμα 4.16α. Σε κάποια αποικοδομήσιμα πολυμερή, κυρίως πολυανυδρίτες και πολυ(όρθο εστέρες), η αποικοδόμηση πραγματοποιείται μόνο στην επιφάνεια του πολυμερούς, έχοντας ως αποτέλεσμα έναν βαθμό απελευθέρωσης ανάλογο με την επιφάνεια του συστήματος απελευθέρωσης (Σχήμα 4.16β) (Orive, G. et al, 2004). Σχήμα 4.16 Αποδέσμευση φαρμάκου από α) μαζικά και β) επιφανειακά βιοαποικοδομήσιμα συστήματα Η πιο συνηθισμένη μορφή αυτών των βιοαποικοδομήσιμων υλικών είναι αυτή των μικρο- και νανο-σωματιδίων, τα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί σε από του στόματος συστήματα αποδέσμευσης και ακόμη πιο συχνά σε υποδόρια ενέσιμα συστήματα αποδέσμευσης. Αυτά τα σωματίδια θα αποικοδομηθούν διαμέσου μαζικής υδρόλυσης στο νερό ή στα υγρά του σώματος, αποδίδοντας τμήματα πολυμερούς καθ όλη τη διάρκεια. 106

121 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ ΑΡΧΕΣ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ 5.1 Γενικά Για τον χαρακτηρισμό των συστημάτων στερεής διασποράς, των πολυεστέρων που συντέθηκαν καθώς και των νανοσωματιδίων που παρασκευάστηκαν, χρησιμοποιήθηκαν τόσο φυσικοχημικές όσο και φαρμακοτεχνικές μέθοδοι ελέγχου. Στο σημείο αυτό κρίνεται σκόπιμο να παρατεθούν συνοπτικά οι αρχές λειτουργίας των κυριότερων μεθόδων χαρακτηρισμού. Οι μέθοδοι που περιγράφονται είναι οι ακόλουθες: 107

122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ Περίθλαση ακτίνων Χ (XRD). Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). Φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourrier (FTIR). Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC). Ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM, TEM). 5.2 Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD) Εισαγωγή στην περίθλαση πολυκρυσταλλικής σκόνης Περίπου το 95% όλων των στερεών υλικών μπορεί να χαρακτηριστεί κρυσταλλικό. Όταν ακτίνες Χ (μήκος κύματος 0,5 έως 2,5 Å) αλληλεπιδράσουν με ένα κρυσταλλικό συστατικό (φάση), λαμβάνεται το διάγραμμα περίθλασης. Κάθε συστατικό δίνει πάντα το ίδιο διάγραμμα και σε μίγμα διαφόρων συστατικών, το καθένα δίνει το αντίστοιχο διάγραμμα ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα. Συνεπώς, το διάγραμμα περίθλασης ακτίνων Χ μιας καθαρής ουσίας αποτελεί ένα είδος δακτυλικού αποτυπώματός της. Έτσι, η μέθοδος περίθλασης σκόνης είναι ιδανική για το χαρακτηρισμό και την ταυτοποίηση πολυκρυσταλλικών φάσεων. Σήμερα περίπου ανόργανα και οργανικά διαγράμματα περίθλασης κρυσταλλικών φάσεων απλών συστατικών έχουν συλλεγεί και αποθηκευτεί σε μαγνητικούς ή οπτικούς δίσκους ως πρότυπα. Η κύρια χρήση της περίθλασης σκόνης είναι η ταυτοποίηση των συστατικών σε ένα δείγμα μέσω μιας διαδικασίας έρευνας και συνταιριασμού με γνωστά υλικά. Επιπροσθέτως, το εμβαδόν κάτω από τις κορυφές σχετίζεται με την ποσότητα της κάθε φάσης παρούσας στο δείγμα. Η εργασία περίθλασης ακτίνων Χ διακρίνεται σε μονοκρυσταλλικές εφαρμογές και σε πολυκρυσταλλικές ή σκόνης εφαρμογές. Το μονοκρυσταλλικό δείγμα είναι ένας τέλειος κρύσταλλος (όλες οι κυψελίδες είναι ευθυγραμμισμένες κατά έναν άψογα εκτεταμένο τρόπο) με διατομή περίπου 0,3 mm. Το περιθλασίμετρο μονοκρυστάλλου και το σχετιζόμενο υπολογιστικό πακέτο χρησιμοποιείται κυρίως για τη διευκρίνιση της μοριακής δομής νέων μορίων, είτε φυσικών προϊόντων ή συνθετικών ενώσεων. Η περίθλαση σκόνης χρησιμοποιείται κυρίως για την ταυτοποίηση (κάθε διάγραμμα περίθλασης αποτελεί είδος δακτυλικού αποτυπώματος του υλικού) διαφόρων στερεών υλικών, π.χ. αμίαντου, χαλαζία. Στην πολυκρυσταλλική περίθλαση είναι σημαντικό το δείγμα να έχει λεία επίπεδη επιφάνεια. 108

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ Σχήμα 5.1 Σχηματική αναπαράσταση ενός γωνιομέτρου Bragg-Brentano δύο κύκλων θ:2θ με κοινό άξονα στροφής, τον άξονα του περιθλασίμετρου (επάνω). Αυτόματο περιθλασίμετρο σκόνης Bragg-Brentano δύο κύκλων θ:2θ STADI P της εταιρείας STOE (κάτω), το οποίο συνδυάζει και περιθλασίμετρο διερχόμενης δέσμης (transmission diffractometer). Εάν είναι δυνατόν, συνήθως το δείγμα αλέθεται ώστε να σχηματιστούν σωματίδια διατομής περίπου 0,002 με 0,005 mm. Το ιδανικό δείγμα είναι ομογενές και οι κρυσταλλίτες κατανέμονται τυχαία (Απόκλιση από αυτή την ιδανική κατάσταση δημιουργεί προβλήματα). Το δείγμα πιέζεται στην ειδική τράπεζα συγκράτησης του δείγματος, ώστε να έχουμε μία λεία και επίπεδη επιφάνεια. Ιδεωδώς έχουμε μία τυχαία κατανομή όλων των επιπέδων h, k, l. Μόνο κρυσταλλίτες οι οποίοι έχουν επίπεδα ανάκλασης (h, k, l) παράλληλα με την επιφάνεια του δείγματος θα συνεισφέρουν στις ανακλώμενες εντάσεις. Εάν έχουμε ένα πραγματικά τυχαία κατανεμημένο δείγμα, σε κάθε πιθανή ανάκλαση από μία συγκεκριμένη ομάδα επιπέδων h, k, l θα συνεισφέρει ίσος αριθμός κρυσταλλιτών σε αυτήν. Το μόνο που μένει είναι να στραφεί το δείγμα ώστε να μεταβληθεί η προσπίπτουσα γωνία θ και να προκύψουν όλες οι πιθανές ανακλάσεις. 109

124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ Εφαρμογές Στο συγκεκριμένο σημείο κρίνεται σκόπιμο να αναφερθούν οι εφαρμογές στα πολυμερή, αφού όλη η διατριβή πραγματεύεται πολυμερικά συστήματα. Αναλύονται οι ακόλουθες εφαρμογές: Ταυτοποίηση: Η πιο συνηθισμένη χρήση της περίθλασης σκόνης (πολυκρυσταλλική) είναι η χημική ανάλυση. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει ταυτοποίηση φάσεως (έρευνα/συνταιριασμός), εξέταση φάσεων υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας, στερεά διαλύματα και προσδιορισμοί παραμέτρων κυψελίδας νέων υλικών. Κρυσταλλικότητα πολυμερών: Ένα πολυμερές μπορεί να θεωρηθεί εν μέρει κρυσταλλικό και εν μέρει άμορφο. Οι κρυσταλλικές περιοχές δρουν ως ένα ενισχυτικό πλέγμα και βελτιώνουν την επίδοση σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Εν τούτοις, υπερβολικά μεγάλη κρυσταλλικότητα προκαλεί ευθραυστότητα. Τα κρυσταλλικά μέρη δίνουν οξείες και στενές κορυφές περίθλασης και το άμορφο συστατικό δίνει μία πολύ ευρεία κορυφή (άμορφη άλως, halo). Η αναλογία μεταξύ των δύο αυτών εντάσεων (το εμβαδόν του μέρους κάτω από τις κορυφές) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί το ποσοστό κρυσταλλικότητας του υλικού (σχήμα 5.7). Μέγεθος του κρυσταλλίτη και μικροδομή: Τα μέγιστα της περίθλασης είναι πιο πλατιά (πιο διαχυμένα) στα πολυμερή παρά στις μικρού μοριακού βάρους ενώσεις. Η διεύρυνση αυτή είναι συνήθως συνυφασμένη με τη μείωση του μεγέθους του κρυσταλλίτη, η οποία έχει ως αποτέλεσμα περισσότεροι κρυσταλλίτες να ικανοποιούν της εξίσωση Bragg και ο ακτινικός προσανατολισμός αυτών να καλύπτει ευρύτερο φάσμα γωνιών. Στα πολυμερή οι κρυσταλλίτες είναι της τάξης των 100 Å σε πάχος. Η διεύρυνση των κορυφών περίθλασης λόγω του μικρού μεγέθους των κρυσταλλιτών αποκτά σημαντική σημασία και το εύρος των γραμμών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρηθεί το πάχος των λαμελλών (lamellar) σε πολυμερικούς κρυσταλλίτες χρησιμοποιώντας την εξίσωση Scherrer: (7.4) όπου Κ είναι μία σταθερά η οποία εξαρτάται από το σχήμα του κρυσταλλίτη (θεωρείται συνήθως Κ=0,9 όταν το σχήμα είναι άγνωστο), λ είναι το μήκος κύματος της ακτίνας Χ, Β είναι το μέσο εύρος στο μισό ύψος της κορυφής περίθλασης σε rad 110

125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ και θ είναι το μισό της γωνίας περίθλασης. Η διεύρυνση των κορυφών στα πολυμερή μπορεί να οφείλεται και σε ατέλειες στην δομή του πολυμερούς. Το εύρος σχετίζεται επίσης και με το εύρος της χαρακτηριστικής γραμμής του φάσματος της ακτινοβολίας και στο όργανο μέτρησης, που καθορίζει τις γεωμετρικές συνθήκες της έκθεσης. 5.3 Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) Εισαγωγή Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) αποτελεί πιθανότατα την χρησιμότερη φασματοσκοπική τεχνική και είναι η πρώτη μέθοδος προσδιορισμού της δομής των μορίων στην οποία στρεφόμαστε για την άντληση πληροφοριών. Η μέθοδος αυτή παρέχει έναν χάρτη του όλου ανθρακικού σκελετού με τα υδρογόνα σε ένα οργανικό μόριο. Το μεγάλο εύρος των μακρομορίων φυσικών και συνθετικών μπορεί να μελετηθεί σε βάθος με την βοήθεια της φασματοσκοπίας NMR, κυρίως 1 Η και 13 C Αρχή της μεθόδου Πολλά είδη πυρήνων συμπεριφέρονται σαν να περιστρέφονται γύρω από κάποιον άξονα και, δεδομένου ότι είναι θετικά φορτισμένοι, λειτουργούν ως μικροσκοπικοί μαγνήτες, όντας ικανοί να αλληλεπιδράσουν με εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, Ho. Την συμπεριφορά αυτή την εκδηλώνουν μόνο οι πυρήνες με περιττό αριθμό πρωτονίων (π.χ. 1 Η, 19 F, 31 P) και όλοι οι πυρήνες με περιττό αριθμό νετρονίων, όπως ο 13 C. Απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου τα πυρηνικά σπιν των μαγνητικών πυρήνων προσανατολίζονται κατά τυχαίο τρόπο. Όταν όμως τοποθετηθούν ανάμεσα στους πόλους ισχυρού μαγνήτη, οι πυρήνες αποκτούν συγκεκριμένους προσανατολισμούς, όπως η βελόνα της πυξίδας προσανατολίζεται προς το μαγνητικό πεδίο της Γης. Το εξαιρετικά μικρό μαγνητικό πεδίο του περιστρεφόμενου πυρήνα μπορεί να διαταχθεί είτε παράλληλα είτε αντιπαράλληλα προς το εξωτερικό πεδίο. Ο παράλληλος προσανατολισμός αντιστοιχεί στη χαμηλότερη ενέργεια ευνοώντας αυτή την κατάσταση του σπιν έναντι του αντιπαράλληλου προσανατολισμού. Χαρακτηριστικό είναι το σχήμα 5.2 όπου απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (α), τα πυρηνικά σπιν προσανατολίζονται τυχαία, ενώ με την εφαρμογή ενός τέτοιου πεδίου (β) αποκτούν συγκεκριμένο προσανατολισμό. Τα κόκκινα σπιν είναι διατεταγμένα παράλληλα προς το εξωτερικό 111

126 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ πεδίο (Η 0 ) ενώ τα κυανά είναι διατεταγμένα αντιπαράλληλα (μεγαλύτερη ενέργεια). Αν οι προσανατολισμένοι πυρήνες ακτινοβοληθούν με κατάλληλης συχνότητας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, λαμβάνει χώρα απορρόφηση ενέργειας και η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας αλλάζει φορά προς την κατάσταση υψηλότερης ενέργειας (αναστροφή σπιν) Σε αυτή την κατάσταση οι πυρήνες αναφέρεται ότι έχουν συντονιστεί με την εφαρμοζόμενη ακτινοβολία, εξ ου και ο όρος πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός. Σχήμα 5.2 Προσανατολισμός πυρηνικών spin. Η ακριβής συχνότητα που απαιτείται για το συντονισμό εξαρτάται από την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και από το είδος και το περιβάλλον του πυρήνα. Ισχυρότερο πεδίο αυξάνει την ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο καταστάσεων του σπιν και απαιτείται ακτινοβολία υψηλότερης συχνότητας για να επιτευχθεί η αναστροφή. Το αντίθετο συμβαίνει με ασθενέστερο πεδίο. Ακόμα, όλοι οι πυρήνες περιβάλλονται από ηλεκτρόνια, τα οποία δημιουργούν τα δικά τους μικροσκοπικά τοπικά μαγνητικά πεδία με την εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και δρουν αντίθετα προς το εφαρμοζόμενο πεδίο, με αποτέλεσμα το πραγματικό εφαρμοζόμενο πεδίο στον πυρήνα να είναι λίγο μικρότερο από το εξωτερικό. Με λίγα λόγια οι πυρήνες προστατεύονται από την επίδραση του εφαρμοζόμενου πεδίου λόγω των ηλεκτρονίων που τους περιβάλλουν. Λόγω του διαφορετικού ηλεκτρονιακού περιβάλλοντος κάθε συγκεκριμένου πυρήνα ενός μορίου, το πραγματικό εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο δεν είναι το ίδιο για κάθε πυρήνα. Οι μικροδιαφορές αυτές του πραγματικά εφαρμοζόμενου πεδίου γίνονται αισθητές από το όργανο του NMR, οπότε λαμβάνεται διαφορετικό σήμα NMR για κάθε χημικά διακριτό πυρήνα και χαρτογραφείται αποτελεσματικά το δίκτυο σύνδεσης των 112

127 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ διαφόρων ατόμων, που εκδηλώνουν μαγνητικές ιδιότητες, του μορίου. Στην πράξη, χρησιμοποιούνται πεδία μεταξύ 1,41 και 4,7Τ, αν και μερικές φορές χρησιμοποιούνται υπεραγώγιμοι μαγνήτες που δημιουργούν εξαιρετικά ισχυρά πεδία, μέχρι 14,1T. Για μαγνητικό πεδίο ισχύος 1,41Τ, απαιτείται ενέργεια ραδιοσυχνότητας (rf) γύρω στα 60 MHz, για να συντονιστεί ένας πυρήνας 1 Η, και της τάξης των 15 ΜΗz για τον συντονισμό ενός πυρήνα 13 C Φασματόμετρο NMR Η αρχή λειτουργίας ενός φασματομέτρου NMR απεικονίζεται στο σχήμα 5.3. Ένα οργανικό δείγμα διαλύεται στον κατάλληλο διαλύτη (συνήθως δευτεριωμένο χλωροφόρμιο, CDCl 3 ) και τοποθετείται σε έναν λεπτό γυάλινο σωλήνα, ανάμεσα στους πόλους ενός μαγνήτη. Το ισχυρό μαγνητικό πεδίο αναγκάζει τους πυρήνες του 1 Η και 13 C να ευθυγραμμισθούν με κάποιον από τους δύο δυνατούς προσανατολισμούς και το δείγμα ακτινοβολείται με ακτινοβολία rf. Σχήμα 5.3 Σχηματική λειτουργία ενός φασματομέτρου NMR Εάν η συχνότητα αυτής της ακτινοβολίας παραμείνει σταθερή, ενώ η ισχύς του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου μεταβάλλεται, κάθε πυρήνας συντονίζεται σε ελαφρώς διαφορετική ισχύ πεδίου. Ένας ευαίσθητος ανιχνευτής καταγράφει την απορρόφηση της ενέργειας rf και στη συνέχεια το ηλεκτρονικό σήμα ενισχύεται και εμφανίζεται ως κορυφή στον καταγραφέα. Η διεργασία NMR απαιτεί χρόνους περίπου 10-3s. Τα φάσματα NMR αποτυπώνονται σε γραφήματα, που εμφανίζουν την ισχύ του εφαρμοζόμενου πεδίου να αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά. Το αριστερό 113

128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ τμήμα του γραφήματος είναι η πλευρά χαμηλού πεδίου (downfield) και το δεξιό η πλευρά υψηλού πεδίου (upfield). Η θέση της απορρόφησης προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας κάποιο σημείο αναφοράς. Στην πράξη, προστίθεται μικρή ποσότητα τετραμεθυλοσιλανίου [TMS, (CH 3 ) 4 Si], το οποίο τόσο στις μετρήσεις του 1 Η, όσο και του 13 C, εμφανίζει μία μόνο κορυφή σε υψηλότερο πεδίο από τις περισσότερες οργανικές ενώσεις. Η θέση στο γράφημα στην οποία ένας πυρήνας απορροφά ονομάζεται χημική μετατόπιση, και ορίζεται σε σχέση με την χημική μετατόπιση του TMS η οποία θεωρείται κατά σύμβαση ως ίση με το μηδέν. Οι απορροφήσεις NMR εκφράζονται με σχετικούς όρους ώστε να καθίσταται δυνατές οι συγκρίσεις φασμάτων από διαφορετικά όργανα (όπως προαναφέρθηκε, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου επηρεάζει την τιμή της ακριβούς συχνότητας που απαιτείται για τον συντονισμό). Χρησιμοποιείται μια αυθαίρετη κλίμακα, η οποία ονομάζεται κλίμακα δέλτα. Μία μονάδα δέλτα (δ) ισούται με 1 μέρος στο εκατομμύριο (ppm) της συχνότητας λειτουργίας του φασματομέτρου. Π.χ. σε όργανο που λειτουργεί στα 60 MHz, 1 δ θα ισούται με 60 Hz. Συνεπώς, χρησιμοποιώντας όργανο μεγάλης ισχύος πεδίου είναι προφανές ότι οι διαφορετικές απορροφήσεις NMR εμφανίζονται καλύτερα διαχωρισμένες Προσδιορισμός της δομής των πολυμερών με την βοήθεια του NMR Επειδή το εύρος των χημικών μετατοπίσεων στα φάσματα 1 Η NMR είναι ~ 15 ppm, ενώ στα φάσματα 13 C NMR είναι ~ 250 ppm και επειδή η κατανομή των χημικών μετατοπίσεων των ατόμων άνθρακα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στη στερεοχημεία των ατόμων άνθρακα (επίδραση του υποκαταστάτη σε γ-θέση), η φασματοσκοπία 13 C NMR προσφέρεται περισσότερο για τη μελέτη της δομής των πολυμερών, ιδιαίτερα όταν υπάρχει ατακτική διάταξη των ομάδων τους. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι η φασματοσκοπία 1 Η NMR δεν έχει εφαρμογή στο συγκεκριμένο πεδίο. Όταν το πολυμερές δεν είναι διαλυτό σε CDCl 3, έστω και με μικρή θέρμανση μέχρι τους o C, χρησιμοποιείται άλλος, κατάλληλος διαλύτης. Συνήθως τα φάσματα αυτά μετριούνται σε ψηλή θερμοκρασία για να διαλυθεί καλά το δείγμα και να πάρουμε οξείες κορυφές λόγω ταυτόχρονης ελάττωσης του ιξώδους του διαλύματος. Φροντίζουμε ο διαλύτης να μην παρουσιάζει κορυφές κοντά στην περιοχή που δίνει κορυφές η μελετούμενη ένωση. Έτσι, για τα βινυλοπολυμερή χωρίς αρωματικό δακτύλιο, σαν διαλύτες χρησιμοποιούνται συνήθως χλωροπαράγωγα του βενζολίου (π.χ. 1,2,4-τριχλωροβενζόλιο), που συνδυάζουν την μεγάλη διαλυτική 114

129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ ικανότητα, το ψηλό σημείο βρασμού, το χαμηλό ιξώδες και την εμφάνιση κορυφών χαμηλής έντασης στην περιοχή των αρωματικών ανθράκων. Το DMSO-d6 έχει το μειονέκτημα ότι είναι ασταθές σε θερμοκρασίες πάνω από 100 Ο C, έχει αυξημένο ιξώδες και παρουσιάζει επταπλή κορυφή στα 39,5 ppm, κοντά σε σήματα κορεσμένων ανθράκων. Για βαθμολόγηση της κλίμακας σε μεγάλες θερμοκρασίες δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το TMS, αλλά την μεσαία κορυφή του σήματος του CDCl 3 (77,05 ppm) ή ένα σήμα από τον διαλύτη που χρησιμοποιούμε. Τα διάφορα πεδία μελέτης κυμαίνονται στα εξής: Εύρεση της σύστασης ενός συμπολυμερούς. Εύρεση της ακολουθίας των μονομερών (σύνδεση κεφαλής-κεφαλής, ουράς-ουράς, κεφαλής-ουράς ή ουράς-κεφαλής, κτλ.). Εύρεση της στερεοχημείας του πολυμερούς. Κινητικές και μηχανικές μελέτες Η απόδοση των παρατηρούμενων χημικών μετατοπίσεων σε συγκεκριμένες δομικές μονάδες μπορεί να γίνει κυρίως με τις παρακάτω μεθόδους: Σύγκριση των παρατηρούμενων χημικών μετατοπίσεων με πίνακες, που περιέχουν παραπλήσιες τιμές και ανήκουν σε γνωστές ομάδες μαγνητικών πυρήνων. Υπολογισμός των χημικών μετατοπίσεων χρησιμοποιώντας τις προσθετικές ιδιότητες των χημικών μετατοπίσεων των υποκαταστατών. Αυτό συμβαίνει κυρίως στα φάσματα 13 C NMR. Σύνθεση πολυμερών από μονομερή εμπλουτισμένα σε ορισμένη θέση του μορίου με επισημασμένα ισότοπα, π.χ. 13 C, 15 N, κτλ. Η αντικατάσταση ενός Η από F σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο του μορίου, αν και γίνεται δύσκολα, μπορεί να διευκολύνει σημαντικά τη μελέτη του φάσματος, αφού θα έχουμε σχάση των πρωτονίων, αλλά και των άλλων γειτονικών μαγνητικών πυρήνων. Υπολογισμός του φάσματος με ηλεκτρονικό υπολογιστή (simulation), δηλαδή των χημικών μετατοπίσεων, της πολλαπλότητας και των σχετικών εντάσεων των κορυφών για ένα πολυμερές γνωρίζοντας εκ των προτέρων κατά προσέγγιση τη δομή του από τον τρόπο (συνθήκες) πολυμερισμού των μονομερών. Επιλεγμένη σπιν-σπιν αποσύζευξη σε φάσματα 1 Η ή 13 C NMR μεταξύ 1 Η 1 Η ή 1 Η 13 C και μελέτη του φάσματος που προκύπτει. Μελέτη των φασμάτων 2D-NMR 115

130 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ 5.4 Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) Εισαγωγή στην φασματοσκοπία υπερύθρου (IR) Η περιοχή υπερύθρου (IR) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος καλύπτει την περιοχή αμέσως μετά το ορατό (7, cm), μέχρι τα 10-2 cm περίπου, αλλά μόνον η ενδιάμεση περιοχή, από τα 2, cm έως τα 2, cm, χρησιμοποιείται από τους οργανικούς χημικούς (Σχήμα 5.4). Τα μήκη κύματος εντός της περιοχής IR δίνονται συνήθως σε μικρόμετρα (1μm = 10-4 cm), ενώ οι συχνότητες εκφράζονται σε κυματαριθμούς (ν ~) μάλλον παρά σε hertz. Ο κυματαριθμός, που εκφράζεται σε μονάδες αντιστρόφων εκατοστόμετρων (cm -1 ), είναι απλώς το αντίστροφο του μήκους κύματος: ν ~ (cm -1 ) = 1 / λ(cm) (5.5) Έτσι, η χρήσιμη περιοχή του IR είναι από τα 4000 cm-1 έως τα 400 cm-1. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση E = (1, kj/mol)/λ, μπορούμε να υπολογίσουμε τα επίπεδα ενέργειας της ακτινοβολίας IR, που κυμαίνονται μεταξύ 48 kj/mol και 4,8 kj/mol (11,5 1,15 kcal/mol). Σχήμα 5.4 Η υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Όλα τα μόρια διαθέτουν κάποια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας κατανεμημένη σε όλη τη δομή τους, που προκαλεί στους δεσμούς δονήσεις (επιμηκύνσεις) και κάμψεις. Ταυτόχρονα, εξαιτίας της, τα άτομα πάλλονται και περιστρέφονται, ενώ παρατηρούνται και διάφορες άλλες μοριακές δονήσεις, Μερικές επιτρεπτές μορφές δονήσεων και κάμψεων παρουσιάζονται παρακάτω. 116

131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ Σχήμα 5.5 Μερικές επιτρεπτές μορφές δονήσεων και κάμψεων. Η ποσότητα ενέργειας που περιλαμβάνει ένα μόριο δεν μεταβάλλεται κατά συνεχή τρόπο, αλλά είναι κβαντισμένη. Δηλαδή, ένα μόριο μπορεί να επιμηκύνεται, να κάμπτεται ή να πάλλεται, σε συγκεκριμένες συχνότητες που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα ενεργειακά επίπεδα. Αν και συνήθως αναφερόμαστε στα μήκη δεσμών σαν να ήταν σταθερά, οι αριθμοί που αναφέρονται αποτελούν μέσους όρους. Στην πραγματικότητα, οι δεσμοί συνεχώς δονούνται και κάμπτονται, με συνέπεια το μήκος τους να αυξάνεται και να μειώνεται. Έτσι, ένας τυπικός δεσμός C-H, με μέσο μήκος 1,10Å, στην πραγματικότητα πάλλεται με ορισμένη συχνότητα και διαδοχικά εκτείνεται και συμπιέζεται, σαν να συνέδεε τα δύο άτομα ένα ελατήριο. Όταν το μόριο δέχεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, απορροφάται ενέργεια όταν η ενέργεια της ακτινοβολίας είναι ίδια με την ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο δονητικών συχνοτήτων. Αυτός είναι και ο λόγος που ένα οργανικό μόριο απορροφά κάποια μήκη κύματος της ακτινοβολίας IR και άλλα όχι. Όταν ένα μόριο απορροφά ακτινοβολία IR, η μοριακή δόνηση που έχει συχνότητα ίση με εκείνη της ακτινοβολίας αυξάνει το πλάτος της. Με άλλα λόγια, το ελατήριο που συνδέει τα δύο άτομα διαδοχικά εκτείνεται και συμπιέζεται λίγο περισσότερο. Εφόσον κάθε συχνότητα που απορροφάται από ένα μόριο αντιστοιχεί σε μια προκαθορισμένη μοριακή κίνηση, μπορούμε να διαπιστώσουμε τις κινήσεις του μορίου, μελετώντας το φάσμα IR. Από την ερμηνεία αυτών των κινήσεων μπορούμε να συμπεράνουμε τι είδους δεσμοί (λειτουργικές ομάδες) υπάρχουν στο μόριο Ερμηνεία φασμάτων IR Συνήθως, στα φάσματα απορρόφησης ο οριζόντιος άξονας καταγράφει το μήκος κύματος και ο κατακόρυφος την ένταση των διαφόρων απορροφήσεων ενέργειας ως εκατοστιαία διαπερατότητα (transmittance). Η γραμμή βάσης, που αντιστοιχεί σε απορρόφηση 0% (ή διαπερατότητα 100%), βρίσκεται στην άνω πλευρά του 117

132 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ γραφήματος. Έτσι, η δημιουργία μιας κορυφής προς τα κάτω σημαίνει ότι σ αυτό το μήκος κύματος έλαβε χώρα απορρόφηση ενέργειας. Η πλήρης ερμηνεία ενός φάσματος IR είναι δύσκολη, επειδή τα περισσότερα οργανικά μόρια είναι τόσο μεγάλα, ώστε εμφανίζουν δεκάδες μορφές επιμήκυνσης και κάμψης. Έτσι ένα φάσμα IR περιλαμβάνει δεκάδες περιοχές απορρόφησης. Αυτή η περιπλοκότητα είναι εξαιρετικά χρήσιμη, επειδή ένα φάσμα IR μπορεί να λειτουργήσει σαν ένα είδος δακτυλικού αποτυπώματος για μία συγκεκριμένη ένωση. Για τον λόγο αυτό, η περιοχή του φάσματος IR μεταξύ 1500 cm -1 και 400 cm -1 περίπου αποκαλείται περιοχή δακτυλικού αποτυπώματος. Εάν δύο ενώσεις έχουν πανομοιότυπα φάσματα IR, τότε είμαστε σχεδόν βέβαιοι ότι είναι όμοιες. Ευτυχώς, δεν είναι απαραίτητο να ερμηνεύσουμε πλήρως ένα φάσμα IR, προκειμένου να αποκτήσουμε χρήσιμες πληροφορίες για τη δομή του μορίου. Οι περισσότερες λειτουργικές ομάδες διαθέτουν συγκεκριμένες περιοχές απορρόφησης, που δεν διαφέρουν από ένωση σε ένωση. Μαθαίνοντας που εμφανίζονται οι χαρακτηριστικές απορροφήσεις των διαφόρων λειτουργικών ομάδων, είμαστε σε θέση να αποκτούμε δομικές πληροφορίες από τα φάσματα IR. Σχήμα 5.6 Φασματοφωτόμετρο FTIR Perkin-Elmer 5.5 Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC) Αρχή της μεθόδου Η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης βασίζεται στη μέτρηση της θερμότητας που απαιτείται για να διατηρηθεί η θερμοκρασία του δείγματος και της ουσίας αναφοράς ίδια, ενώ αμφότερα θερμαίνονται ή ψύχονται προγραμματισμένα κάτω από μια συγκεκριμένη ατμόσφαιρα, άζωτο εάν απαιτείται αδρανής ατμόσφαιρα και αέρα ή οξυγόνο εάν απαιτείται οξειδωτική. Ως ουσία αναφοράς συνήθως χρησιμοποιείται 118

133 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ ένα καψίδιο σφραγισμένο με το κάλυμμά του. Έτσι, θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι το όργανο της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης μετράει θερμότητα, αφού είναι ένα πολύ ευαίσθητο θερμιδόμετρο. Η προσφορά θερμότητας προς το δείγμα (ενδόθερμη μεταβολή) ή η απόδοση από το δείγμα (εξώθερμη μεταβολή) είναι ανάλογη της ταχύτητας θέρμανσης ( o C / min), του βάρους του δείγματος και της ειδικής θερμότητάς του. Σχήμα 5.7 Τυπικό θερμόγραμμα DSC Περιγραφή της συσκευής Μία συσκευή DSC αποτελείται συνήθως από τα εξής μέρη: α) Κυρίως τμήμα του διαφορικού θερμιδόμετρου σάρωσης στο οποίο εισάγεται το δείγμα, και το οποίο περιλαμβάνει την μονάδα θέρμανσης του δείγματος και το θερμοστοιχείο. β) Μονάδα ψύξης. γ) Δοχείο αποθήκευσης της ψυκτικής ουσίας. δ) Ηλεκτρικό τμήμα, το οποίο περιλαμβάνει το αυτόψυκτο κύκλωμα ελέγχου/ρύθμισης της μονάδας θέρμανσης του δείγματος, τον ενισχυτή του λαμβανόμενου σήματος, τον αναλογικό-ψηφιακό μετατροπέα, την κεντρική μονάδα επεξεργασίας και τη μνήμη του ηλεκτρονικού υπολογιστή. ε) Τμήμα ελέγχου, το οποίο περιλαμβάνει την οθόνη και το πληκτρολόγιο του ηλεκτρονικού υπολογιστή καθώς και τα κουμπιά για την ισοστάθμιση του οργάνου. 119

134 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ Σχήμα 5.8 Συσκευή διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης της εταιρείας PerkinElmer. 5.6 Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Εισαγωγή Σε πολλά πεδία της έρευνας στην επιστήμη της φαρμακευτικής, η ηλεκτρονική μικροσκοπία, ως μέθοδος για την άμεση απεικόνιση υπομικροσκοπικών δομών, έχει αποκτήσει σημαντική και συνεχώς αυξανόμενη σημασία τις τελευταίες δεκαετίες. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία (EM) περιλαμβάνει αρκετές διαφορετικές τεχνικές. Τέτοιες αποτελούν η τυπική ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (Transmission Electron Microscopy, TEM), η υψηλής ανάλυσης ηλεκτρονική μικροσκοπία (High- Resolution Electron Microscopy, HREM), η υψηλής τάσης ηλεκτρονική μικροσκοπία (High-Voltage Electron Microscopy, HVEM), η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM), η αναλυτική ηλεκτρονική μικροσκοπία (Analytical Electron Microscopy, AEM), και άλλες. Στο παρελθόν, ο κεντρικός στόχος της χρήσης της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας ήταν ο προσδιορισμός της δομής, αλλά πρόσφατα έχει αποκτήσει όλο και μεγαλύτερη αξία για την εξέταση διαφόρων διεργασιών, όπως αλλαγές σε υλικά κατά την αλληλεπίδραση u956 με διάφορους παράγοντες (π.χ. θερμότητα, ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, μηχανική φόρτιση). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη των μικρομηχανικών διεργασιών της παραμόρφωσης και της θραύσης. Συνεπώς, η ηλεκτρονική μικροσκοπία αποτελεί ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για την επιστήμη των υλικών Τεχνικές της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας Η ηλεκτρονική μικροσκοπία μπορεί να χωριστεί στις τεχνικές της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης και της άμεσης απεικόνισης των επιφανειών. 120

135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ Υπάρχει ένας σημαντικός αριθμός ανασκοπήσεων πάνω στις διάφορες τεχνικές της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας Ηλεκτρονική μικροσκοπία άμεσης απεικόνισης (SEM) Η κύρια τεχνική που χρησιμοποιείται για την άμεση εξέταση επιφανειών είναι η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Μία εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων, με επιταχυντική διαφορά δυναμικού από 0,1 έως 50 kv, σαρώνει γραμμή προς γραμμή την επιφάνεια του δείγματος. Στο προσπίπτων σημείο των αρχικών ηλεκτρονίων, εκπέμπονται δευτερογενή ηλεκτρόνια, επιπροσθέτως πολλών άλλων αλληλεπιδράσεων της δέσμης των ηλεκτρονίων με το δείγμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.9. Σχήμα 5.9 Συσκευή SEM της εταιρείας JEOL και γενικό σχεδιάγραμμα της τεχνικής SEM. Η ένταση των δευτερογενών ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη τοπογραφία της επιφάνειας, όπως την γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης της αρχικής δέσμης των ηλεκτρονίων και της επιφάνειας. Ο αριθμός των δευτερογενών ηλεκτρονίων καθορίζουν την λαμπρότητα μιας οθόνης προβολής, η οποία ελέγχεται από τον ίδιο γεννήτορα σάρωσης όπως και η δέσμη των αρχικών ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, περιοχές με μεγαλύτερη ένταση δευτερογενών ηλεκτρονίων εμφανίζονται λαμπρότερες στην οθόνη προβολής από άλλες. Αυτό αποφέρει εικόνες SEM με έναν καλό βαθμό διαφοράς σκοτεινού και σκούρου, μια πολύ καλή ορατότητα των λεπτομερειών στον χώρο και μεγάλο βάθος εστίασης, κατά ένα παράγοντα περίπου εκατό φορές μεγαλύτερο, από ότι στην οπτική-φωτός απεικόνιση. Η μεγέθυνση 121

136 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ επιτυγχάνεται από την αναλογία του μεγέθους της οθόνης προβολής σε σχέση με το μέγεθος της επιφανειακής περιοχής του δείγματος που σαρώνεται, και μπορεί να μεταβληθεί εύκολα από περίπου 5 έως Συνεπώς, η διακριτική ικανότητα της SEM βρίσκεται μεταξύ αυτής της οπτικής μικροσκοπίας φωτός και της TEM. Η τεχνική SEM παρουσιάζει ένα βασικό πλεονέκτημα, διότι, γενικά, δεν απαιτούνται ιδιαίτερες προετοιμασίες για την πραγματοποίηση μορφολογικών εξετάσεων στα δείγματα. Εν τούτοις, για μη αγώγιμα υλικά, όπως τα πολυμερή, είναι αναγκαία η απόθεση ενός λεπτού αγώγιμου στρώματος μετάλλου ή άνθρακα, με εξάτμιση υπό κενό ή βομβαρδισμό με τα σωματίδια Ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ) Η αρχή στην οποία βασίζεται η TEM διαφέρει σημαντικά από αυτή της SEM. Στην ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ), το δείγμα διασχίζεται εγκάρσια από μια δέσμη ηλεκτρονίων, συνήθως με διαφορά δυναμικού μεταξύ 80 και 200 kv. Τέτοια ηλεκτρόνια μπορούν να διαπεράσουν δείγματα με μέγιστο πάχος μερικά δέκατα του μικρομέτρου, και συνεπώς, πρέπει να παρασκευαστούν υπέρλεπτα ελάσματα του δείγματος από την κύρια μάζα του υλικού. Σχήμα 5.10 Αλληλεπιδράσεις μεταξύ της προσπίπτουσας δέσμης των ηλεκτρονίων και των μορίων του δείγματος Ο βαθμός διαφοράς φωτεινού-σκούρου, στην ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης, εξαρτάται από φαινόμενα σωματιδιακών αλληλεπιδράσεων, μεταξύ των ηλεκτρονίων και του δείγματος, κυρίως σκεδασμό και απορρόφηση των ηλεκτρονίων. Για ένα άμορφο αντικείμενο, τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται πιο έντονα σε 122

137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΤΗΚΑΝ μέρη του δείγματος με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό και μεγαλύτερο πάχος. Αυτά τα ηλεκτρόνια, σκεδασμένα με μεγαλύτερες γωνίες, αποκλείονται από το διάφραγμα αντικειμενικού u966 φακού και δεν συνεισφέρουν στην τελική εικόνα. Αυτός, ο αποκαλούμενος σκεδασμού-απορρόφησης βαθμός διαφοράς φωτεινού-σκούρου, είναι παρόμοιος με τον απορρόφησης βαθμό διαφοράς φωτεινού-σκούρου στη οπτική μικροσκοπία φωτός. Όπως και στην οπτική μικροσκοπία, το όριο της ανάλυσης ορίζεται από το μήκος κύματος των ηλεκτρονίων και το διάφραγμα του φακού του οπτικού συστήματος. Εξαιτίας των πολύ μικρών μηκών κύματος των ηλεκτρονίων, το επιτυγχανόμενο όριο ανάλυσης σε ΤΕΜ υψηλής απόδοσης, με τυπική διαφορά δυναμικού λειτουργίας 100 με 200 kv, είναι περίπου 0,2 με 0,3 nm. Υπάρχουν ειδικά, υψηλής ανάλυσης ηλεκτρονικά μικροσκόπια, τα οποία λειτουργούν σε διαφορές δυναμικού από 300 kv μέχρι και περίπου 1,2 MV, με επιτυγχανόμενη ανάλυση στην περιοχή μεταξύ 0,1 και 0,2 nm. Διαφορές δυναμικού επιτάχυνσης αρκετά υψηλότερες των 200 kv, κυρίως kv, ορίζουν την περιοχή της υψηλής διαφοράς δυναμικού ηλεκτρονική μικροσκοπία (HVEM). Εξαιτίας του μεγαλύτερου βάθους διείσδυσης των υψηλής ενέργειας ηλεκτρονίων, μπορούν να εξεταστούν παχύτερα πολυμερικά δείγματα, με πάχος έως και αρκετά μικρόμετρα. 123

138

139 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Aftabrouchard D, Dorlker E., Preparation methods for biodegradable microparticles loaded with water-soluble drugs, STP Pharma Sci 2, , Ali, S. A. M., Zhong, S. P., Doherty, P. J. & Williams, D. F. Mechanisms of polymer degradation in implantable devices: I. Poly(caprolactone). Biomaterials 14, , Allemann E, Gurny R, Doekler E. Drug-loaded nanoparticlespreparation methods and drug targeting issues. Eur J Pharm Biopharm 39, , Allemann E, Leroux JC, Gurny R., Polymeric nano-microparticles for the oral delivery of peptides and peptidomimetics., Adv Drug Deliv Rev, 34, , Andrady, A. L. Assessment of Environmental Biodegradation of Synthetic Polymers. Polymer Reviews 34, 25 76, Arbos P., Campaner O., Miguel A., Arangoa Miguel A., Irache J. M., Nanoparticles with specific bioadhesive properties to circumvent the presystemic degradation of fluorinated pyrimidines J. Contr. Rel., 96, 55-65, Anonymous, Barratt, G. Colloidal drug carriers: achievements and perspectives. Cellular and Molecular Life Sciences 60, 21 37, Barichello JM, Morishita M, Takayama K, Nagai T., Encapsulation of hydrophilic and lipophilic drugs in PLGA nanoparticles by the nanoprecipitation method, Drug Dev Ind Pharm 25, , Bastioli, C. Handbook of Biodegradable Polymers,Rapra Technology Limited,

140 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Betageri G.V., Makarla K.R., Enhancement of dissolution of glyburide by solid dispersion and lyophilization techniques, Int. J. Pharm. 126, , Blanco MD, Alonso MJ., Development and characterization of protein-loaded poly(lactide-co-glycolide) nanospheres., Eur J Pharm Biopharm, 43, , Bonneaux F., Gref R., Maincent P., Dellacherie E., Alonso M.J., Labrude P., Vigneron C., Influence of experimental parameters on the characteristics of poly(lactic acid) nanoparticles prepared by a double emulsion method, J. Control. Release, 50, 31-40, Borka L., Haleblian J.K., Review on crystal polymorphism of substances in European Pharmacopoeia. Pharm. Avta Helv. 66, 16-22, Brannon-Peppas L., Recent advances on the use of biodegradable microparticles and nanoparticles in controlled drug delivery, Int. J. Pharm , Brittain H.G., Byrn S.R., Structural aspects of polymorphism, in: Brittain H.G. (Ed.), Polymorphism in Pharmaceutical Solids, Vol. 95, Marcel Dekker, New York 1999, pp Bugunia-Kubik K., Susisaga M., From molecular biology to nanotechnology and nanomedicine J. Biosystem, 65, , Chacon M, Molpeceres J., Berges L., Guzmán M. and Aberturas M. R., Stability and freeze-drying of cyclosporine loaded poly(d,l-lactide-glycolide) carriers. Eur J Pharm Sci, 8, , Chen, H. L., Li, L. J., Ou-Yang, W. C., Hwang, J. C. & Wong, W. Y. Spherulitic Crystallization Behavior of Poly(ε-caprolactone) with a Wide Range of Molecular Weight. Macromolecules 30, , Chiou W.L, Riegelman S., Pharmaceutical applications of solid dispersions. Jour. of Pharm. Sci. 60, ,

141 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Chiou W.L. and Riegelman S. Preparation and dissolution characteristics of several fast-release solid dispersions of griseofulvin. J. Pharm. Sci. 58,1505, Chiou W.L. and Riegelman S., Oral absorption of griseofulvin in dogs: increased absorption via solid dispersion in polyethylene glycol J. Pharm. Sci. 59, , Cicinelli E., Ignarro L.J., Galantino P., Pinto V., Barba B., Schonauer S. Effects of Tibolone on Plasma-Levels of Nitric-Oxide in Postmenopausal Women. Fertility Sterility 78, , Cohen H., Levy R. J., Gao J., Fishbein I., Kousaev V., Sosnowski S., Slomkowski S., Golomb G., Sustained delivery and expression of DNA encapsulated in polymeric nanoparticles Gene Ther., 7, , Corrigan O.I., Mechanisms of dissolution of fast release solid dispersions. Drug Dev. Int. Pharm. 11, , Couvreur, P., Couarraze G., Devissaguet J.-P. & Puisieux F. Nanoparticles: preparation and characterization. in: S. Benita(Ed.), Microencapsulation: Methods and Industrial Application, Marcel Dekker, New York, , Couvreur P, Dubernet C, Puisieux F. Controlled drug delivery with nanoparticles: current possibilities and future trends. Eur J Pharm Biopharm 41:2-13, Couvreur, P. & Vauthier, C. Nanotechnology: Intelligent Design to Treat Complex Disease. Pharmaceutical Research 23, , Cryan S.A. Carrier-based Strategies for Targeting Protein and Peptide Drugs to the Lungs, The AAPS Journal, 7, E20-E41, Damian F., Blatonb N., Naesensc L., Balzarinic J., Kingeta R, Augustijnsa P and Van den Mooter G., Physicochemical characterization of solid dispersions of the antiviral 127

142 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ agent UC-781 with polyethylene glycol 6000 and Gelucire 44/14. Eur. J. Pharm. Sci. 10, , Delie, F. & Blanco-Príeto, M.-J. Polymeric Particulates to Improve Oral Bioavailability of Peptide Drugs. Molecules 10, 65-80, Desai, J., Alexandera K. and Riga A., Characterization of polymeric dispersions of dimenhydrinate in ethyl cellulose for controlled release. Int J Pharm 308, , Dillen K., Vandervoort J., Van den M.G., Verheyden L., Ludwig A., Factorial design, physicochemical characterisation and activity of ciprofloxacin-plga nanoparticles, Int. J. Pharm., 275, , Drooge, D.J.V. et al. Characterization of the Mode of Incorporation of Lipophilic Compounds in Solid Dispersions at the Nanoscale Using Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET). Macromol. Rapid Commun. 27, , Egarter C., Topcuoglu A.M., Vogl S., Sator M. Hormone Replacement Therapy with Tibolone - Effects on Sexual Functioning in Postmenopausal Women. Acta Obstetr. Gynecol. Scand. 81, , El-Zein H., Riad L., Elbary A.A., Enhancement of carbamazepine dissolution - in vitro and in vivo evaluation, Int. J. Pharm. 168, , Engelberg, I. & Kohn, J. Physico-mechanical properties of degradable polymers used in medical applications: A comparative study. Biomaterials 12, , FDA, Draft guidance for industry: In vivo drug metabolism/drug interaction studies drug design, data analysis, and recommendations for dosing and labeling US Department of Health, Food and Drug Administration, Center for Drug Evaluation and Research Clin/Pharm., November

143 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Feng S-S, Huang G. Effects of emulsifiers on the controlled release of paclitaxel (Taxol) from nanospheres of biodegradable polymers. J Control Release, 71, 53-69, Fessi H, Puisieux F, Devissaguet J-P, Ammoury N, Benita S., Nanocapsule formation by interfacial deposition following solvent displacement, Int J Pharm 55, R1-R4, Finch A.C., Polymer for microcapsule walls, Chemistry and Industry, 18, , Fontana Giacomo, Pitarresi Giovanna, Tomarchio Vincenzo, Carlisi Bianca, San Biagio Pier Luigi, Preparation, characterization and in vitro antidrug microbial activity of ampicillin-loaded polyethylcyanoacrylate nanoparticles., Biomaterials, 19, , Ford J.L., Rubinstein M.H., Phase equilibria and dissolution rates of indomethacinpolyethylene glycol 6000 solid dispersions, Pharm. Acta Helv. 53, , Fujimaki, T. Processability and properties of aliphatic polyesters, `BIONOLLE', synthesized by polycondensation reaction. Polymer Degradation and Stability 59, , Galindo-Rodriguez S, Allemann E, Fessi H, Doelker E., Physicochemical parameters associated with nanoparticle formation in the salting-out, emulsification-diffusion, and nanoprecipitation methods, Pharm Res, 21, , Garcia-Zubiri I.X., González-Gaitano G and Ramón Isasi J, Thermal stability of solid dispersions of naphthalene derivatives with [beta]-cyclodextrin and [beta]- cyclodextrin polymers. Thermochim. Acta 444, 57 64, Garlindo-Rondriguez S.A., Allemann E., Fessi H., Doelker E., Polymeric nanoparticles for oral delivery of drugs and vaccines: a critical evaluation of in vivo 129

144 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ studies, Critical Reviews in Therapeutic Drug Carrier Systems 22 (5), pp , Ganachaud F, Katz JL., Nanoparticles and nanocapsules created using the ouzo effect: Spontaneous emulsification as an alternative to ultrasonic and high-shear devices, Chem Phys Chem 6, , Gardner, D. et al. The intelisite capsule: a new easy to use approach for assessing regional drug absortion from gastrointestinal tract. Pharm. Tech. Eur. 9, 46 53, Glen A, The impact of nanotechnology in drug delivery: Global developments, market analysis and future propects,_http:// Goldberg A.H., Gibaldi M., Kanig J.L., Increasing dissolution rates and gastrointestinal absorption of drugs via solid solutions and eutectic mixtures II. Experimental evaluation of eutectic mixture: urea-acetaminophen system. J. Pharm. Sci., 55, , Goldberg A.H., Gibaldi M., Kanig J.L., Mayersohn, M., Increasing dissolution rates and gastrointestinal absorption of drugs via solid solutions and eutectic mixtures IV chloramphenicol-urea system, J. Pharm. Sci. 55, , Govender T., Stolnik S., Garnett M.C., Illum L., Davis S.S., PLGA nanoparticles prepared by nanoprecipitation: drug loading and release studies of a water soluble drug, J. Control. Release, 57, , Grant D.J.W. Theory and origin of polymorphism, in: Brittain H.G. (Ed.), Polymorphism in Pharmaceutical Solids, Vol. 95, Marcel Dekker, New York, pp. 1-33, Guyot M., F. Fawaz, J. Bildet, F. Bonini and A. -M. Lagueny Physicochemical characterization and dissolution of norfloxacin/cyclodextrin inclusion compounds and PEG solid dispersions. Int. J. Pharm. 123, 53 63,

145 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Haleblian J.K., McCrone W.V., Pharmaceutical applications of polymorphism. J. Pharm. Sci., 58, , Hans M.L., Lowman A.M., Biodegradable nanoparticles for drug delivery and targeting, Current Opinion in Solid State and Material Science, 6, , Hasegawa S., Hamaura T, Furuyama N, Kusa A, Yonemochi E and Terada K, Effects of water content in physical mixture and heating temperature on crystallinity of troglitazone-pvp K30 solid dispersions prepared by closed melting method. Int. J. Pharm. 302, , Higuchi W.I., Lau P.K., Higuchi T., Shell J.W. Polymorphism and drug availability. Solubility relations in the methylprednisolone system. J. Pharm. Sci. 52, , Hilton J.E., Summers M.P., The effect of wetting agents on thedissolution of indomethacin solid dispersion systems, Int. J. Pharm. 31, , Hoet Peter H. M., Hohlfeld I. B., Salata O. V., Nanoparticles - Known and unknown health risks, J. Nanobiotechnol., 2, 1-5, Hornedo N.R., Ballesteros D.L.,Wu H.J. Phase transition and heterogeneous/epitaxial nucleation of hydrated and anhydrous theophylline crystals. Int. J. Pharm. 85, , Huskonen J., Salo M., Taskinen J. Aqueous solubility prediction of drugs based on molecular topology and neutral network modeling. J. Chem. Inf. Comput. Sci., 38, , Ikada, Y. & Tsuji, H. Biodegradable polyesters for medical and ecological applications. Macromolecular Rapid Communications 21, ,

146 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ikegami, K., Tagawa K, Osawa T, Bioavailability and in vivo release behavior of controlled release multiple-unit theophylline dosage forms in beagle dogs, cynomolgus monkeys, and gottingen minipigs. J. Pharm. Sci. 95, , Jamin C., Poncelet C., Madelenat P., Tibolone. Presse Medicale 31, , Jeffery H., Davis S.S., O'Hagan D.T., The preparation and characterization of poly(lactide-co-glycolide) microparticles. I: Oil-in-water emulsion solvent evaporation, Int. J. Pharm, 77, , Jorgensen W.L., Duffy E.M. Prediction of drug solubility from Monte Carlo simulations. Bioorg. Med. Chem. Lett. 10, , Jin, H. J., Park, J. K., Park, K. H., Kim, M. N. & Yoon, J. S. Properties of aliphatic polyesters with n-paraffinic side branches. Journal of Applied Polymer Science 77, , Jung T, Kamm W, Breitenbach A, Kaiserling E, Xiao JX, Kissel T., Biodegradable nanoparticles for oral delivery of peptides: is there a role for polymers to affect mucosal uptake?, Eur J Pharm Biopharm, 50, , Kanig, J.L., Properties of Fused Mannitol in Compressed Tablets. J. Pharm. Sci. 53, , Καραγιαννίδης, Γ. Π. & Σιδερίδου, Ε. Δ. Χημεία Πολυμερών, Εκδόσεις ΖΗΤΗ, Karata A. et al., Improved solubility and dissolution rate of piroxicam using gelucire 44/14 and labrasol. Il Farmaco 60, , Karavas E., Georgarakis E., and Bikiaris Dimitrios, Application of PVP/HPMC miscible blends with enhanced mucoadhesive properties for adjusting drug release in predictable pulsatile chronotherapeutics. Eur. J. Pharm. Biopharm. 64, ,

147 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Kearney A.S., Gabriel D.L., Mehta S.C., Radebaugh G.W., Effect of polyvinylpyrrolidone on the crystallinity and dissolution rate of solid dispersions of the antiinflammatory Ci-987, Int. J. Pharm. 104, , Kipp J. E., The role of solid nanoparticle technology in the parenteral delivery of poorly water-soluble drugs Int. J. Pharm., 284, , Konno, H. and Taylor, L.S., Influence of different polymers on the crystallization tendency of molecularly dispersed amorphous felodipine. J. Pharm. Sci. 95, , Kreuter J., Nanoparticulate systems for brain delivery of drugs Adv. Drug Del. Rev., 47, 65-81, Kwon Hye-Young, Lee Jun-Young, Choi Sung-Wook, Jang Yangsoo, Kim Jung- Hyun, Preparation of PLGA nanoparticles containing estrogen by emulsification diffusion method., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 182 (1-3), , Lambert G, Fattal E, Couvreur P., Nanoparticulate system for the delivery of antisense oligonucleotides, Adv Drug Deliv Rev, 47, , Landgren M.B., Bennink H.J.T.C., Helmond F.A., Engelen S.Dose-Response Analysis of Effects of Tibolone on Climacteric Symptoms BJOG Intern. J.Obst. Gynnaecol.,109, , Lemoine D, Preat V. Polymeric nanoparticles as delivery system for influenza virus glycoproteins. J Control Release, 54, 15-27, Leuner C., and Dressman J., Review article. Improving drug solubility for oral delivery using solid dispersions. Europ Jour of Pharm and Biopharm 50, 47 60, Levy G. Effect of particle size on dissolution and gastrointestinal absorption rates of pharmaceuticals. Am. J. Pharm. Sci. Support Public Health 135, 78 9,

148 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Lloyd, G.R., Craig D. Q. M. and Smith A., A calorimetric investigation into the interaction between paracetamol and polyethlene glycol 4000 in physical mixes and solid dispersions. Eur. J. Pharm. Biopharm. 48, 59 65, Lobenberg R., Kreuter J., Macrophage targeting of azidothymidine: A promising strategy for AIDS therapy AIDS Res. Hum. Retroviruses, 12, , Lo W.Y., Law S.L., Dissolution behavior of griseofulvin solid dispersions using polyethylene glycol, talc, and their combination as dispersion carriers, Drug Dev. Ind. Pharm. 22, , Löbenberg R., Amidon G.L., Modern bioavailability, bioequivalence and biopharmacetics classification system. New scientific approaches to international regulatory standarts. Eur. J. Pharm. Biopharm. 50, 3-12, Nerurkar M.J., Duddu S., Grant D.J.W., Rytting J.H., Properties of solids that affect transport, in: Amidon G.L., Lee P.I., Topp E.M., (Eds), Transport processes in Pharmaceutical Systems, Vol 102, Marcell Dekker, New York, pp , Νoyes Α.Α., Whitney W.R., The rate of solution of solid substances in their own solutions, J. Am. Chem. Soc. 19, , Majerik, V. Charbit G, Badens E, Horváth G, Szokonya L, Boscand N, Teillaud E, Bioavailability enhancement of an active substance by supercritical antisolvent precipitation. J. Supercrit. Fluids 40 (1), pp , Manju Rawat, Deependra Singh, S. Saraf, and Swarnlata Saraf, Nanocarriers: Promising Vehicle for Bioactive Drugs Biol. Pharm. Bull., 29(9), , Memisoglu E, Bochot A, Ozalp M, Sen M, Duchene D, Hincal A., Direct formation of nanospheres from amphiphilic beta-cyclodextrin inclusion complexes, Pharm Res, 20, ,

149 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Muller RH, Jacobs C, Kayser O. Nanosuspensions as particulate drug formulations in therapy. Rationale for development and what we can expect for the future. Adv Drug Deliv, 47, 3-19, Orive, G., Gascon, A.-R., Hernandez, R.-M., Domınguez-Gil, A. & Pedraz, J.-L. Techniques: New approaches to the delivery of biopharmaceuticals. Trends in Pharmacological Sciences 25, , 2004 Ohara T., Kitamura S., Kitagawa T. and Terada K., Dissolution mechanism of poorly water-soluble drug from extended release solid dispersion system with ethylcellulose and hydroxypropylmethylcellulose. Int. J. Pharm. 302, , Ould-ouali L., Noppe M., Langlois X., Willems B., Riele P. T., Timmerman P., Brewster M. E., Arien A., Preat V., Self-assembling PEG-p(CL-co-TMC) copolymers for oral delivery of poorly water-soluble drugs: A case study with risperidone J. Control. Rel., 102, , Panyam J., Labhasetwar V., Biodegradable nanoparticles for drug and gene delivery to cells and tissues, Advanced Drug Delivery Reviews, 55, , Partini, M. Characterization and degradation mechanisms of aliphatic polyesters Peppas L. B., Blanchette J. O., Nanoparticle and targeted systems for cancer therapy Adv. Drug Del. Rev., 56, , Pinto Reis Catarina, Neufeld Ronald J., Ribeiro Antonio J., Veiga Francisco, Nanoencapsulation I. Methods for preparation of drug-loaded polymeric nanoparticles, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2, 8-21, Pitt, C. G., Chasalow, F. I., Hibionada, Y. M., Klimas, D. M. & Schindler, A. Aliphatic polyesters. I. The degradation of poly(ε-caprolactone) in vivo. Journal of Applied Polymer Science 26, ,

150 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Plate R., Van Wnijtswinkel R.C., Jans C.G., Groen M.B, Synthesis of (3,7,17)-7- methyl-19-norpregn-5(10)-en-20-yne-3,7,17-triol, a metabolite of ORG OD14, and its 7-epimer Steroids Volume 66, Issue 2, Pages , Pokharkar V.B., Mandpe L.P., Padamwar M.N., Ambike A.A., Mahadikand K.R., Paradkar A, Development, characterization and stabilization of amorphous form of a low Tg drug. Powder Technol. 167, 20 25, Prabhu S., Ortega M., and Ma C., Novel lipid-based formulations enhancing the in vitro dissolution and permeability characteristics of a poorly water-soluble model drug, piroxicam. Int. J. Pharm. 301, (1-2), pp , Quintanar-Guerrero D, Allemann E, Fessi H, Doelker E., Preparation techniques and mechanism of formation of biodegradable nanoparticles from preformed polymers, Drug Dev Ind Pharm, 24, , Raghavan, D. Characterization of Biodegradable Plastics. Polymer-Plastics Technology and Engineering 34, 41 63, Rawat, M., Singh, D., Saraf, S. & Saraf, S. Nanocarriers: Promising Vehicle for Bioactive Drugs. Biol. Pharm. Bull. 29, , Rieux Anne, Fievez Virginie, Garinot Marie, Schneider Yves-Jacques, Préat Véronique, Nanoparticles as potential oral delivery systems of proteins and vaccines: A mechanistic approach, Journal of Controlled Release 116, 1-27, Rodier E., Lochard H, Sauceau M, Letourneau J.J., Freiss B and Fages J, A three step supercritical process to improve the dissolution rate of Eflucimibe. Eur. J. Pharm. Sci. 26, , 2005 Roco M. C., Nanotechnology: Convergence with modern biology and medicine, Curr. Opin. Biotechnol., 14, ,

151 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Roco M. C., Williams R. S., Alivisatos P. (eds.), Biological, medical and health applications. Nanotechnology Research Directions, Chap. 8, Kluwer Academic Publishers, Boston, URL: Saez A., Guzman M., Molpeceres J., Aberturas M.R., Freeze-drying of polycarolactone and poly(d,l-lactic glycolic) nanoparticles induces minor particle size changes affecting the oral pharmacokinetics of loaded drugs, Eur J Pharm Biopharm, 50, , Sahoo K. S., Labhasetwar V., Nanotech approaches to drug delivery and imaging Drug Discov. Today, 8, , Schimidt J., Montemagno C., Using machines in cells, Drug Discov. Today, 7, , Sekiguchi K, Obi N., Studies on absorption of eutectic mixture. I. A comparison of the behavior of eutectic mixture of sulfathiazole and that of ordinary sulfathiazole in man. Chem. Pharm. Bull. 9, , Sekiguchi K. and Obi N., Studies on Absorption of Eutectic Mixture. II. Absorption of Fused Conglomerates of Chloramphenicol and Urea in Rabbits. Chem. Pharm. Bull (Tokyo) 12, , Serajuddin Αbu T.M., Solid dispersion of poorly water-soluble drugs: Early promises, subsequent problems, and recent breakthroughs, Jour. of Pharm. Sci., Vol 88, No 10, October Simonelli A.P., Mehta S.C., Higuchi W.I., Dissolution rates of high energy sulfathiazole-povidone coprecipitates II: characterization of form of drug controlling its dissolution rate via solubility studies, J. Pharm. Sci. 65, , Streubel A., Siepmann J. and Bodmeier R., Drug delivery to the upper small intestine window using gastroretentive technologies. Curr. Opin. Pharmacol. 6 (5), ,

152 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Song C.X., Labhasetwar V., Murphy H., Qu X., Humphrey W.R., Shebuski R.J., Levya R.J., Formulation and characterization of biodegradable nanoparticles for intravascular local drug delivery. J Control Release, 43, , Soppimath KS, Aminabhavi TM, Kulkarni AR, Rudzinski WE, Biodegradable polymeric nanoparticles as drug delivery devices, J Control Release 70, 1-20, Sugawara M., Kadomura S., He X., Takekuma Y, Kohrican N, Miyazakia K, The use of an in vitro dissolution and absorption system to evaluate oral absorption of two weak bases in ph-independent controlled-release formulations. Eur. J. Pharm. Sci. 26, 1 8, Swarbrick J., Boylan J.C. Encyclopedia of Pharmaceutical Technology. Marcel Dekker Inc., New York Tachibana T., Nakamura A., A method for preparing an aqueous colloidal dispersion of organic materials by using water-soluble polymers: dispersion of beta-carotene by polyvinylpyrrolidone, Kolloid-Z. Polym. 203, , Tanaka N., Imaia K., Okimoto K., Ueda S., Tokunaga Y., Ibuki R., Higaki K. and Kimura T., Development of novel sustained-release system, disintegration-controlled matrix tablet (DCMT) with solid dispersion granules of nilvadipine (II): In vivo evaluation. J. Contr. Release 112, 51 56, Taskinen J. Prediction of aqueous solubility in drug design. Curr. Opin. Drug Discov. Dev. 3, , Taylor L.S., Zografi G., Spectroscopic characterization of interactions between PVP and indomethacin in amorphous molecular dispersions, Pharm. Res. 14, ,

153 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Teofilo Vasconcelos, Bruno Sarmento, Paulo Costa, Solid dispersions as strategy to improve oral bioavailability of poor water soluble drugs, Drug Discovery Today, Volume 12, Numbers 23/24, , Tice TR, Gilley RM. Preparation of injectable controlled-release microcapsules by solvent-evaporation process, J Control Release 2, , Timmer C.J., Huisman J.A.M, Effect of a standardized meal on the bioavailability of a single oral dose of Tibolone 2.5 mg in healthy postmenopausal women. Pharmacotherapy, ISSN: , Volume 22, Issue 3, Pages , Urbanetz N.A., Stabilization of solid dispersions of nimodipine and polyethylene glycol Eur. J. Pharm. Sci. 28, 67 76, Usui F., Maeda K., Kusai A., Ikeda M., Nishimura K., Yamamoto K., Inhibitory effects of water-soluble polymers on precipitation of RS-8359, Int. J. Pharm. 154, 59±66, Van den Mooter G., Weuts I., De Ridder T and Blaton N, Evaluation of Inutec SP1 as a new carrier in the formulation of solid dispersions for poorly soluble drugs. Int. J. Pharm. 316, 1 6, Van de Ven J., Donker G.H., Sprong M., Blankenstein M.A., Thijsse J.H.H. Effect of tibolone (Org OD14) and its metabolites on aromatase and estrone sulfatase activity in human breast adipose stromal cells and in MCF-7 and T47D breast cancer cells, Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology, 81, 3, , Van Drooge D.J., Hinrichs W.L.J., Visser M.R. and Frijlink H.W., Characterization of the molecular distribution of drugs in glassy solid dispersions at the nano-meter scale, using differential scanning calorimetry and gravimetric water vapour sorption techniques. Int. J. Pharm. 310, , Verreck G., Decorte A., Heymans K., Adriaensen J., Liu D., Tomasko D., Arien A., Peeters J, Van den Mooter G and Brewster M.E., Hot stage extrusion of p-amino 139

154 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ salicylic acid with EC using CO2 as a temporary plasticizer. Int. J. Pharm. 327, 45 50, Vippagunta, S.R. et al. Factors affecting the formation of eutectic solid dispersions and their dissolution behavior. J. Pharm. Sci. 96, , Vilhelmsen T., Eliasen H. and Schæfer T., Effect of a melt agglomeration process on agglomerates containing solid dispersions. Int. J. Pharm. 303, , Vos R.M.E., Krebbers S.F.M., Verhoeven C.H.J., Delbressine L.P.C., The in-vivo Human Metabolism of Tibolone. Drug Metabol. Dispos. 30, , Wilkinson J. M., Nanotechnology applications in medicine, Med. Device Technol., 14, 29-31, Won D.-H., Kim M-S., Lee S., Park J-S. and Hwang S-J., Improved physicochemical characteristics of felodipine solid dispersion particles by supercritical anti-solvent precipitation process. Int. J. Pharm. 301, , Yamamoto H., Kuno Y., Sugimoto S., Takeuchi H., Kawashima Y., Surface-modified PLGA nanosphere with chitosan improved pulmonary delivery of calcitonin by mucoadhesion and opening of the intercellular tight junctions, J. Contr. Rel., 102, , Yao, W.-W. Sun J-P., Zhu C-W., Hu J and Zhang H-L Thermodynamic properties for the system of silybin and poly(ethylene glycol) Thermochim. Acta 437, 17 20, Yoshihashi Y., Iijima H., Yonemochi E. and Terada K.Estimation of physical stability of amorphous solid dispersion using differential scanning calorimetry. J. Therm. Anal. Calorim. 85, , Zambaux M.F., Bonneaux F., Gref R., Maincent P., Dellacherie E., Alonso M.J., Labrude P., Vigneron C., Influence of experimental parameters on the characteristics 140

155 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ of poly(lactic acid) nanoparticles prepared by a double emulsion method, J. Control. Release, 50, 31-40,

156

157 143

158

159 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ-ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ- ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ 6.1 Παρασκευή και χαρακτηρισμός συστημάτων στερεών διασπορών Παρασκευή στερεών διασπορών Τιμπολόνης-πολυβινυλοπυρρολιδόνης (PVP) Για την παρασκευή των δυαδικών συστημάτων στερεών διασπορών Τιμπολόνης-Πολυβινυλοπυρρολιδόνης, Τιμπολόνης-SiO 2 και του τριαδικού 145

160 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ συστήματος Τιμπολόνης-Πολυβινυλοπυρρολιδόνης-SiO 2 χρησιμοποιήθηκε κρυσταλλική Τιμπολόνη με καθαρότητα 99,59 % η οποία προμηθεύτηκε από την εταιρία Zhejiang Xianju Junye Pharmaquetical Co LTD. Η Πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) τύπου Kollidon K30 είχε μοριακό βάρος που κυμαίνεται μεταξύ 50,000 55,000 και προμηθεύτηκε από την εταιρία BASF (Ludwigshafen, Germany), με θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης Tg = C (DSC), με περιεκτικότητα σε υγρασία 1.95%. Τα νανοσωματίδια του διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) με ειδική επιφάνεια 200 m 2 /g και περιεκτικότητα σε διοξείδιο του πυριτίου >99.8% ήταν της εταιρίας Degussa AG (Hanau, Germany) με εμπορική ονομασία AEROSIL 200. Η αιθανόλη που χρησιμοποιήθηκε ήταν καθαρότητας αναλυτικού βαθμού (απόλυτη) της εταιρίας Merck. Όλα τα υπόλοιπα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν στις αναλυτικές μεθόδους, ήταν ιδίας καθαρότητας. Τα δυαδικά συστήματα στερεών διασπορών Τιμπολόνης- Πολυβινυλοπυρρολιδόνης που παρασκευάστηκαν περιείχαν τη δραστική ουσία Tibolone σε ποσοστό 10, 20, 30, 40 και 50% κατά βάρος. Για την παρασκευή τους χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της εξάτμισης διαλύτη (solvent evaporation). Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη τεχνική η δραστική ουσία, Tιμπολόνη και το έκδοχο (PVP), επακριβώς ζυγισμένα, διαλύθηκαν στην ελάχιστη και απαραίτητη ποσότητα κοινού διαλύτη όπως είναι η απόλυτη αιθανόλη και στη συνέχεια ο διαλύτης απομακρύνθηκε με χρήση περιστροφικού εξατμιστή (evaporator). Τα δείγματα τοποθετήθηκαν σε πυριατήριο στους 50 ο C μέχρι την συνολική απομάκρυνση του διαλύτη και στην συνέχεια κονιοποιήθηκαν με άλεση και παρέμειναν σε ξηραντήρα στους 25 ο C για τη μελέτη τους. Τα δυαδικά συστήματα στερεών διασπορών Τιμπολόνης-SiO 2 που παρασκευάστηκαν περιείχαν την δραστική ουσία Tibolone σε ποσοστό 10, 20, 30, 40 και 50% κατά βάρος. Για την παρασκευή τους χρησιμοποιήθηκε και στην περίπτωση αυτή η τεχνική της εξάτμισης διαλύτη (solvent evaporation). Συγκεκριμένα, προζυγισμένες ποσότητες της δραστικής ουσίας διαλύθηκαν σε απόλυτη αιθανόλη και στην συνέχεια προστέθηκε η κατάλληλη ποσότητα διοξειδίου του πυριτίου (Aerosil 200) υπό ήπια ανάμιξη. Εξαιτίας του κολλοειδούς χαρακτήρα των νανοσωματιδίων SiO 2 το διάλυμα προσροφήθηκε στην επιφάνεια του διοξειδίου του πυριτίου. Τα δείγματα τοποθετήθηκαν σε πυριαντήριο στους 50 ο C μέχρι την 146

161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ συνολική απομάκρυνση του διαλύτη και παρέμειναν σε ξηραντήρα στους 25 ο C μέχρι την μελέτη τους. Τα τριαδικά συστήματα στερεών διασπορών παρασκευάστηκαν όπως αναφέρεται παρακάτω. Σε αιθανολικό διάλυμα διαλύθηκε η κατάλληλη ποσότητα πολυβινυλοπυρρολιδόνης (PVP) στην συνέχεια προστέθηκε και η κατάλληλη ποσότητα της δραστικής. Όταν οι ποσότητες διαλύθηκαν πλήρως και το διάλυμα διαύγασε, προστέθηκε και η απαραίτητη ποσότητα διοξειδίου του πυριτίου ώστε να επιτευχθούν οι επιθυμητές αναλογίες. Σε πρώτο στάδιο η αναλογία PVP/SiO 2 παρέμενε σταθερή 85/15 β/β, και το δυαδικό αυτό σύστημα αντιμετωπίστηκε ως ένας ενιαίος φορέας. Στα δείγματα που παρασκευάστηκαν οι αναλογίες της δραστικής μεταβάλλεται ως εξής (PVP/SiO 2 85/15 β/β)/tιμπολόνη 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 και 50/50 %κ.β. Επίσης, δημιουργήθηκε και μια δεύτερη σειρά δειγμάτων όπου αλλάζει η περιεκτικότητα του διοξειδίου του πυριτίου PVP/SiO 2 97,5/2,5, 95/5, 90/10 και 85/15 και παραμένει σταθερή η περιεκτικότητα της δραστικής, 20% Τιμπολόνη. Ο διαλύτης στην συνέχεια απομακρύνθηκε με την χρήση περιστροφικού εξατμιστή (evaporator). Τα δείγματα τοποθετήθηκαν σε πυριαντήριο στους 50 ο C έως συνολικής απομάκρυνσης του διαλύτη και στην συνέχεια κονιοποιήθηκαν με άλεση και παρέμειναν σε ξηραντήρα στους 25 ο C μέχρι την μελέτη τους Παρασκευή στερεών διασπορών Τιμπολόνης-Πολυαιθυλενογλυκόλης Για την παρασκευή των στερεών διασπορών Τιμπολόνης- Πολυαιθυλενογλυκόλης χρησιμοποιήθηκε κρυσταλλική Τιμπολόνη της εταιρίας Zhejiang Xianju Junye Pharmaquetical Co LTD. Η Πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG) ήταν της εταιρίας Clariant (Germany) με μοριακό βάρος 3898 g/mol (όπως υπολογίστηκε με βάση τις ακραίες υδροξυλικές ομάδες), σημείο τήξεως 54 ο C, σύμφωνα με τα αποτελέσματα από την χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης και περιεκτικότητα σε υγρασία μικρότερη από 0.5% Η μεθανόλη που χρησιμοποιήθηκε ήταν καθαρότητας αναλυτικού βαθμού (απόλυτη) της εταιρίας Merck. Η Παρασκευή των στερεών διασπορών έγινε με δύο τεχνικές οι οποίες περιγράφονται ακολούθως. 147

162 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Κλασσική μέθοδος ανάμιξης τήγματος Τα συστήματα στερεών διασπορών που παρασκευάστηκαν περιείχαν την δραστική ουσία Tibolone σε ποσοστό 10, 30 και 50% κατά βάρος. Για την παρασκευή τους χρησιμοποιήθηκαν τα αντίστοιχα φυσικά μίγματα Τιμπολόνης/PEG τα οποία τοποθετήθηκαν σε μία σφαιρική φιάλη των 100 ml και θερμάνθηκαν στους 140 ο C, σε έλαιο σιλικόνης, υπό αδρανή ατμόσφαιρα αζώτου. Κάθε μίγμα παρέμεινε σε αυτή τη θερμοκρασία για δεκαπέντε λεπτά ώστε να επιτευχθεί η δημιουργία ενός ομογενούς τήγματος ή διασποράς της δραστικής ουσίας στην πολυαιθυλενογλυκόλη. Στην συνέχεια οι φιάλες μεταφέρθηκαν σε υδρόλουτρο και ψύχθηκαν ταχύτατα. Όλα τα δείγματα των στερεών διασπορών που παρασκευάστηκαν παρέμειναν σε ξηραντήρα στους 25 ο C έως την μελέτη τους Μέθοδος ανάμιξης τήγματος με χρήση μικροκυμάτων Τα αντίστοιχα μίγματα Τιμπολόνης-Πολυαιθυλενογλυκόλης τοποθετήθηκαν σε σφαιρικές φιάλες των 100 ml και στη συνέχεια σε συσκευή μικροκυμάτων (NNS255WB, Panasonic, Tokyo, Japan; 50MHz, maximum of 100W) στα 400W έως ότου να τηχθεί η πολυαιθυλενογλυκόλη (περίπου 1 λεπτό). Στην συνέχεια τα δείγματα απομακρύνθηκαν από την συσκευή και παρέμειναν σε θερμοκρασία δωματίου για 30 δευτερόλεπτα υπό συνεχή ανάδευση (100 rpm) προκειμένου να ενισχυθεί η διασπορά της Τιμπολόνης στο τήγμα της πολυαιθυλενογλυκόλης και ταυτόχρονα να αποφευχθεί οποιαδήποτε πιθανή υπερθέρμανση του δείγματος. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου όλη η ποσότητα της δραστικής βρεθεί στο διάλυμα του πολυμερούς, στην συνέχεια οι φιάλες αντίδρασης μεταφέρθηκαν σε υδρόλουτρο και ψύχθηκαν ταχύτατα. Τέλος έγινε καταγραφή του χρόνου που απαιτήθηκε προκειμένου το τήγμα να διαυγάσει, γεγονός που αποτέλεσε ένδειξη πως η δραστική έχει διαλυθεί πλήρως σε αυτό Μελέτη και χαρακτηρισμός των συστημάτων στερεών διασπορών Η μελέτη των συστημάτων αυτών πραγματοποιήθηκε με την χρήση των τεχνικών φασμάτων υπερύθρου - Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT- IR), Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης - Differential Scanning Calorimetry (DSC), περίθλασης ακτίνων Χ - Wide Angle X-Ray Diffractometry (WAXD), και 148

163 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης-Scanning Electron Microscopy (SEM), προκειμένου να διευκρινιστεί κατά πόσο η πολυμερική μήτρα ενισχύει την καλύτερη κατανομή της δραστικής και σε ποιο βαθμό συμμετέχει στη πιθανή αμορφοποίησή της. Η φασματοσκοπία υπερύθρου χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να διευκρινιστεί η πιθανή ύπαρξη αλληλεπιδράσεων μεταξύ φορέων και δραστικής. Η κρυσταλλικότητα των στερεών διασπορών καθώς και η ύπαρξη πολυμορφισμού μελετήθηκαν με την χρήση τεχνικών περίθλασης ακτίνων-χ, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης και φασματοσκοπία υπερύθρου αντίστοιχα, ενώ η ηλεκτρονική μικροσκόπια σάρωσης δίνει χαρακτηριστικές εικόνες για την μορφολογία των δειγμάτων αλλά και την παρουσία κρυστάλλων της δραστικής. Τέλος, μελετήθηκε η in vitro απελευθέρωση της δραστικής ουσίας. Στην περίπτωση της χρήσης μικροκυμάτων για την παρασκευή στερεών διασπορών Τιμπολόνης-Πολυαιθυλενογλυκόλης, έγινε επίσης μελέτη της σταθερότητας της δραστικής ουσίας. Ποσοτικός προσδιορισμός της Τιμπολόνης στα δείγματα που παρασκευάστηκαν με χρήση Υγρής Χρωματογραφίας Υψηλής Πίεσης (HPLC), όπως και μελέτη της δομής της μετά από κατεργασία με μικροκύματα με χρήση τεχνικών α)συνδυασμού Υγρής Χρωματογραφίας-Φασματοσκοπίας Μαζών (LC-MS) και β)φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού ΝΜR (Nuclear Magnetic Resonance). Ο χαρακτηρισμός των πολυμερών με τις μεθόδους που αναφέρθηκαν έγινε όπως αναλυτικά περιγράφεται παρακάτω Θερμική ανάλυση, χρήση Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης - Differential Scanning Calorimetry (DSC) H θερμική ανάλυση των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν, όπως επίσης και των εκδόχων που χρησιμοποιήθηκαν και της δραστικής, πραγματοποιήθηκε σε συσκευή διαφορικής θερμιδομετρίας τύπου Perkin Elmer Pyris-1 (Differential Scanning Calorimetry-DSC). Το θερμιδόμετρο βαθμονομήθηκε με πρότυπα Ίνδιου και Ψευδαργύρου. Για κάθε μέτρηση χρησιμοποιήθηκες ένα δείγμα βάρους περίπου 6 mg, το οποίο τοποθετήθηκε σε ειδικά καψίδια από αλουμίνιο, σφραγίστηκε αεροστεγώς και θερμάνθηκε έως τους 130 o C με ταχύτητα θέρμανσης 20 o C/min. Το δείγμα παραμένει σε αυτή την θερμοκρασία για χρόνο 10 λεπτών ώστε να απομακρυνθούν οποιαδήποτε ίχνη υγρασίας. Ακολούθως τα δείγματα επαναφέρονται 149

164 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ στους 0 o C με γρήγορη ψύξη και πραγματοποιείται μια δεύτερη σάρωση έως τους 200 o C χρησιμοποιώντας την ίδια ταχύτητα θέρμανσης Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ - Wide Angle X-Ray Diffractometry (WAXD) Η λήψη φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ (WAXD) χρησιμοποιείται για την αναγνώριση των κρυσταλλικών ιδιοτήτων (δομή και αλλαγές) των καθαρών υλικών και των συστημάτων διασποράς. Η μελέτη με χρήση ακτίνων περίθλασης-χ (WAXD) πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου, στην περιοχή 2θ από 5 έως 50, χρησιμοποιώντας περιθλασίμετρο τύπου Philips PW 1710 Bragg-Brentano geometry (θ,2θ) και Ni-filtered CuKa radiation Λήψη φασμάτων υπερύθρου - Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT-IR) Η λήψη φασμάτων υπερύθρου (FTIR) πραγματοποιείται σε φασματοφωτόμετρο τύπου Perkin-Elmer, model Spectrum Προκειμένου να συλλεγεί το φάσμα, χρησιμοποιείται μία μικρή ποσότητα κάθε υλικού. Αναμιγνύεται καλά με ΚΒr και λειοτριβείται. Στην συνέχεια συμπιέζεται σε δισκίο. Το φάσμα υπερύθρου, ως φάσμα απορρόφησης, λαμβάνεται στην περιοχή από 450 έως 4000 cm -1 με ανάλυση 4 cm -1 και με 15 επαναλαμβανόμενες σαρώσεις Λήψη μικροφωτογραφιών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης- Scanning Electron Microscopy (SEM) Η μορφολογία των στερεών διασπορών εξετάζεται με την χρήση συστήματος ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης τύπου Jeol (JMS 840, Japan). Τα δείγματα καλύπτονται με λεπτό στρώμα άνθρακα προκειμένου να παρουσιάζουν καλή αγωγιμότητα της ηλεκτρονιακής ακτινοβολίας και να αποφευχθεί η φόρτιση της δέσμης ηλεκτρονίων. Οι συνθήκες διεξαγωγής του πειράματος έχουν ως εξής: διαφορά δυναμικού 20KV, probe current 45 na και χρόνος μέτρησης 60 δευτερόλεπτα. 150

165 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Μελέτη σταθερότητας δραστικής ουσίας Τιμπολόνης λόγω εφαρμογής μικροκυμάτων για την παραγωγή στερεών διασπορών με μήτρα πολυαιθυλενογλυκόλης. Προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση της ακτινοβολίας των μικροκυμάτων στην σταθερότητα της δραστικής ουσίας Τιμπολόνη, στην περίπτωση των στερεών διασπορών Τιμπολόνη-πολυαιθυλενογλυκόλη, τρία δείγματα καθαρής δραστικής τοποθετούνται σε μικρά φιαλίδια και επιβάλλεται σε αυτά ακτινοβολία μικροκυμάτων 440 και 600W για χρόνους 1, 3 και 5 λεπτά. Ακολούθησε χημική ανάλυση της δραστικής με τρεις διαφορετικές μεθόδους. Χρήση χρωματογραφίας υψηλής πίεσης (ΗPLC) σε όργανο της εταιρίας Shimanzu LC-20AD (Tokyo, Japan) και προσδιορισμός στα 205nm, προκειμένου να ελεγχθεί η παρουσία πιθανών παραπροϊόντων της δραστικής, η καθαρότητα και η περιεκτικότητα των δειγμάτων σε δραστική. Επίσης πραγματοποιήθηκε ανάλυση των δειγμάτων με χρήση συνδυασμού Υγρής Χρωματογραφίας-Φασματοσκοπίας Μαζών (LC-MS). Τέλος έγινε λήψη των φασμάτων NMR σε όργανο Bruker AMX 300, σε δευτεριωμένο χλωροφόρμιο περιεκτικότητας 5% βάρος κατά όγκο σε δραστική. Ο αριθμός των σαρώσεων ήταν 10 ενώ το εύρος σάρωσης ανερχόταν στα 6kHz In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας (In vitro release profile) Η διάλυση του φαρμάκου από τις στερεές διασπορές μελετήθηκε με συσκευή διαλυτοποίησης τύπου dissolution apparatus I (baskets) of USP DISTEK 2100C σύμφωνα με την Αμερικανική και Ευρωπαϊκή φαρμακοποιία. Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της χρήσης καλαθίσκων (basket method), με τους καλαθίσκους να περιστρέφονται με ταχύτητα 100rpm. Δείγματα των στερεών διασπορών που αντιστοιχούν σε περιεκτικότητα σε δραστική περίπου 2,5 mg προστίθενται σε καψάκια σκληρής ζελατίνης, στους καλαθίσκους, και με την σειρά τους αυτοί στα δοχεία, τα οποία περιέχουν 500ml διαλύματος 0,25% δωδεκυλοσουλφονικό νάτριο (sodium dodecyl sulfate, SDS) σε νερό στους 37±1 o C. Σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα, δείγμα 3ml απομακρύνεται περνάει από φίλτρο (Millex-GV 0.22μm, Millipore) και αναλύεται ποσοτικά για την περιεκτικότητά του σε δραστική με τεχνική υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης Shimadzu HPLC (model LC-20AD). Η κινητή φάση αποτελείται από μίγμα μεθανόλης/νερού 77/23 όγκο κατά όγκο. Τα 151

166 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ χαρακτηριστικά της χρησιμοποιούμενης στήλης είναι Hypersil BDS, C 18, 5μm, 200 x 4.6 mm με θερμοκρασία στήλης 30 o C. Η ροή της κινητής φάσης είναι 0.8 ml/min. Ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης πραγματοποιείται φασματοφωτομετρικά με χρήση ανιχνευτή UV στα 205 nm. Ο όγκος που παραλαμβάνεται ως δείγμα αντικαθίσταται από νέα ποσότητα του μέσου διάλυσης. Τα αποτελέσματα αποτελούν τις μέσες τιμές από τρία ξεχωριστά πειράματα. 6.2 Παρασκευή και χαρακτηρισμός πολυεστέρων Υλικά για την παρασκευή των πολυεστέρων Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρασκευάστηκαν οι πολυεστέρες πολυκαπρολακτόνη, πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) και τα συμπολυμερή αυτών. Το μονομερές ε-καπρολακτόνη (e-cl) (99% Sigma-Aldrich) κατεργάστηκε παρουσία CaH 2 και καθαρίστηκε με απόσταξη υπό χαμηλή πίεση λίγο πριν από τη χρήση της. Το ηλεκτρικό οξύ (καθαρότητας 99 %) παραλήφθηκε από την εταιρία Aldrich Chemical Co. Η 1,3-προπανοδιόλη (1,3-PD) (CAS Number: , Καθαρότητα: > 99.7%) χορηγήθηκε από την εταιρία Du Pont de Nemours Co. Ο χρησιμοποιούμενος καταλύτης, τετραβουτοξυτιτάνιο (TBT) αναλυτικής καθαρότητας χορηγήθηκε από την εταιρία Aldrich Chemical Co. Το πολυφωσφορικό οξύ (PPA) το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως σταθεροποιητής παραλήφθηκε από την εταιρία Fluka. Οι πολυεστέρες PPSu, PCL και τα συμπολυμερή αυτών, παρασκευάστηκαν σύμφωνα με το σχήμα των αντιδράσεων και την περιγραφή που ακολουθούν. Ενώ ακολούθησε και πλήρης μελέτη και χαρακτηρισμός τους σύμφωνα με τις τεχνικές που αναφέρονται παρακάτω Παρασκευή πολυεστέρων, περιγραφή πειραματικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε Η σύνθεση του PPSu πραγματοποιήθηκε ακολουθώντας την παρακάτω διαδικασία που αποτελείται από δύο βασικά στάδια την εστεροποίηση και την πολυσυμπύκνωση. Η απαραίτητη ποσότητα σουκινικού οξέος και 1,3-προπανοδιόλης σε μοριακή αναλογία 1/1.1 όπως επίσης και ο καταλύτης ΤΒΤ (3x10-4 mol TBT/mol SA) τοποθετούνται στην συσκευή της αντίδρασης από όπου απομακρύνεται το οξυγόνο και προστίθεται αργό προκειμένου να επιτευχθούν αδρανείς συνθήκες. Το 152

167 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ μίγμα της αντίδρασης φέρεται σε θερμοκρασία 190 o C υπό αδρανείς συνθήκες και εφαρμόζεται συνεχής ανάδευση με σταθερή ταχύτητα (500 rpm). Το πρώτο στάδιο της παρασκευής, η εστεροποίηση, θεωρείται ότι έχει ολοκληρωθεί με την συλλογή σχεδόν του συνόλου της θεωρητικής ποσότητας ύδατος που αποστάζει και η οποία συλλέγεται σε βαθμονομημένο κύλινδρο. Στο δεύτερο στάδιο της πολυσυμπύκνωσης, προστίθεται PPA (5 x 10-4 mol PPA/mol SA), προκειμένου να αποφευχθούν παράπλευρες αντιδράσεις όπως η θερμική διάσπαση. Εφαρμόζεται αργά κενό (5.0 Pa) για ένα χρονικό διάστημα 30 λεπτών ενώ στην συνέχεια η θερμοκρασία της αντίδρασης αυξάνεται σταδιακά στους 230 ο C και η ταχύτητα ανάδευσης στους 720 rpm. Η αντίδραση πολυσυμπύκνωσης συνεχίζεται για ακόμα 60 λεπτά. Μετά το τέλος της αντίδρασης ο παραγόμενος πολυεστέρας αφαιρείται από την φιάλη και καθαρίζεται με χρήση μεθανόλης. Ο πολυμερισμός της ε-καπρολακτόνης προς σχηματισμό πολυκαπρολακτόνης πραγματοποιείται σε σφαιρική φιάλη των 250 cm 3 με μηχανική ανάδευση και συσκευή κενού. Ο εκκινιτής προστίθεται ως διάλυμα σε τολουόλιο σε τελική συγκέντρωση ανά γραμμομόριο μονομερούς. Από το μίγμα του πολυμερισμού αφαιρείται ο αέρας και προστίθεται αργό έτσι ώστε να επιτευχθούν αδρανείς συνθήκες. Η αντίδραση λαμβάνει χώρα για 2 ώρες στους 180 o C. Το μονομερές που δεν αντέδρασε απομακρύνεται με απόσταξη κατόπιν αργής εφαρμογής ισχυρού κενού ( 5 Pa) για 15 λεπτά. Ο πολυμερισμός διακόπτεται με γρήγορη ψύξη του τήγματος και επαναφορά του στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα συμπολυμερή P(PSu-co-CL) με ποικίλες μοριακές αναλογίες και συγκεκριμένα CL/PSu 97,5/2,5, 95/5, 90/10, 75/25, 50/50 και 25/75 β/β, συντίθενται όπως χαρακτηριστικά αναφέρεται παρακάτω. Καθαρό PPSu και η αντίστοιχη ποσότητα μονομερούς ε-καπρολακτόνης προστίθενται στην ίδια συσκευή που χρησιμοποιήθηκε και προηγουμένως επίσης προστίθεται καταλύτης TBT (1x10-4 mol TBT/mol ε-cl). Ο πολυμερισμός λαμβάνει χώρα στους 180 o C υπό αδρανείς συνθήκες, εφαρμόζεται για τον λόγο αυτό ατμόσφαιρα αζώτου, και σταθερή ταχύτητα ανάδευσης 500 rpm ενώ η αντίδραση ολοκληρώνεται μετά από 2 ώρες. Τα μονομερή που δεν αντέδρασαν απομακρύνονται με απόσταξη εφαρμόζοντας υψηλό κενό ( 5 Pa) για χρονικό διάστημα 15 λεπτών. Ο πολυμερισμός διακόπτεται με ταχεία ψύξη και επαναφορά του μίγματος σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα 153

168 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ παραχθέντα πολυμερή καθαρίζονται με διάλυσή τους σε ακετόνη και επανακαταβύθισή τους σε ψυχρή μεθανόλη Περιγραφή μελέτης και χαρακτηρισμού παραχθέντων πολυεστέρων Ακολούθησε ο χαρακτηρισμός των πολυεστέρων με μέτρηση ιξώδους, Χρωματογραφία Διαπερατότητας Πηκτής-Gel Permeation Chromatography (GPC), Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης - Differential Scanning Calorimetry (DSC), φάσματα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού-nuclear Magnetic Resonance (ΝΜR), Θερμοσταθμική Ανάλυση-Thermagravimetric analysis (TGA), ανάλυση ακραίων καρβοξυλικών ομάδων, ενζυμική και μη υδρόλυση, μικροφωτογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των υπό υδρόλυση δειγμάτων, μελέτη της βιοσυμβατότητας των παρασκευασθέντων πολυεστέρων. Ο χαρακτηρισμός των πολυμερών με τις μεθόδους που αναφέρθηκαν έγινε όπως αναλυτικά περιγράφεται παρακάτω Ιξωδομετρία Οι μετρήσεις του ιξώδους πραγματοποιούνται στα καθαρά πολυμερή χρησιμοποιώντας ιξωδόμετρο Ubbelohde σε διαλύματά τους με συγκέντρωση1 wt% στους 25 ο C σε διαλύτη χλωροφόρμιο. Το εσωτερικό ιξώδες για κάθε πολυεστέρα που παρασκευάστηκε υπολογίζεται με την χρήση της εξίσωσης Solomon-Ciuta (Solomon O. F., Ciuta I. Z., 1962). [ η ] = {2[ t to ln( t to ) 1]} c Όπου c είναι η συγκέντρωση του διαλύματος και t ο χρόνος ροής του διαλύματος ενώ t 0 ο χρόνος ροής του διαλύτη Υπολογισμός Μοριακών Βαρών με χρήση Χρωματογραφίας Διαπερατότητας Πηκτής-Gel Permeation Chromatography (GPC) Ο υπολογισμός των μοριακών βαρών πραγματοποιείται με χρήση χρωματογραφίας διαπερατότητας πηκτής (polymer laboratories) με ανιχνευτή εξατμιζόμενης μάζας. Τετραυδροφουράνιο (THF) χρησιμοποιείται ως κινητή φάση (1 ml/min) και οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στους 35 C. Η καμπύλη αναφοράς πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας standards πολυστυρενίου με στενή κατανομή μοριακών βαρών. 154

169 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Προσδιορισμός ακραίων καρβοξυλικών ομάδων Ο προσδιορισμός των ακραίων καρβοξυλικών ομάδων (-COOH) πραγματοποιήθηκε όπως περιγράφεται παρακάτω. Περίπου 0,1 g κάθε πολυεστέρα διαλύονται σε χλωροφόρμιο σε θερμοκρασία δωματίου και το διάλυμα τιτλοδοτείται με διάλυμα NaOH σε μεθανόλη (N/10) και phenol red ως δείκτης Λήψη φασμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού-nuclear Magnetic Resonance (ΝΜR) Η λήψη των φασμάτων 1 H-NMR and 13 C-NMR των πολυεστέρων πραγματοποιήθηκε σε φασματοφωτόμετρο Bruker. Δευτεριωμένο χλωροφόρμιο χρησιμοποιήθηκε ως διαλύτης προκειμένου να παρασκευαστούν διαλύματα συγκέντρωσης 5% w/v Θερμική ανάλυση, χρήση Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης - Differential Scanning Calorimetry (DSC) Σαν όργανο διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης χρησιμοποιήθηκε Setaram DSC141 differential scanning calorimeter (DSC). Δείγμα περίπου 10 mg χρησιμοποιήθηκε για κάθε δοκιμή, τοποθετείται στην κατάλληλη υποδοχή του οργάνου και θερμαίνεται από τους 100 o C έως τους 100 o C με ταχύτητα θέρμανσης 10 o C/min. Το δείγμα παραμένει στην θερμοκρασία των 100 o C για 5 λεπτά ενώ στη συνέχεια ψύχεται έως τους 100 o C με ταχύτητα ψύξης 100 o C/min και πραγματοποιείται στην συνέχεια δεύτερη θερμική σάρωση έως τους 100 o C με ταχύτητα θέρμανσης 10 o C/min. Μετρήθηκαν η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (T g ), η θερμοκρασία τήξεως (T m ), και η θερμοκρασία κρυσταλλώσεως (T c ) Ενζυμική υδρόλυση Πραγματοποιήθηκε μελέτη ενζυμικής υδρόλυσης με χρήση 2 διαφορετικών ενζύμων με συγκεντρώσεις 0.09 mg/ml Rhizopus delemar lipase (endo-type) και 0.01 mg/ml of Pseudomonas Cepacia lipase (exo-type) σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών (ph 7,2) στους 30±1 ο C. Οι πολυεστέρες σε μορφή φιλμ 5x5 cm και πάχους περίπου 2 mm τοποθετούνται σε ειδικά δοχεία όπου περιέχεται ρυθμιστικό 155

170 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ διάλυμα και τα δοχεία τοποθετούνται σε θερμοστατούμενο θάλαμο σε θερμοκρασία, 30±1 ο C για ικανοποιητικό αριθμό ημερών. Μετά από συγεκριμένο χρόνο επώασης (72 ώρες) τα δείγματα απομακρύνονται από το ρυθμιστικό διάλυμα, πλένονται καλά με απεσταγμένο νερό και ζυγίζονταν έως σταθερού βάρους. Η έκταση της βιοαποικοδόμισης εκτιμάται από την απώλεια βάρους. Επίσης ακολούθησε και μελέτη της υδρόλυσης των πολυεστέρων στο ίδιο ρυθμιστικό διάλυμα, με την ίδια θερμοκρασία αλλά χωρίς την παρουσία ενζύμων. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε και σε αυτήν την περίπτωση είναι η ίδια που περιγράφεται παραπάνω Λήψη μικροφωτογραφιών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης- Scanning Electron Microscopy (SEM) Τέλος έγινε λήψη μικροφωτογραφιών SEM με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης, JEOL (JMS 840) τύπου, προκειμένου να αντιληφθούμε την έκταση της ενζυμικής υδρόλυσης στα διάφορα χρονικά στάδια της πειραματικής διαδικασίας και την αλλαγή της μορφολογίας της επιφάνειας των πολυεστερικών φιλμ που υπέστησαν την απλή και την ενζυμική υδρόλυση. H διαδικασία προετοιμασίας των δειγμάτων και η λήψη των μικροφωτογραφιών πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με όσα αναφέρονται και στο τμήμα Θερμοσταθμική Ανάλυση-Thermagravimetric analysis (TGA) H θερμοσταθμική ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε όργανο τύπου SETORAM SETSYS TG-DTA 1750 o C. Δείγματα βάρους 11±0.5 mg τοποθετούνται στην ειδική υποδοχή τήξης του υλικού κατασκευασμένη από αλουμίνα. Μία αντίστοιχη υποδοχή αλλά κενή χρησιμοποιείται ως αναφορά. Τα δείγματα θερμαίνονται από την θερμοκρασία περιβάλλοντος έως και τους 500 o C με ροή αζώτου (N 2 ) 50 ml/min. Τέσσερεις διαφορετικές ταχύτητες θέρμανσης χρησιμοποιήθηκαν 5, 10, 15 και 20 o C/min και λαμβάνονταν συνεχείς καταγραφές της θερμοκρασίας του δείγματος, του βάρους του, της πρώτης παραγώγου και της ροής θερμότητας. 156

171 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Μελέτη βιοσυμβατότητας των παρασκευασθέντων πολυεστέρων Κυτταρική καλλιέργεια Χρησιμοποιήθηκαν HUVEC (ανθρώπινα ενδοθηλιακά κύτταρα από φλέβα ομφάλιου λώρου, Human Umbilical Vein Endothelial Cells) τα οποία και αναπτύχθηκαν σε ρυθμιστικό διάλυμα RPMI-1640 όπου έχουν προστεθεί 15% εμβρυικός ορός αίματος μοσχαριού (FBS), 15 mg ECGS, 100 U/ml πενικιλίνη, 100 μg/ml στρεπτομυκίνη, 50 μg/ml γενταμυκίνη and 2.5 μg/ml αμφοτερισίνη B. Οι καλλιέργειες παρέμειναν στους 37 o C, 5% CO 2 (διοξείδιο του άνθρακα) και100% υγρασία. In vitro μελέτη βιοσυμβατότητας Η βιοσυμβατότητα τόσο των καθαρών πολυεστέρων, σε σύγκριση με τον βιοσυμβατό πολυγαλακτικό οξύ, πολύ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) και πολυκαπρολακτόνη, καθώς και των συμπολυμερών αυτών στις διάφορες αναλογίες, αποτιμήθηκε με μέτρηση της ζωτικότητας των κυττάρων HUVEC στην παρουσία των πολυεστέρων σε διάφορες συγκεντρώσεις. Η ζωτικότητα των κυττάρων μετρήθηκε με ανάλυση ΜΜΤ. Τα κύτταρα HUVEC επωάστηκαν σε 24 αποστειρωμένα τριβλία με πυκνότητα κυττάρων ανά τριβλίο σε μέσο ανάπτυξης 500 μl. Είκοσι τέσσερις ώρες μετά την επώαση, διαφορετικά ποσά των συμπολυμερών P(PSu-co-CL), σε μορφή νανοσωματιδίων (που βρίσκονται σε αιώρηση στο νερό) προστίθεται στα τριβλία. Μετά από 24 ώρες επώασης στους 37 o C, προστίθενται 50 μl διαλύματος MTT (5 mg/ml σε ρυθμιστικό διάλυμα φοσφωρικών ph= 7.4) σε κάθε τριβλίο και οι καλλιέργειες επωάζονται για δύο ώρες στους 37 o C. Το μέσο απομακρύνεται και 200 μl οξινισμένης ισοπροπανόλης (0.33 ml HCl in 100 ml isopropanol) προστίθενται σε κάθε τριβλίο και ανακινείται προκειμένου να διαλυθούν οι κρύσταλλοι της φορμαζίνης. Το διάλυμα μεταφέρεται και η μέτρηση γίνεται σε μήκος κύματος 490 nm (microplate reader Biorad, Hercules, CA, USA). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν εις τριπλούν. Η βιοσυμβατότητα των παρασκευασθέντων συμπολυμερών αλλά και των καθαρών πολυμερών εκφράστηκε σε επί τοις % ζωτικότητα κυττάρων, η οποία και υπολογίστηκε από την αναλογία μεταξύ του αριθμού των κυττάρων που υπέστησαν την κατεργασία με την παρουσία των 157

172 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ νανοσωματιδίων των συμπολυμερών και αυτών τα οποία δεν υπέστησαν αυτή την κατεργασία (control). 6.3 Παρασκευή νανοσωματιδίων Παρασκευή νανοσωματιδίων. Περιγραφή πειραματικής διαδικασίας Τα νανοσωματίδια των συμπολυμερών P(PSu-co-CL) παρασκευάζονται με την μέθοδο ελαίου/ύδατος εξάτμισης (o/w solvent evaporation method). Πολυεστερικό δείγμα βάρους 50mg, διαλύεται σε 2ml διχλωρομεθανίου. Το διάλυμα που προκύπτει μεταφέρεται σε υδατικό διάλυμα χολικού νατρίου (Sigma-Aldrich αναλυτικής καθαρότητας) (V=6 ml, C=12 mμ) και υποβάλλεται σε υπερήχους για 1 λεπτό (K. Avgoustakis, et al 2002). Το γαλάκτωμα ελαίου/ύδατος που προκύπτει, αφήνεται υπό ήπια ανάδευση έως ότου εξατμιστεί όλη η ποσότητα του οργανικού διαλύτη. Τα λαμβανόμενα νανοσωματίδια καθαρίζονται με φυγοκέντριση για 20λεπτά στις 9500 στροφές το λεπτό. Ακολουθεί ανασύσταση των δειγμάτων με καθαρό νερό. Το λαμβανόμενο αιώρημα φιλτράρεται με μικροφίλτρο με μέγεθος πόρων 1,2 μm προκειμένου να απομακρυνθούν τα συσσωματώματα που πιθανά δημιουργούνται. Για την παρασκευή νανοσωματιδίων με παρουσία δραστικής ακολουθείται η ίδια διαδικασία με διαφορά ότι στο αρχικό διάλυμα του πολυμερούς προστίθενται 5mg της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης, και ακολουθείται η διαδικασία όπως ακριβώς αναφέρεται παραπάνω Μελέτη και χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων Περιγραφή μελέτης και χαρακτηρισμού παραχθέντων πολυμερικών νανοσωματιδίων Ο χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων περιλαμβάνει την μελέτη της μορφολογίας τους με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy-SEM) και Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (Transmition Electron Microscopy-TEM). Τον υπολογισμό του μεγέθους των νανοσωματιδίων με χρήση τεχνικής σκέδασης φωτός (dynamic light scattering-dls). Τον υπολογισμό της απόδοσης σε νανοσωματίδια αλλά και της ικανότητας φόρτωσης και ενθυλάκωσης της δραστικής στους παρασκευασθέντες πολυεστερικούς φορείς με χρήση κατάλληλων μαθηματικων σχέσεων. Την λήψη φασμάτων υπερύθρου (Fourier 158

173 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Transformation-Infrared Spectroscopy-FT-IR) και κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ (Wide Angle X-Ray Diffractometry-WAXD) προκειμένου να προσδιοριστεί η μορφή της δραστικής στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας αλλά και την πιθανή ύπαρξη αλληλεπιδράσεων μεταξύ πολυμερικής μήτρας και δραστικής. Ενώ τέλος πραγματοποιήθηκε και μελετήθηκε η in vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας από τα πολυμερικά νανοσωματίδια προκειμένου να γίνει αντιληπτό πως οι ιδιότητες του πολυμερικού φορέα αλλά και της ίδιας της δραστικής επηρεάζουν την απελευθέρωση της Μέτρηση μεγέθους και μορφολογίας νανοσωματιδίων με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης-Scanning Electron Microscopy (SEM) H μορφολογία των παρασκευασθέντων δειγμάτων νανοσωματιδίων έγινε με λήψη μικροφωτογραφιών ηλακτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, τύπου JEOL (JMS 840) τύπου. Ο τρόπος και οι συνθήκες λήψης των μικροφωτογραφιών αναφέρθηκε παραπάνω στο τμήμα Μέτρηση μεγέθους και μορφολογίας νανοσωματιδίων Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (Transmition Electron Microscopy-TEM) Η παρατήρηση της μορφολογίας των νανοσωματιδίων πραγματοποιείται σε όργανο της εταιρίας Jeol. Tα δείγματα τοποθετούνται σε πλέγμα χαλκού. Αφήνονται να ξηραθούν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, και στην συνέχεια τοποθετούνται στο όργανο για την παρατήρηση χωρίς να έχουν επικαλυφθεί Προσδιοριμός μέσου μεγέθους σωματιδίων με χρήση τεχνικής σκέδασης φωτός Η κατανομή μεγέθους των νανοσωματιδίων προσδιορίζεται με χρήση δυναμικής σκέδασης φωτός (dynamic light scattering-dls) σε όργανο Zetasizer Nano Instrument (Malvern Instruments, Nano ZS, ZEN3600, UK) με δέσμη φωτός στα 532 nm laser. Κατάλληλη ποσότητα νανοσωματιδίων διασπείρονται σε απεσταγμένο νερό ώστε να επιτευχθεί τελική συγκέντρωση 1 και διατηρείται σε θερμοκρασία 37 o C υπό συνεχή ανάδευση. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν τρείς φορές έτσι ώστε να προσδιοριστεί το μέσο μέγεθος και η κατανομή μεγέθους. Οι τιμές που 159

174 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ προκύπτουν αποτελούν την μέση διάμετρο ±SD (τυπική απόκλιση) σε τρία διαφορετικά δείγματα Προσδιορισμός της απόδοση σε νανοσωματίδια, ικανότητα φόρτωσης δραστικής και ικανότητα ενθυλάκωσης Τα παρασκευασθέντα δείγματα καταψύχονται και υποβάλλονται σε λυοφιλίωση προκειμένου να παραληφθούν τα νανοσωματίδια σε στερεή μορφή. Προζυγισμένη ποσότητα νανοσωματιδίων διαλύεται σε ακετόνη και ακολουθεί ποσοτική εκτίμηση της περιεκτικότητας των δειγμάτων σε δραστική με χρήση υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης Shimadzu HPLC (model LC-20AD). Η κινητή φάση αποτελείται από μίγμα μεθανόλης/νερού 77/23 όγκο κατά όγκο. Τα χαρακτηριστικά της χρησιμοποιούμενης στήλης είναι Hypersil BDS, 5μm, 200 x 4.6 mm με θερμοκρασία στήλης 30 o C. Η ροή της κινητής φάσης είναι 0.8 ml/min. Ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης πραγματοποιείται φασματοφωτομετρικά με χρήση ανιχνευτή UV στα 205 nm, αφού προηγουμένως έχει δημιουργηθεί η απαραίτητη καμπύλη αναφοράς. Η απόδοση σε νανοσωματίδια (nanoparticle yield, Y), η φόρτωση σε νανοσωματίδια (drug loading content, D.L) και η ικανότητα ενθυλάκωσης (drug entrapment efficiency) υπολογίζονται και παρουσιάζονται αντίστοιχα σύμφωνα με τις μαθηματικές σχέσεις που αναφέρονται παρακάτω (1)-(3): Απόδοση σε νανοσωματίδια (%) = Βάρος νανοσωματιδίων x100 Αρχικό βάρος πολυμερούς + αρχικό βάρος φαρμάκου Περιεχόμενο σε φάρμακο (%) = Βάρος φαρμάκου στα νανοσωματίδια x100 Βάρος νανοσωματιδίων Ικανότητα ενθυλάκωσης (%) = Βάρος φαρμάκου στα νανοσωματίδια x100 Αρχικό βάρος φαρμάκου 160

175 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT-IR) Η λήψη φασμάτων υπερύθρου πραγματοποιείται όπως έχει προηγουμένως αναφερθεί στο τμήμα In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας (In vitro release profile) Η αποδέσμευση της δραστικής από τα νανοσωματίδια πραγματοποιήθηκε όπως αναφέρεται παρακάτω. Χρησιμοποιήθηκε συσκευή διαλυτοποίησης τύπου dissolution apparatus I (baskets) of USP DISTEK 2100C σύμφωνα με την Αμερικανική και Ευρωπαϊκή φαρμακοποιία, με χρήση καλαθίσκων (basket method) με τους καλαθίσκους να περιστρέφονται με ταχύτητα 100rpm. Αιώρημα νανοσωματιδίων που αντιστοιχεί σε περιεκτικότητα 2,5 mg Τιμπολόνης τοποθετούνται σε ειδική μεμβράνη κυτταρίνης, με περιορισμό για έξοδο από αυτήν σε μοριακά βάρη και πάνω. Η μεμβράνη δένεται καλά και τοποθετείται στο εσωτερικό των καλαθίσκων. Το μέσο διάλυσης αποτελείται από 500ml νερό και δωδεκυλοσουλφονικό νάτριο (PH=7, Sodium Lauryl Sulfate 0,25%), η ταχύτητα ανάδευσης παραμένει σταθερή σε 100 στροφές το λεπτό (rpm) και η θερμοκρασία επίσης σταθερή στους 37 o C (DE HAAN Pieter, EP B1). Σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα 4 ml από το υδατικό διάλυμα απομακρύνονται. Το δείγμα διηθείται και η ποσοτική ανάλυση πραγματοποιείται φασματοφωτομετρικά με χρήση υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης και με εφαρμογή της μεθόδου ανάλυσης που αναφέρεται παραπάνω στο τμήμα

176

177 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Inventor: DE HAAN, Pieter, N.V. Organon 5340 BH Oss (NL), Proprietor: Akzo Nobel N.V BM Arnhem (NL), EP B1 Immediate-release pharmaceutical dosage form comprising polymorphous Tibolone. K. Avgoustakis, A. Beletsi, Z. Panagi, P. Klepetsanis, A.G. Karydas, D.S Ithakisios, PLGA-mPEG nanoparticles of cisplatin: in vitro nanoparticle degradation, in vitro drug release and in vitro drug resistaance in blood properties, Journal of Controlled Release 79, , Solomon O. F., Ciuta I. Z., Détermination de la viscosité intrinsèque de solutions de polymères par une simple determination de la viscosité, Journal of Applied Polymer Science 6 (24), ,

178

179 165

180

181 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΌΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ 7.1 Παρασκευή των δυαδικών και τριαδικών συστήματων στερεής διασποράς πολυβινυλοπυρρολιδόνης/διοξειδίου του Πυριτίου/ Τιμπολόνης (PVP-SiO 2 -Τibolone)-αρχική παρατήρηση Όσον αφορά τις στερεές διασπορές έχει ήδη δημοσιευτεί μια σειρά επισκοπήσεων (reviews) όπου αναπτύσσονται οι μέθοδοι παρασκευής, η μελέτη των 167

182 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ φυσικοχημικών ιδιοτήτων, ο μηχανισμός απελευθέρωσης των δραστικών ουσιών, η αύξηση της διαλυτότητας αυτών, καθώς και οι μελλοντικές προοπτικές αυτών των φαρμακοτεχνικών σκευασμάτων (Leuner C. and Dressman J, Serajuddin Αbu T.M, Chiou W.L, Riegelman S., Vasconcelos Teofilo et al, 2007). Τα συστήματα στερεής διασποράς χρησιμοποιούνται ευρέως στη φαρμακευτική τεχνολογία αποσκοπώντας στη βελτιστοποίηση του ρυθμού και κατά συνέπεια και της συνολικής ποσότητας διάλυσης δυσδιάλυτων φαρμάκων. Τα συστήματα αυτά μπορούν να παρασκευαστούν, όπως προαναφέρθηκε και στο Κεφάλαιο 2, τόσο με την τεχνική της συνδιάλυσης σε κοινό διαλύτη όσο και με την τεχνική της ανάμιξης τήγματος. Επίσης, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί η τεχνική της προσρόφησης σε κάποιο έκδοχο ή σε ανόργανο υλικό όπως είναι το ανθρακικό ασβέστιο (CaCO 3 ) και το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). Ωστόσο οι τεχνικές αυτές εμφανίζουν κάποια μειονεκτήματα όπως η χρήση τοξικών ή μη αποδεκτών από την φαρμακευτική τεχνολογία διαλυτών, καθώς και η πιθανότητα αποσύνθεσης των ευαίσθητων φαρμάκων κατά την θερμική επεξεργασία. Επιπλέον, ειδικές τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί για την εξάτμιση του διαλύτη, όπως η λυοφιλίωση εμφανίζουν δυσκολίες ένταξης σε παραγωγικές διεργασίες μεγάλης κλίμακας, και επιπρόσθετα παρουσιάζουν υψηλό κόστος παραγωγής. Προκειμένου να αποφευχθούν τέτοια προβλήματα η παρούσα διατριβή εστιάζεται στη χρήση συμβατικών υλικών με ευρεία χρήση στην φαρμακευτική τεχνολογία για την παρασκευή των στερεών μορφών απελευθέρωσης, καθώς και αποδεκτές διαδικασίες. Συγκεκριμένα, όλα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στην συγκεκριμένη επεξεργασία είναι κοινά έκδοχα, ενώ η διαδικασία παρασκευής είναι κατάλληλη για κλιμάκωση σε πιλοτικό ή βιομηχανικό επίπεδο. Στόχος ήταν η παρασκευή άμορφης διασποράς της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης στην πολυμερική μήτρα, με βασικό πλεονέκτημα ότι η τεχνική αυτή είναι εύκολα κλιμακούμενη, ενώ δεν απαιτεί ειδικό εξοπλισμό. Υδατοδιαλυτά πολυμερή, όπως έχει προαναφερθεί, όπως η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG) και η πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) είναι σήμερα ευρέως αποδεκτά και χρησιμοποιούνται εκτεταμένα ως έκδοχα για την παρασκευή συστημάτων στερεής διασποράς (Serajuddin Αbu T.M., 1999). Από αυτά η πολυβινυλοπυρρολιδόνη θεωρείται ίσως το καταλληλότερο πολυμερές για τη χρήση 168

183 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ της σε τέτοια συστήματα, αφού μπορούν να παραχθούν εντελώς άμορφες διασπορές της εκάστοτε δραστικής ουσίας στην πολυμερική μήτρα. Η άμορφη φάση εξαρτάται από την αναλογία δραστικής/πολυμερούς ενώ αυξάνοντας το ποσοστό της πολυμερικής μήτρας συνήθως αυξάνεται και ο ρυθμός αποδέσμευσης της δραστικής. Για τους παραπάνω λόγους στα προτεινόμενα συστήματα στερεής διασποράς της Τιμπολόνης επιλέχτηκαν τα δύο παραπάνω πολυμερή για την παρασκευή δυαδικών συστημάτων με την Τιμπολόνη. Στο πρώτο τμήμα όπου αναπτύσσονται και μελετώνται τα δείγματα πολυβινυλοπυρρολιδόνης με Τιμπολόνη, αναπτύσσονται επίσης και δυαδικά συστήματα της δραστικής με ένα ανόργανο πορώδες υλικό, το διοξείδιο του πυριτίου, όπως επίσης και τριαδικά συστήματα πολυβινυλοπυρρολιδόνης/διοξειδίου του Πυριτίου/Τιμπολόνης. Τα συστήματα αυτά παρασκευάστηκαν με τη μορφή φιλμ, και η οπτική παρατήρηση έδειξε πως τα δείγματα τόσο των δυαδικών, με πολυβινυλοπυρρολιδόνη, όσο και των τριαδικών συστημάτων ήταν διαφανή με χαρακτηριστική κίτρινη απόχρωση, γεγονός που έδειξε την καλή δυνατότητα ανάμιξης της Τιμπολόνης με την πολυμερική μήτρα. Στις μόνες περιπτώσεις όπου φάνηκε και οπτικά η παρουσία κρυστάλλων της δραστικής ήταν τα δείγματα με περιεκτικότητα 50% κατά βάρος σε Τιμπολόνη. 7.2 Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των συστημάτων στερεής διασποράς πολυβινυλοπυρρολιδόνης/ Διοξειδίου του Πυριτίου/ Τιμπολόνης (PVP- SiO 2 -Τibolone) Θερμική ανάλυση-διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης-Differential Scanning Calorimetry (DSC) Προκειμένου να υπάρξει μια αρχική αποτίμηση για το πώς οι μέθοδοι στερεής διασποράς που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των δειγμάτων, επηρεάζουν τις φυσικές ιδιότητες της δραστικής, χρησιμοποιήθηκε η Διαφορική Θερμιδομετρτία Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) σε όλα τα δείγματα που παρασκευάστηκαν. Χαρακτηριστικά θερμογράμματα DSC για την καθαρή Τιμπολόνη παρουσιάζονται στο σχήμα 7.1. Η Τιμπολόνη είναι μία κρυσταλλική ένωση με σημείο τήξεως o C, ενώ το μέγιστο παρουσιάζεται στους 171 o C. Μετά από απότομη ψύξη του δείγματος η δραστική παραλήφθηκε εντελώς άμορφη, ενώ παρουσίασε μία θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (glass transition temperature, T g ) στους 52 o C 169

184 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ (Σχήμα 7.1). Κατά την διάρκεια της θέρμανσης πάνω από την θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης η δραστική κρυσταλλώθηκε σε μία θερμοκρασία ψυχρής κρυστάλλωσης (T cc ) 87.5 o C, ενώ το σημείο τήξεως της δραστικής παρατηρήθηκε στην ίδια ακριβώς θερμοκρασία με την αρχική ένωση. Επιπλέον, η μορφή της κορυφής τήξης παρέμεινε ίδια. Δεν παρατηρήθηκε η παρουσία άλλων κορυφών, γεγονός που υποδείκνυε πως η θερμική κατεργασία δεν επηρέασε ούτε την μορφή ούτε την καθαρότητα της δραστικής ουσίας. Όταν το τήγμα της καθαρής δραστικής υποβλήθηκε σε αργή ψύξη με μικρό ρυθμό ελάττωσης θερμοκρασίας παρατηρήθηκε η ταχύτατη κρυστάλλωσή της Τιμπολόνης σε θερμοκρασία 134 o C. Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Ενδόθερμο Tg Quenched Θέρμανση 20 o C/min Ψύξη (20 o C/min) Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα 7.1 Θερμόγραμμα DSC της καθαρής Τιμπολόνης. Τα θερμογράμματα των δύο διαφορετικών δυαδικών συστημάτων στερεών διασπορών, του διοξειδίου του πυριτίου και της πολυβινυλοπυρρολιδόνης με την δραστική ουσία Τιμπολόνη παρουσιάζονται στο Σχήμα 7.2 και 7.3 αντίστοιχα. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφερθεί πως δεδομένου ότι η πολυβινυλοπυρολλιδόνη όπως και το διοξείδιο του πυριτίου αποτελούν εξαιρετικά υγροσκοπικές ενώσεις, για να αποφευχθεί οποιαδήποτε επίδραση της υγρασίας, όλα τα δείγματα παρέμειναν σε 170

185 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ξηραντήρα μέχρι την λήψη των θερμογραμμάτων. Επιπλέον όλα τα δείγματα κατά την διάρκεια καταγραφής του θερμογράμματος θερμάνθηκαν αρχικά στο DSC με ρυθμό 20 ο C/min μέχρι τους 130 ο C στην οποία θερμοκρασία παρέμειναν για 15 min. H παρουσία υγρασίας σε παρόμοια δείγματα έδωσε μια ευρεία ενδόθερμη κορυφή με μέγιστο στους ο C, η οποία αντιστοιχεί στην εξάτμιση του ύδατος. Με την παρατήρηση αυτή εξασφαλίστηκε ότι με μία τέτοια θερμική επεξεργασία αφαιρούνταν όλα τα ίχνη υγρασίας από τα δείγματα. Στη συνέχεια τα δείγματα ψύχονταν απότομα μέχρι τους 0 ο C και γινόταν η επανακαταγραφή του θερμογράμματος. Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Eνδόθερμο 146 O C 151 O C 162 O C 162 O C 170,5 O C 171 O C 10/90 30/70 50/ Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα 7.2 Θερμογράμματα DSC των στερεών διασπορών Tιμπολόνης/SiO 2 που παρασκευάστηκαν με την τεχνική διάλυσης. Στην περίπτωση των στερεών διασπορών που προέκυψαν από τα νανοσωματίδια του διοξειδίου του πυριτίου με την Τιμπολόνη τα θερμογράμματα DSC έδειξαν πως η δραστική παραλαμβάνεται άμορφη για το δείγμα SiO 2 /Tibo 90/10 β/β, καθώς δεν καταγράφηκε σημείο τήξεως. Για τα δείγματα SiO 2 /Tibo 70/30 και 50/50 β/β τα θερμογράμματα DSC κατέδειξαν πως η δραστική εμφανιζόταν με την κρυσταλλική της μορφή καθώς εμφανιζόταν η χαρακτηριστική κορυφή η οποία 171

186 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ αντιστοιχούσε στην διεργασία τήξης της Τιμπολόνης (Σχήμα 7.2). Επίσης παρατηρήθηκε πως η κορυφή που αντιστοιχεί στην τήξη της Τιμπολόνης εμφανιζόταν με χαμηλότερη ένταση και αρκετά διευρυμένη, υποδηλώνοντας έτσι το ενδεχόμενο, πως ένα σημαντικό μέρος της δραστικής ουσίας, πιθανά παραλήφθηκε σε άμορφη κατάσταση μετά την μορφοποίησή της σε δείγμα στερεής διασποράς. Το πιο χαρακτηριστικό στοιχείο που προέκυψε σαν άμεση πληροφορία αυτού του θερμογράμματος αποτέλεσε το γεγονός πως και για το δείγμα 30% β/β περιεκτικότητας σε Τιμπολόνη, και 50 % β/β παρατηρήθηκαν τρεις διαφορετικές κορυφές. Το δείγμα με περιεκτικότητα 30% σε Τιμπολόνη παρουσίασε τρεις κορυφές στους 151, 162 και 171 o C, παρατηρήθηκε ότι η πρώτη και δεύτερη κορυφή είχαν αρκετά χαμηλή ένταση. Η παρουσία επιπλέον κορυφών στο θερμόγραμμα DSC αποτελεί χαρακτηριστικό φαινόμενο όταν η δραστική ανακρυσταλλώνεται σε μια στερεή διασπορά. Εξαιτίας της επίδρασης του φορέα στην δραστική, οι κρύσταλλοι της Τιμπολόνης που δημιουργήθηκαν στο δείγμα της στερεής διασποράς ήταν ατελείς με αποτέλεσμα την τήξη τους σε χαμηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με την αναφερόμενη θερμοκρασία τήξης της καθαρής Τιμπολόνης (Kanaze F.I. et al 2006). Για το δείγμα στερεής διασποράς με περιεκτικότητα 50% σε Τιμπολόνη παρατηρήθηκε μία κορυφή στους 146 o C, 25 ο C χαμηλότερα από το σημείο τήξεως της καθαρής δραστικής, και μάλιστα με μεγαλύτερη ένταση σε σχέση με την αρχική κρυσταλλική μορφή της. Μία τρίτη κορυφή παρατηρήθηκε στους 162 o C αλλά δεν ήταν δυνατόν να αποδοθεί καθώς παρουσίαζε εκτεταμένη επικάλυψη με την κορυφή που αντιστοιχεί στην καθαρή Τιμπολόνη. Όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενη μελέτη μεταβολές στην θέση του σημείου τήξεως μπορεί να οφείλονται σε διαφορετικές δυνάμεις πρόσδεσης μεταξύ των μορίων της δραστικής και του διοξειδίου του πυριτίου (Friedrich H. et al, 2006). Για τα δυαδικά συστήματα στερεών διασπορών της Τιμπολόνης με πολυβινυλοπυρρολιδόνη παρατηρήθηκε μία κορυφή η οποία αντιπροσωπεύει την τήξη της δραστικής μόνο για το δείγμα με περιεκτικότητα 50% σε Τιμπολόνη (Σχήμα 7.3). Επίσης και σε αυτήν την περίπτωση η κορυφή τήξης εμφανίστηκε διευρυμένη και με σαφώς χαμηλότερη ένταση σε σχέση με την καθαρή δραστική. Ωστόσο η κύρια κορυφή τήξης της δραστικής σε αυτό το δείγμα στερεής διασποράς 172

187 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ εμφανίστηκε πολύ κοντά στο σημείο τήξης της καθαρής Τιμπολόνης και μόνο 3 o C χαμηλότερα. 171 o C Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Ενδόθερμο Τιμπολόνη PVP/Tibo 50/50 PVP/Tibo 60/40 PVP/Tibo 70/30 PVP/Tibo 80/20 PVP/Tibo 90/ O C Θερμοκρασία ( O C) Σχήμα 7.3 Θερμογράμματα DSC των στερεών διασπορών PVP/Tιμπολόνης που παρασκευάστηκαν με την τεχνική διάλυσης. Στην περίπτωση των τριαδικών συστημάτων Πολυβινυλοπυρρολιδόνης/Διοξειδίου του πυριτίου/τιμπολόνης οι παρατηρήσεις στα θερμογράμματα DSC εμφανίστηκαν παρόμοιες με αυτές που παρατηρήθηκαν παραπάνω. Σημείο τήξης παρατηρήθηκε μόνο για την στερεή διασπορά με περιεκτικότητα 50% σε Τιμπολόνη Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ (ΧRD) Η περίθλαση ακτίνων-χ χρησιμοποιήθηκε ως συμπληρωματική τεχνική προκειμένου να μελετηθεί η φυσική και κρυσταλλική κατάσταση της δραστικής στα δείγματα των στερεών διασπορών (Bikiaris D. et al 2005). Από το φάσμα της περίθλασης ακτίνων-χ της καθαρής Τιμπολόνης φάνηκε ότι η δραστική ουσία βρισκόταν σε κρυσταλλική μορφή με χαρακτηριστικές κορυφές περίθλασης σε 2θ= 14.15, 15.3, 16.31, 17.71, 18.65, 20.73, 21, 23.74, 24.32, 27.67, 23.6 και deg οι 173

188 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ οποίες αντιστοιχούν στην καθαρή κρυσταλλική μορφή της δραστικής γνωστή ως μορφή ΙΙ (Form II) (Σχήμα 7.4). Επίσης λήφθηκε το φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ από την ανακρυσταλλωμένη δραστική, η οποία είχε αρχικά διαλυθεί σε αιθανόλη, προκειμένου να διερευνηθεί κατά πόσο η κατεργασία με τον διαλύτη που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή των δειγμάτων στερεής διασποράς, θα μπορούσε εν δυνάμει να έχει κάποια επίδραση στην κρυσταλλική μορφή της Τιμπολόνης. Ανακρυσταλλωμένη Τιμπολόνη (Μορφή Ι) Τιμπολόνη (Μορφή ΙΙ) θ ( Ο ) Σχήμα 7.4 Φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ της καθαρής και ανακρυσταλλωμένης, από αιθανόλη Τιμπολόνης. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 7.4 το φάσμα τις ανακρυσταλλωμένης Τιμπολόνης έδωσε σαφώς διαφορετική εικόνα σε σχέση με την αρχική κρυσταλλική δομή της δραστικής εμφανίζοντας χαρακτηριστικές κορυφές σε 2θ= 13.74, 15.26, 16.1, 17.45, 17.81, 18.4, 19.34, 20.32, 21.23, 21.67, 23.88, 28.07, και deg υποδηλώνοντας έτσι ότι η Τιμπολόνη έχει κρυσταλλωθεί σε διαφορετική μορφή, αυτή η δεύτερη κρυσταλλική μορφή είναι γνωστή σαν μορφή Ι (Form I) (Sas, G.A.J.M.T., & van Doornum, E.M., 1991). Τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ έδειξαν ότι στην περίπτωση της χρήσης του διοξειδίου του πυριτίου (Aerosil 200) ως φορέα, η Τιμπολόνη παρουσιάστηκε άμορφη για το δείγμα SiO 2 /Tιμπολόνη 90/10 β/β (Σχήμα 7.5). Η ικανότητα των 174

189 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ νανοσωματιδίων του διοξειδίου του πυριτίου να προσροφούν μεγάλες ποσότητες αιθανόλης, στην οποία βρισκόταν διαλυμένη η δραστική, καθώς και η μεγάλη ειδική επιφάνεια του διοξειδίου του πυριτίου, αποτέλεσαν τους κύριους παράγοντες αμορφοποίησης της δραστικής. Intensity (a.u) SiO 2 /Tibo 50/50 SiO 2 /Tibo 70/30 SiO 2 /Tibo 90/ θ (deg) Σχήμα 7.5 Φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ SiO 2 /Tιμπολόνης των στερεών διασπορών Καθώς αυξανόταν η δραστική στα δείγματα των στερεών διασπορών (30 και 50% κατά βάρος) παρατηρήθηκε πως ο φορέας δεν είχε πλέον την ικανότητα να διατηρήσει την δραστική σε λεπτή διασπορά με αποτέλεσμα να εμφανίζονται οι χαρακτηριστικές κορυφές της κρυσταλλικής μορφής της Τιμπολόνης (Μορφή 1-Form I) στο φάσμα. Η διαφορετική αυτή κρυσταλλική μορφή της Τιμπολόνης που παρατηρήθηκε στα φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ αποτέλεσε μια σαφή εξήγηση για την παρουσία των πολλαπλών κορυφών τήξης που καταγράφηκαν στα θερμογράμματα DSC των συγκεκριμένων δειγμάτων. Όταν η πολυβινυλοπυρρολιδόνη χρησιμοποιήθηκε ως φορέας στα δείγματα των στερεών διασπορών, η δραστική ουσία Τιμπολόνη παρέμεινε άμορφη ακόμα και για το δείγμα με περιεκτικότητα 40% και μόνο για το δείγμα PVP/Tibo 50/50 β/β παρουσιάστηκαν οι κορυφές της Τιμπολόνης στο φάσμα τόσο της μορφής Ι όσο και 175

190 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ της μορφής ΙΙ. Συγκρίνοντας τους δύο φορείς διαπιστώθηκε πως η πολυβινυλοπυρρολιδόνη είναι σαφώς πιο αποτελεσματική σε σχέση με το διοξείδιο του πυριτίου όσον αφορά την ικανότητα να αποδίδει την δραστική σε άμορφη κατάσταση, καθώς αποτρέπει την κρυστάλλωση της σε υψηλότερες περιεκτικότητες. Γεγονός που πιθανά οφειλόταν στην ικανότητα της πολυβινυλοπυρρολιδονης να δημιουργεί πιο ισχυρές αλληλεπιδράσεις με την Τιμπολόνη. Τα νανοσωματίδια του διοξειδίου του πυριτίου αποτελούν ανόργανο υλικό και ως συνέπεια αυτού οι αλληλεπιδράσεις τείνουν να είναι περιορισμένες. Άρα η ικανότητα του διοξειδίου του πυριτίου να αποδίδει την δραστική άμορφη στα δείγματα των στερεών διασπορών οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην ικανότητα διασποράς της δραστικής στην μεγάλη επιφάνεια που έχουν τα νανοσωματίδια. Intensity (a.u.) PVP/Tibo 50/50 PVP/Tibo 60/40 PVP/Tibo 70/30 PVP/Tibo 90/ θ (deg) Σχήμα 7.6 Φάσματα περίθλασης ακτίνων των στερεών διασπορών PVP/Tιμπολόνης. Στην περίπτωση των τριαδικών συστημάτων στερεής διασποράς πολυβινυλοπυρρολιδόνης (PVP)/ διοξειδίου του πυριτίου (SiO 2, Aerosil 200)/Τιμπολόνη το μοναδικό δείγμα το οποίο έδωσε τις χαρακτηριστικές κορυφές της δραστικής είναι αυτό με περιεκτικότητα σε Τιμπολόνη 50% κατά βάρος (Σχήμα 7.7 και Σχήμα 7.8). Γεγονός που βρίσκεται σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις που προέκυψαν από τα θερμογράματα DSC. Ο συνδυασμός των δύο φορέων (PVP and 176

191 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ SiO 2 ) έδωσε πιθανά στοιχεία δημιουργίας μια νέας μήτρας-φορέα η οποία εμπόδισε την κρυστάλλωση της δραστικής. intensity [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 50/50 w/w [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 60/40 w/w [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 70/30 w/w [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 80/20 w/w [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 90/10 w/w θ ( o ) Σχήμα 7.7 Φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ των τριαδικών συστημάτων διασποράς με σταθερή την σχέση PVP/SiO 2 και μεταβλητή την περιεκτικότητα σε Τιμπολόνη. [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 80/20 intensity [PVP/SiO 2 90/10]/Τιμπολόνη 80/20 [PVP/SiO 2 95/5]/Τιμπολόνη 80/20 [PVP/SiO 2 97,5/2,5]/Τιμπολόνη 80/ θ ( o ) Σχήμα 7.8 Φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ των τριαδικών συστημάτων διασποράς. Μεταβλητή η σχέση PVP/SiO 2 και διατηρείται σταθερή η σχέση σε δραστική. 177

192 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR) H φύση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των φορέων και της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης διερευνήθηκαν με την χρήση υπέρυθρης φασματοσκοπίας καθώς οποιαδήποτε αλληλεπίδραση που πιθανά λαμβάνει χώρα, όπως για παράδειγμα δεσμοί υδρογόνου μεταξύ του φορέα και της δραστικής, έχουν σαν αποτέλεσμα είτε την μετατόπιση είτε την σχάση διαφόρων κορυφών απορρόφησης. Έχει επίσης αναφερθεί πως οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ μορίων της δραστικής και σιλανολικών ομάδων του διοξειδίου του πυριτίου μπορούν να ανιχνευθούν με χρήση υπέρυθρης φασματοσκοπίας FT-IR (Wang L. et al Takeuchi H. et al, 2005 Takeuchi H. et al 1987). Τα φάσματα υπερύθρου του διοξειδίου του πυριτίου, της καθαρής δραστικής ουσίας Τιμπολόνης, της ανακρυσταλλωμένης δραστικής από διαλύτη αιθανόλη καθώς και των στερεών διασπορών δυαδικών και τριαδικών πολυβινυλοπυρρολιδόνης/διοξειδίου πυριτίου/τιμπολόνης παρουσιάζονται στα Σχήματα 7.9, 7.10, Οι χαρακτηριστικές κορυφές των ομάδων του διοξειδίου του πυριτίου καταγράφηκαν στο φάσμα. Συγκεκριμένα στα 3434 cm -1 εμφανίστηκε η κορυφή που αποδίδεται στους επιφανειακούς δεσμούς Ο-Η του διοξειδίου του πυριτίου, ενώ στα 1101 cm -1 για τον δεσμό Si-Ο. Το φάσμα υπερύθρου της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης έδωσε επίσης χαρακτηριστικές κορυφές στο φάσμα υπερύθρου. Στα 1714cm -1 παρατηρήθηκε η δόνηση τάσης της καρβονυλικής ομάδας της Τιμπολόνης. Η συχνότητα της δόνησης τάσης του υδροξυλίου (-OH) παρουσιάστηκε ως μία απλή κορυφή στην περίπτωση της αρχικής καθαρής δραστικής (κρυσταλλική μορφή ΙΙ) στα 3492 cm -1,ενώ στην περίπτωση της ανακρυσταλλωμένης δραστικής από αιθανόλη εμφανίστηκε εκτός από την κορυφή στα 3492 cm -1 και μία δεύτερη κορυφή στα 3410 cm -1 η οποία ανταποκρίνεται στην κρυσταλλική μορφή Ι της Τιμπολόνης. H διπλή αυτή κορυφή παρατηρήθηκε στα φάσματα των δειγμάτων των στερεών διασπορών SiO 2 /Tιμπολόνης 50/50 όπως επίσης και 70/30 β/β (τα αποτελέσματα για το τελευταίο αυτό δείγμα δεν παρουσιάζονται εδώ) γεγονός που υπέδειξε πως η δραστική ουσία κρυσταλλώνεται και στην μορφή Ι σε αυτές τις στερεές διασπορές. Το γεγονός αυτό έρχεται σε συμφωνία με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την χρήση της περίθλασης ακτίνων-χ, όπως αναπτύχθηκαν παραπάνω. 178

193 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Με προσεκτική εκτίμηση των φασμάτων των δυαδικών στερεών διασπορών, SiO 2 /Tιμπολόνης και PVP/Tιμπολόνης, προέκυψαν τα εξής συμπεράσματα. Δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές μετατοπίσεις στην κορυφή απορρόφησης του υδροξυλίου της δραστικής και της ομάδας Si-O του διοξειδίου του πυριτίου στα δείγματα των στερεών διασπορών σε σύγκριση με αυτές των καθαρών υλικών (μετατοπίσεις της τάξης του 1-2 cm -1 είναι εμφανείς αλλά βρίσκονται στα πλαίσια του πειραματικού σφάλματος και δεν χρησιμοποιήθηκαν ως στοιχεία εξαγωγής συμπερασμάτων). Απορρόφηση Ανακρυσταλλωμενη Τιμπολόνη (Μορφη ΙΙ) SiO 2 /Tibo 50/50 w/w Τιμπολόνη (Μορφή ΙΙ) SiO 2 /Tibo 90/10 w/w SiO Κυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 7.9 Φάσματα υπερύθρου FT-IR στερεών διασπορών Διοξειδίου του πυριτίου/tιμπολόνη Γι αυτόν τον λόγο, δεν ήταν δυνατό να υποστηριχθεί η άποψη της παρουσίας αλληλεπιδράσεων μεταξύ των χαρακτηριστικών αυτών ομάδων της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης και της μήτρας του διοξειδίου του πυριτίου. Εν τούτοις, παρουσιάστηκαν σημαντικές διαφοροποιήσεις στην κορυφή απορρόφησης της καρβονυλικής ομάδας της δραστικής. Εκτός από την κύρια χαρακτηριστική κορυφή που καταγράφηκε σε όλα τα δείγματα στα 1714 cm -1, μια δεύτερη κορυφή χαμηλότερης έντασης εμφανίστηκε δεξιότερα στο φάσμα στα 1658 cm -1. Η μετατόπιση αυτή της 179

194 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ χαρακτηριστικής ομάδας είναι ενδεικτική της ύπαρξης αλληλεπιδράσεων με την μορφή δεσμών υδρογόνου μεταξύ της καρβονυλικής ομάδας της δραστικής και των επιφανειακών υδροξυλικών ομάδων του διοξειδίου του πυριτίου. Επίσης παρατηρήθηκαν διαφοροποιήσεις όσον αφορά την ένταση των χαρακτηριστικών κορυφών της Τιμπολόνης στα 3492 και 3410cm -1,όπως καταγράφηκε στο δείγμα SiO 2 /Tιμπολόνης 50/50 β/β σε σύγκριση με την καθαρή ανακρυσταλλωμένη δραστική. Συγκεκριμένα η κορυφή στα 3410cm -1 παρουσιάστηκε με χαμηλότερη ένταση δίνοντας έτσι μια σαφή ένδειξη πως αν και η δραστική παρουσιάζεται κρυσταλλική σαν μίγμα των δύο πολυμόρφων στο δείγμα, αυτό που κυριαρχεί είναι το πολύμορφο της μορφής ΙΙ, γεγονός που πιστοποιείται και από τα ευρήματα της κρυσταλλογραφίας ακτίνων-χ. Η πολυβινυλοπυρρολιδόνη παρουσίασε δύο χαρακτηριστικές κορυφές, στα 1660 cm -1 η οποία οφείλεται στην καρβονυλική ομάδα, και στα 1291 cm -1 η οποία αποδίδεται στην ομάδα N-C. Οι δύο αυτές ομάδες μπορούν εν δυνάμει να δημιουργήσουν δεσμούς υδρογόνου σε μοριακό επίπεδο με την δραστική, στα δείγματα των στερεών διασπορών. Όμως η στερεοχημική παρεμπόδιση στην περίπτωση του δεσμού Ν-C αποκλείει την συμμετοχή του ατόμου του αζώτου στην δημιουργία διαμοριακών αλληλεπιδράσεων με την διαδικασία του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου (Taylor, L.S., & Zografi, G., 1997). Η σημαντική διεύρυνση που παρατηρήθηκε στις χαρακτηριστικές κορυφές της δραστικής στα 3492 και 3262cm -1, και η μετατόπιση της κορυφής στα 3492 cm -1, σε χαμηλότερο μήκος κύματος, απέδειξε την παρουσία δεσμών υδρογόνου μεταξύ των ελεύθερων υδροξυλικών ομάδων της δραστικής και της καρβονυλικής ομάδας της πολυβινυλοπυρρολιδόνης. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις αποτέλεσαν και τον κύριο παράγοντα αμορφοποίησης της Τιμπολόνης. 180

195 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Ανακρυσταλλωμένη Τιμπολόνη (Μορφή Ι) Απορρόφηση PVP/Tibo 90/10wt PVP/Tibo 70/30wt PVP Τιμπολόνη Κυματάριθμος cm -1 Σχήμα 7.10 Φάσματα FT-IR στερεών διασπορών πολυβiνυλοπυρρολιδόνης/tιμπολόνης PVP/SiO 2 85/15 Απορρόφηση Τιμπολόνη 50% Τιμπολόνη 20% PVP Τιμπολόνη Κυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 7.11 Φάσματα FT-IR για τα τριαδικά συστήματα στερεών διασπορών πολυβινυλοπυρρολιδόνης/διοξειδίου του πυριτίου/τιμπολόνης σε διαφορετικές αναλογίες σε δραστική και σταθερή σχέση PVP/SiO 2 181

196 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Από τα φάσματα υπερύθρου FT-IR των τριαδικών συστημάτων στερεών διασπορών, η σημαντική διεύρυνση που παρατηρήθηκε στην υδροξυλική ομάδα της Τιμπολόνης, έγινε και εδώ αισθητή, ενώ ταυτόχρονα παρατηρήθηκε και διεύρυνση στην κορυφή που αποδίδεται στην καρβονυλική ομάδα της πολυβινυλοπυρρολιδόνης. (Σχήμα 7.11) Μελέτη των συστημάτων με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία-Scanning Electron Microscopy (SEM) Με την χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης είναι δυνατόν να υπάρξει μια καλύτερη και σαφέστερη εικόνα όσον αφορά την μορφολογία των δειγμάτων στερεής διασποράς που παρασκευάστηκαν. Από τα φάσματα της περίθλασης ακτίνων-χ παρατηρήθηκε όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, πως στα δείγματα των δυαδικών συστημάτων στερεής διασποράς διοξειδίου του πυριτίου με Τιμπολόνη σε περιεκτικότητα της δραστικής 10% παρουσιάζεται ένα άμορφο υλικό, το δείγμα με αναλογία 70/30 β/β αντίστοιχα έδωσε μερική παρουσία κρυσταλλικότητας, και το δείγμα 50/50 β/β αντίστοιχα φάνηκε να είναι σε μεγαλύτερο ποσοστό σε κρυσταλλική μορφή. Από τις μικρογραφίες της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (Σχήμα 7.12) παρατηρήθηκε πως σε όλα τα δείγματα ακόμα και σε αυτό με περιεκτικότητα σε δραστική 50%, δεν ήταν δυνατόν να ανιχνευθεί οποιαδήποτε κρυσταλλική δομή. Επίσης στο δείγμα SiO 2 /Tιμπολόνης 50/50 β/β τα νανοσωματίδια του διοξειδίου του πυριτίου δεν είναι ορισμένα ξεκάθαρα στον χώρο. Δίνεται η εντύπωση πως μία λεπτή στιβάδα της δραστικής ουσίας έχει δημιουργηθεί στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων τα οποία παρουσιάζονται να παραμένουν ενωμένα μεταξύ τους δημιουργώντας συσσωματώματα. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει πράγματι πως η μεγάλη ειδική επιφάνεια των νανοσωματιδίων του διοξειδίου του πυριτίου συνέβαλλε στην καλύτερη διασπορά της δραστικής, δημιουργώντας στην ουσία νανο-διασπορές. 182

197 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Σχήμα 7.12 Μικρογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των δειγμάτων 90/10 70/30 και 50/50 κατά βάρος του δυαδικού συστήματος διοξειδίου του πυριτίου/τιμπολόνης. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 7.13 στα δείγματα στερεής διασποράς της πολυβινυλοπυρρολιδόνης με περιεκτικότητα σε Τιμπολόνη πάνω από 40%, εμφανίζονται χαρακτηριστικά οι κρύσταλλοι της δραστικής ουσίας στην επιφάνεια της πολυμερικής μήτρας, και για το δείγμα με περιεκτικότητα 40% σε δραστική. Το γεγονός αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την χρήση της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης καθώς και της κρυσταλλογραφίας ακτίνων-χ, από όπου και προέκυψε ότι η δραστική παρουσιάζεται κρυσταλλική στα δείγματα με τις συγκεκριμένες συγκεντρώσεις σε δραστική. Άρα στην περίπτωση του δείγματος PEG/Tιμπολόνη 60/40 η ηλεκτρονική μικρογραφία σάρωσης αποτελεί την μέθοδο εκλογής για την διευκρίνιση της παρουσίας κρυσταλλικότητας σε αυτό το δείγμα. Στην περίπτωση των τριαδικών συστημάτων πολυβινυλοπυρρολιδόνης/ διοξειδίου του πυριτίου/ Τιμπολόνης (Σχήμα 7.14), μέχρι και το δείγμα με περιεκτικότητα 40% κατά βάρος σε Τιμπολόνη, καθώς όπως αποδείχθηκε και από τα φάσματα κρυσταλλογραφίας-χ όπως και από την διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, δεν ανιχνεύθηκαν οποιασδήποτε μορφής κρύσταλλοι. Παρόλα αυτά ακόμα και σε υψηλότερες συγκεντρώσεις δραστικής στα δείγματα, όπου αυτή παρουσιάζεται κρυσταλλική, οι κρύσταλλοι πολύ δύσκολα ανιχνεύονται. Η συνδυαστική δράση των δύο εκδόχων πιθανά να είναι ο καθοριστικός παράγοντας για την εικόνα που λαμβάνεται από την χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, και πιθανά η Τιμπολόνη δημιούργησε νανοκρυστάλλους. 183

198 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Σχήμα 7.13 Μικρογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των δειγμάτων στερεής διασποράς των δυαδικών συστημάτων πολυβινυλοπυρρολιδόνης/τιμπολόνης με περιεκτικότητα α) 40% και β) 50% κατά βάρος σε Τιμπολόνη. Σχήμα 7.14 Μικρογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των δειγμάτων στερεής διασποράς των τριαδικών συστημάτων πολυβινυλοπυρρολιδόνης/ διοξειδίου του πυριτίου/ Τιμπολόνης α) 20% και β) 50% κατά βάρος σε Τιμπολόνη In vitro μελέτη του ρυθμού απελευθέρωσης της Τιμπολόνης Τα διαγράμματα απελευθέρωσης της Τιμπολόνης από τα δυαδικά συστήματα στερεής διασποράς πολυβινυλοπυρρολιδόνης/τιμπολόνης και Διοξειδίου του πυριτίου/τιμπολόνης παρουσιάζονται στα Σχήματα 7.15 και Παρατηρήθηκε πως στην περίπτωση που η πολυβινυλοπυρρολιδόνη χρησιμοποιείται ως φορέας (Σχήμα 7.15), η ικανότητα της πολυμερικής μήτρας να μετατρέπει την δραστική από κρυσταλλική σε άμορφη στα δείγματα των στερεών διασπορών, αποτέλεσε τον κύριο παράγοντα για την άμεση απελευθέρωση της δραστικής. 184

199 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Στην περίπτωση των δειγμάτων με περιεκτικότητες 10 και 30% κατά βάρος σε δραστική αντίστοιχα οι διαφορές στο διάγραμμα απελευθέρωσης δεν είναι σημαντικές και η αποδέσμευση ολοκληρώνεται και για τα δύο δείγματα σε χρόνο 60 λεπτών. Καθώς ο λόγος μεταξύ της δραστικής και της πολυμερικής μήτρας αυξάνεται, η ταχύτητα διάλυσης μειώνεται. Παρόλα αυτά ακόμα και για το δείγμα με περιεκτικότητα 50% κατά βάρος σε Τιμπολόνη μέσα σε χρονικό διάστημα δύο ωρών επιτεύχθηκε απελευθέρωση της δραστικής σε ποσοστό έως και 80%. Αυτή η αργή σχετικά ταχύτητα απελευθέρωσης οφείλεται στην παρουσία κρυσταλλικότητας στην Τιμπολόνη στο συγκεκριμένο δείγμα στερεής διασποράς. 120 PVP % Απελευθέρωση Τιμπολόνης PVPTIBO9010 PVPTIBO7030 PVPTIBO Χρόνος (λεπτά) Σχήμα 7.15 Το προφίλ αποδέσμευσης της Τιμπολόνης από τις στερεές διασπορές με την χρήση πολυβινυλοπυρρολιδόνης Στην περίπτωση των δυαδικών συστημάτων όπου ως φορέας χρησιμοποιείται το διοξείδιο του πυριτίου (Αerosil 200), η ταχύτατη απελευθέρωση που παρατηρήθηκε για το δείγμα με περιεκτικότητα 10% κατά βάρος σε Τιμπολόνη, αποδίδεται στην εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια του διοξειδίου του πυριτίου η οποία έκανε τελικά δυνατή μία πολύ καλή κατανομή της δραστικής στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων και ταυτόχρονα την μετατροπή της από κρυσταλλικό σε άμορφο υλικό (Friedrich H., 185

200 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ et al 2006). Επίσης το αποτέλεσμα αυτό συνηγορεί με την άποψη ότι οι υδρόφιλες ιδιότητες των σωματιδίων του διοξειδίου του πυριτίου συμμετείχαν στην βελτίωση της διαβρεχτικότητας και ταυτόχρονα στην αύξηση της ταχύτητας αποδέσμευσης, στην βελτίωση δηλαδή της διαλυτότητας της δραστικής με την χρήση της μεθόδου της στερεής διασποράς (Wang L, et al, 2006). Η αποδέσμευση της Τιμπολόνης μπορεί να χαρακτηριστεί άμεση, καθώς η απελευθέρωση ολοκληρώνεται σε 20 μόνο λεπτά δίνοντας το 100% της δραστικής στο διάλυμα. 120 SiO 2 % Απελευθέρωση Τιμπολόνης Tibo9010 Tibo7030 Tibo Χρόνος (λεπτά) Σχήμα 7.16 Το προφίλ αποδέσμευσης της Τιμπολόνης από τις στερεές διασπορές με την χρήση Διοξείδιο του πυριτίου ως φορέα της δραστικής. Για τα δείγματα με περιεκτικότητες 30 και 50% κατά βάρος σε δραστική ουσία Τιμπολόνη, η διαδικασία απελευθέρωσης της δραστικής παρουσίασε μια αρκετά γρήγορη αρχική φάση στην οποία μέσα σε 20 λεπτά απελευθερώθηκε το 70-80% της δραστικής, όμως σε ένα δεύτερο τμήμα η ταχύτητα απελευθέρωσης μειώνεται σημαντικά και ακόμα και μετά από χρονικό διάστημα δύο ωρών δεν ολοκληρώνεται. Γεγονός που αποδόθηκε στο ότι να νανοσωματίδια του διοξειδίου του πυριτίου παρουσίασαν την ικανότητα να δημιουργούν ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου με την 186

201 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ δραστική όπως πιστοποιήθηκε προηγουμένως και από τα φάσματα υπερύθρου FT-IR, αποτρέποντας έτσι την αποδέσμευση της συνολικής ποσότητας της δραστικής από τον φορέα. Επιπλέον, η ταχύτητα απελευθέρωσης αυτών των δειγμάτων παρουσιάστηκε μειωμένη, εξαιτίας της κρυσταλλικότητας της δραστικής. Συγκρίνοντας την ταχύτητα απελευθέρωσης για τους δύο διαφορετικούς φορείς που χρησιμοποιήθηκαν εξήχθηκαν τα εξής συμπεράσματα. Δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στην ταχύτητα απελευθέρωσης για τα δείγματα των στερεών διασπορών, με την χρήση των δύο διαφορετικών φορέων, με περιεκτικότητα 10% κατα βάρος σε δραστική. Και στις δύο περιπτώσεις η δραστική παραλήφθηκε άμορφη στα δείγματα και διαλύθηκε αμέσως. Στις υπόλοιπες συγκεντρώσεις φάνηκε πως η φυσική κατάσταση της δραστικής (κρυσταλλική ή άμορφη), και όχι ο φορέας, είναι ο κύριος παράγοντας ελέγχου της ταχύτητας αποδέσμευσης. Στα τριαδικά συστήματα στερεών διασπορών, όπου η περιεκτικότητα σε Τιμπολόνη παραμένει σταθερή και μεταβάλλεται η αναλογία πολυβινυλοπυρρολιδόνης-διοξειδίου του πυριτίου, η ταχύτητα απελευθέρωσης της δραστικής παρουσίασε τάση αύξησης με την αύξηση της επί της εκατό περιεκτικότητας σε διοξείδιο του πυριτίου, αλλά χωρίς σημαντικές αλλαγές έως ότου η περιεκτικότητα σε διοξείδιο του πυριτίου αγγίξει το ποσοστό 10% (Σχήμα 7.17). Όταν η αναλογία φτάνει το 15% σε διοξείδιο του πυριτίου η διαφορά γίνεται πλέον αισθητή, και η in vitro αποδέσμευση της δραστικής ολοκληρώνεται σε λιγότερο από δύο ώρες, δίνοντας μια σαφή ένδειξη για τον ρόλο του silica στην καλύτερη διασπορά της δραστικής λόγο της μεγάλης ειδικής επιφάνειας. Όλα τα δείγματα εξάλλου όπως προαναφέρθηκε, παρουσίασαν άμορφη την δραστική στα φάσματα κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, άρα θα αναμενόταν παρόμοιο αν όχι το ίδιο προφίλ αποδέσμευσης της δραστικής σε όλες τις περιπτώσεις. Το γεγονός της επιτάχυνσης της διαδικασίας απελευθέρωσης της δραστικής στην περίπτωση κυρίως του δείγματος με περιεκτικότητα 15% σε διοξείδιο του πυριτίου, όπου και έγινε σαφώς εμφανέστερο, υποδείκνυε την πιθανή ύπαρξη διαφοροποιήσεων στις ιδιότητες του φορέα του τριαδικού συστήματος στερεής διασποράς, όπου πλέον οι ιδιότητες των δύο διαφορετικών φορέων λειτούργησαν συνεργιστικά. 187

202 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ % Απελευθέρωση Τιμπολόνης [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 80/20 β/β [PVP/SiO 2 90/10]/Τιμπολόνη 80/20 β/β [PVP/SiO 2 95/5]/Τιμπολόνη 80/20 β/β [PVP/SiO 2 97,5/2,5]/Τιμπολόνη 80/20 β/β Χρόνος (λεπτά) Σχήμα 7.17 Το προφίλ αποδέσμευσης των τριαδικών στερεών διασπορών της Τιμπολόνης με διαφορετική αναλογία πολυβινυλοπυρρολιδόνης και σταθερή περιεκτικότητα σε δραστική Στα τριαδικά συστήματα στερών διασπορών όπου η αναλογία πολυβινυλοπυρρολιδόνης/διοξειδίου του πυριτίου παρέμεινε σταθερή και μεταβλήθηκε μόνο η % περιεκτικότητα σε Τιμπολόνη, η ταχύτητα απελευθέρωσης ελαττώθηκε με αύξηση της περιεκτικότητας σε δραστική στο δείγμα (Σχήμα 7.18). Επίσης αξιοσημείωτη είναι και η παρατήρηση πώς στα δείγματα με 10 και 20% σε Τιμπολόνη, η ταχύτητα αποδέσμευσης της δραστικής ήταν μεγαλύτερη, και άρα η ίδια η αποδέσμευση πιο γρήγορη, πιθανά γεγονός της συνδυασμένης δράσης των δύο χρησιμοποιούμενων φορέων όπως προαναφέρθηκε. Το πιο εντυπωσιακό αποτέλεσμα αποτέλεσε το προφίλ αποδέσμευσης των δειγμάτων με περιεκτικότητα σε δραστική 40%. Αν και η περιεκτικότητα PVP/SiO 2 ελαττώθηκε χαρακτηριστικά, φτάνοντας το 60% στα τριαδικά μίγματα, η απελευθέρωση της Τιμπολόνης ολοκληρώθηκε σε χρόνο 5 ωρών, γεγονός που επέτρεψε τον χαρακτηρισμό της απελευθέρωσης της δραστικής μάλλον ως παρατεταμένης παρά ως άμορφης. To γεγονός αυτό έγινε 188

203 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ιδιαίτερα αισθητό στη περίπτωση του δείγματος με περιεκτικότητα 50% σε δραστική. Καθώς μια τέτοια συμπεριφορά δεν παρατηρήθηκε στην περίπτωση που οι δύο μήτρες χρησιμοποιήθηκαν ξεχωριστά, αποτέλεσε σαφή ένδειξη πως κατά την ανάμιξη των δύο διαφορετικών υλικών παρουσία αιθανόλης ως διαλύτη, και μετά την απομάκρυνση του διαλύτη δημιουργήθηκε μια νέα μήτρα με νέα χαρακτηριστικά. % Απελευθέρωση της Τιμπολόνης [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 50/50 β/β [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 60/40 β/β [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 70/30 β/β [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 80/20 β/β [PVP/SiO 2 85/15]/Τιμπολόνη 90/10 β/β Χρόνος (λεπτά) Σχήμα 7.18 Το προφίλ αποδέσμευσης των τριαδικών στερεών διασπορών της Τιμπολόνης με σταθερή αναλογία πολυβινυλοπυρρολιδόνης και διαφορετική περιεκτικότητα σε δραστική. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της μήτρας αυτής θα μπορούσαν εν δυνάμει να διαφοροποιούνται από τα αρχικά υλικά. Ανατρέχοντας στην βιβλιογραφία βρέθηκε πως η πολυβινυλοπυρρολιδόνη αλληλεπιδρά με τις σιλανολικές ομάδες του διοξειδίου του πυριτίου. Για τον λόγο αυτό έχει αναφερθεί πώς τα μόρια της πολυβινυλοπυρρολιδόνης δεν απομακρύνονται από την επιφάνεια των νανοσωματιδίων του διοξειδίου του πυριτίου όταν η αναλογία C PVP /C SiO2 0.1, δημιουργώντας μια στοιβάδα επικάλυψης στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων (Hsiao, C.N., Huang, K.S.,. 2005). Η ενέργεια των δημιουργούμενων δεσμών 189

204 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ υδρογόνου μεταξύ των δύο υλικών έχει υπολογιστεί σύμφωνα με την μέθοδο Kitaura- Morokuma και είναι ΔΕ HF = -41 kj/mol (Gunko V.M., et al 2006). 7.3 Παρασκευή συστημάτων στερεής διασποράς πολυαιθυλενογλυκόλης/ Τιμπολόνης με την συμβατική μέθοδο ανάμιξης τήγματος και με τη χρήση της ενέργειας μικροκυμάτων αρχική παρατήρηση Επίδραση της χρήσης των μικροκυμάτων στην σταθερότητα της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης. H ακτινοβολία μικροκυμάτων είναι μια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η συχνότητα της οποίας βρίσκεται μεταξύ των συχνοτήτων υπερύθρου και ραδιοκυμάτων στο φάσμα από GHz, που αντιστοιχεί σε μήκη κύματος από 1 cm έως 1 m. Προκειμένου να αποφεύγονται ανεπιθύμητες επιδράσεις και παρεμβολές σε ραντάρ και τηλεπικοινωνίες, τόσο οι οικιακές όσο και οι εργαστηριακές συσκευές παραγωγής μικροκυμάτων λειτουργούν σε συχνότητες 2.45 GHz (που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος cm). Η εφαρμογή των μικροκυμάτων στην οργανική χημεία κατά την διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας λαμβάνει ιδιαίτερης προσοχής και στις μέρες μας όλο και περισσότεροι ερευνητές χρησιμοποιούν την τεχνολογία των μικροκυμάτων σε οργανικές αντιδράσεις, ιδιαίτερα στις διαδικασίες σύνθεσης δραστικών ουσιών σε μικρή εργαστηριακή κλίμακα, όπως επίσης και στην σύνθεση πολυμερών (Lehmann. H. et al Mavandadi F., et al Kappe CO., Dallinger D Wiesbrock F. et al Santagada V., et al 2004) Εκτός από της εφαρμογή τους στον τομέα της σύνθεσης δραστικών ουσιών, άλλες πιθανές εφαρμογές βρίσκουν πεδίο στην φαρμακευτική τεχνολογία ενώ βρίσκονται ακόμα σε αρχικά στάδια ανάπτυξης, αλλά με συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον. Η ικανότητα της ακτινοβολίας των μικροκυμάτων για επιτυχή ξήρανση δειγμάτων είναι αρκετά γνωστή σε διάφορα ερευνητικά πεδία καθώς και σε αυτό της φαρμακευτικής τεχνολογίας (Joshi HN., et al Pan X., et al David A., et al Mandal TK., 1995). Οι τεχνικές της υγρής μορφοποίησης χρησιμοποιούνται κατά κόρον για την παρασκευή κόνεων ελεύθερης ροής. Η διαδικασία ξήρανσης της σκόνης μπορεί να επηρεάσει σαφώς την ποιότητα του τελικού προϊόντος όπως για παράδειγμα στις ιδιότητες απελευθέρωσης της δραστικής από το τελικό σκεύασμα. Η χρήση των μικροκυμάτων σε υγρές κόνεις, οι οποίες περιέχουν ευαίσθητη στην 190

205 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ υγρασία δραστική ουσία, όπως το ακετυλοσαλυκιλικό οξύ, δεν προκαλούν την διάσπαση της δραστικής ουσίας και μάλιστα θεωρήθηκαν ως μια υποσχόμενη εναλλακτική μέθοδος ξήρανσης σε σχέση με τις συμβατικές (Chee SN., et al 2005). Η ακτινοβολία των μικροκυμάτων έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για να μελετηθεί η επίδρασή της στις φυσικοχημικές ή χημικές ιδιότητες των φορέων δραστικών ουσιών όπως το άμυλο (Szepes A., et al 2005) και την ζελατίνη (Vandelli MA., et al 2004). Επίσης με τη χρήση μικροκυμάτων αποφεύγεται σε πολλές χημικές διαδικασίες και αντιδράσεις η χρήση τοξικών συστατικών όπως διάφορες αλδεύδες ή άλλα συστατικά με διττή συμπεριφορά, που χρησιμοποιούνται στην διασταύρωση της ζελατίνης. Ακόμη μία πολύ σημαντική εφαρμογή των μικροκυμάτων στη φαρμακευτική τεχνολογία αφορά τη χρήση τους προκειμένου να μεταβληθεί η ταχύτητα απελευθέρωσης μιας δραστικής. Εφαρμογή στην οποία αναφέρεται και η παρούσα μελέτη. Η πρώτη απόπειρα σε αυτό το ερευνητικό πεδίο αποτελεί η προσπάθεια βελτίωσης της διαλυτότητας της δραστικής ουσίας φελοδιπίνης από συστήματα στερεής διασποράς με θέρμανση των φυσικών μιγμάτων της δραστικής και του φορέα (άμορφο διοξείδιο του πυριτίου), είτε σε πυριατήριο κενού είτε σε συσκευή μικροκυμάτων (Kerc J., et al 1998). Η ερευνητική ομάδα του Bergese, κατόρθωσε να βελτιώσει την βιοδιαθεσιμότητα διαφόρων αδιάλυτων δραστικών ουσιών, αναπτύσσοντας μια συνδυαστική μέθοδο χρήσης μικροκυμάτων και διάχυσης για την παραγωγή τρισδιάστατων νανοσύνθετων υλικών που φέρουν την δραστική ουσία (Bergese P., et al 2003). Επίσης η τεχνική της χρήσης μικροκυμάτων έχει χρησιμοποιηθεί για να προκληθούν σαφείς μετατροπές σε πολυμερικούς φορείς δραστικών ουσιών, οι οποίοι θα μπορούσαν εν δυνάμει να οδηγήσουν σε επιβράδυνση παρά επιτάχυνση της διαλυτότητας μιας δραστικής ουσίας (Wong TW., et al Nurjaya S., et al 2005). Μια από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές της χρήσης των μικροκυμάτων αποτελεί η βελτίωση της διαλυτότητας των δυσδιάλυτων στο νερό δραστικών ουσιών. Εκτιμάται ότι περίπου το 35-40% όλων των δραστικών ουσιών αποτελούν χημικές ενώσεις δυσδιάλυτες στο νερό και η βελτίωση της διαλυτότητάς τους αποτελεί σημαντικό βήμα για την αποτελεσματική τους χρήση και την μορφοποίησή τους σε επιτυχή φαρμακευτικά σκευάσματα. Στην παρούσα λοιπόν μελέτη τα μικροκύματα χρησιμοποιήθηκαν ως εναλλακτική μέθοδος για την παρασκευή 191

206 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ συστημάτων στερεής διασποράς μεταξύ της δυσδιάλυτης δραστικής ουσίας Τιμπολόνης και της πολυμερικής μήτρας-φορέα πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG), σε σύγκριση πάντα με τη συμβατική τεχνική. Μελετήθηκαν η μορφολογία των δειγμάτων, η επίδραση της χρήσης των μικροκυμάτων στον χρόνο παρασκευής των δειγμάτων καθώς και στην σταθερότητα της δραστικής, τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και η απελευθέρωση της δραστικής από τα δείγματα, σε σύγκριση πάντα με την συμβατική μέθοδο θερμού τήγματος για την παρασκευή στερεών διασπορών. Πριν την προετοιμασία και την μελέτη των δειγμάτων στερεής διασποράς, μελετήθηκε η επίδραση της χρήσης των μικροκυμάτων στην σταθερότητα της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης. Για τον σκοπό αυτό μία ποσότητα δραστικής υποβλήθηκε σε ακτινοβόληση με μικροκύματα ισχύος 440 και 600 W για διάφορα χρονικά διαστήματα. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε ποιοτική και ποσοτική ανάλυση των δειγμάτων. Η χρήση υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης, απέδειξε πως η χρήση των μικροκυμάτων δεν επηρέασε την σταθερότητα της δραστικής. Στα χρωματογραφήματα που παρελήφθησαν δεν παρατηρήθηκε η ύπαρξη κάποιας άλλης κορυφής πέρα από αυτή της καθαρής Τιμπολόνης στα 205 nm. Επίσης δεν παρατηρήθηκε, στα δείγματα που υπέστησαν κατεργασία με χρήση μικροκυμάτων σε ισχύ 440W, ελάττωση της περιεκτικότητας σε καθαρή δραστική ακόμα και μετά από παρατεταμένη επίδραση των μικροκυμάτων για χρονικό διάστημα πέντε λεπτών. Όταν η ισχύς αυξήθηκε στα 600W, παρατηρήθηκε μικρή ελάττωση στην σταθερότητα της δραστικής με την αύξηση του χρόνου επίδρασης των μικροκυμάτων. Η επί τοις εκατό ανάκτηση μειώθηκε από ± σε ± μετά από πέντε λεπτά ακτινοβόλησης (Πίνακας 7.1). 192

207 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Πίνακας 7.1 Ποσοτική αποτίμηση της περιεκτικότητας των δειγμάτων σε καθαρή Τιμπολόνη μετά από ακτινοβόλησή τους με μικροκύματα Δείγμα Ποσοτική ανάλυση S.D %RSD Τιμπολόνη (χωρίς μικροκ) 99,59 0,0024 0,5611 Tιμπολόνη 1min στα 440 W 99,65 0,0095 1,2379 Tιμπολόνη 3min στα 440 W 99,56 0,0121 1,3285 Tιμπολόνη 5min στα 440 W 99,49 0,0097 1,3961 Tιμπολόνη 1min στα 600 W 99,43 0,0065 1,3031 Tιμπολόνη 3min στα 600 W 99,15 0,0136 2,8119 Tιμπολόνη 5min στα 600 W 98,68 0,0116 2,3957 Τα παραπροϊόντα από την πιθανή διάσπαση της δραστικής, που δημιουργήθηκαν κατά την διάρκεια της χρήσης των μικροκυμάτων, εξετάστηκαν με την χρήση υγρής χρωματογραφίας σε συνδυασμό με φασματοσκοπία μαζών. Οι χρόνοι κατακράτησης (retention time) της κορυφής που καταγράφηκε, σε όλα τα υπό μελέτη δείγματα, είναι πανομοιότυποι και δεν ήταν δυνατή η ανίχνευση προϊόντων διάσπασης. Μία μοναδική κορυφή καταγράφηκε σε όλα τα χρωματογραφήματα, η οποία ταυτοποιήθηκε με την χρήση φασματοσκοπίας μαζών, και αποδόθηκε στην Τιμπολόνη. Από το φάσμα μαζών της καθαρής δραστικής Τιμπολόνης, έγινε αντιληπτό πως η δραστική ουσία έφερε προσδεδεμένα μόρια του διαλύτη [MH + +2CH 3 OH +H 2 O; m/z=393] ενώ το μοριακό ιόν της δραστικής προσδιορίστηκε σε MH + ; m/z=313. Επίσης καταγράφηκε και το μοριακό ιόν που προκύπτει με απομάκρυνση από την δομή της δραστικής ουσίας μιας OH και μιας CH 3 ομάδας, MH + ; m/z=281 η οποία αποτελούσε και την βασική κορυφή στο φάσμα μαζών, στην συνέχεια από την δραστική απομακρύνεται μια ομάδα -C CH, δίνοντας ακόμα μία κορυφή στο φάσμα μαζών MH + ; m/z=256. Παρόμοια εικόνα έδωσε και η Τιμπολόνη που υπέστη κατεργασία με την χρήση μικροκυμάτων (Σχήμα 7.19). 193

208 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ a b Σχήμα 7.19 Φάσμα μαζών α)καθαρής Τιμπολόνης β) Τιμπολονης μετά από κατεργασία με χρήση μικροκυμάτων για 3 min στα 440W. To φάσμα πρωτονίου πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ( 1 H-NMR), των δειγμάτων που υπέστησαν κατεργασία με χρήση μικροκυμάτων στα 440 και 600 W για 5 λεπτά ήταν ακριβώς τα ίδια με το φάσμα που έδωσε η καθαρή (μηκατεργασμένη) δραστική (Σχήμα 7.20). Από μια πρώτη εκτίμηση των φασμάτων παρατηρήθηκε ότι δεν υπήρχαν άλλες κορυφές ή ακόμα και χαρακτηριστικές μετατοπίσεις των ήδη παρατηρούμενων κορυφών, που θα υποδήλωναν την πιθανή 194

209 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ δημιουργία προϊόντων διάσπασης. Βασιζόμενοι στα αποτελέσματα της ποσοτικής ανάλυσης οι παρατηρήσεις επιβεβαιώθηκαν και ήταν οι αναμενόμενες για την περίπτωση των δειγμάτων που υπέστησαν κατεργασία στα 440 W, όχι όμως και για τα δείγματα στα 600 W. Μια πιο ενδελεχής παρατήρηση των φασμάτων 1 H-NMR των φασμάτων που ακτινοβολήθηκαν στα 600 W, κατέδειξε την ύπαρξη μίας επιπλέον κορυφής με χαμηλή ένταση στα 1.96 ppm, όπου απορροφά το πρωτόνιο της υδροξυλικής ομάδας. Το γεγονός αυτό αποτελεί ένδειξη ότι κατά την χρήση μικροκυμάτων σε υψηλές τιμές τάσης μπορεί εν δυνάμει να πραγματοποιηθούν μικρές αλλαγές στο μόριο της δραστικής ουσίας, με πιο πιθανό ενδεχόμενο αυτό της απομάκρυνσης ενός πρωτονίου της υδροξυλικής ομάδας. Από τις παρατηρήσεις που έγιναν όσον αφορά της σταθερότητα της Τιμπολόνης μετά από χρήση ακτινοβολίας μικροκυμάτων μπορεί να αναφερθεί πως η χρήση ισχύος 440W δεν επηρεάζει την σταθερότητα της δραστικής, ακόμα και για παρατεταμένη χρονική εφαρμογή (5 λεπτά), παρατεταμένη εφαρμογή των μικροκυμάτων στα δείγματα σε ισχύ 600W φάνηκε να προκαλεί μικρές μεταβολές στην δραστική. Γι αυτούς τους λόγους και προκειμένου να αποφευχθεί μια πιθανή διάσπαση της δραστικής κατά την διάρκεια παρασκευής των δειγμάτων στερεής διασποράς, όλα τα δείγματα παρασκευάστηκαν με χρήση ισχύος 440 W. i) 195

210 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ a) b) c) ii) Σχήμα 7.20 Φάσμα πρωτονίου πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ( 1 H-NMR) της i)α) καθαρής Τιμπολόνης β) Τιμπολονης μετά από κατεργασία με χρήση μικροκυμάτων για 3 min στα 440W γ) μετά από κατεργασία για 5min στα 600W ii) διευρυμένη περιοχή της υδροξυλικής ομάδας της Τιμπολόνης για τα ίδια δείγματα Επίδραση της χρήσης μικροκυμάτων στον απαιτούμενο χρόνο παρασκευής των δειγμάτων στερεής διασποράς. Προκειμένου να μελετηθεί ο χρόνος που απαιτείται για την πλήρη διάλυση της δραστικής στο τήγμα της πολυαιθυλενογλυκόλης πραγματοποιήθηκαν μια σειρά πειραμάτων. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 7.21, ο απαιτούμενος και αναγκαίος χρόνος για την τήξη της πολυαιθυλενογλυκόλης με την χρήση μικροκυμάτων παρουσιάστηκε χρονικά ιδιαίτερα περιορισμένος μη ξεπερνώντας το 1 λεπτό συνολικά ακόμα και σε ισχύ 250W, ενώ ο χρόνος που απαιτείται για μια συμβατική τήξη της πολυαιθυλενογλυκόλης σε θερμοκρασία 140 o C δεν είναι λιγότερος από 5 λεπτά. Το γεγονός αυτό συνεπώς επηρέασε άμεσα και τον απαιτούμενο χρόνο για την διάλυση της Τιμπολόνης στο τήγμα του πολυμερούς (PEG), ο οποίος κυμάνθηκε μεταξύ 90 και 140 δευτερολέπτων (Σχήμα 7.21). Επιπλέον ο χρόνος που απαιτήθηκε για την Τιμπολόνη να διαλυθεί στο τηγμένο PEG (και να δημιουργηθεί τελικά ένα διαυγές τήγμα) ελαττώθηκε με αύξηση της ισχύος ακτινοβόλησης του δείγματος με μικροκύματα. Συνεπώς τα δείγματα με περιεκτικότητα 10% κατά βάρος σε 196

211 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Τιμπολόνη διαύγασαν σε 90 δευτερόλεπτα στην μικρότερη εφαρμοζόμενη ισχύ (250 W) και μόνο σε 60 δευτερόλεπτα όταν η ισχύς έφτανε τα 600W. Ό χρόνος που απαιτήθηκε για να πραγματοποιηθεί η ίδια διαδικασία, η διάλυση δηλαδή της δραστικής στο τήγμα του πολυμερούς, για το δείγμα με περιεκτικότητα 30% σε Τιμπολόνη, κυμάνθηκε μεταξύ 90 και 140 δευτερόλεπτα ανάλογα με την χρησιμοποιούμενη ισχύ. Παρόλα αυτά στην περίπτωση του δείγματος 50% σε Τιμπολόνη δεν επιτεύχθηκε πλήρης διάλυση της δραστικής ακόμα και μετά από παρατεταμένη χρονικά χρήση των μικροκυμάτων (200 δευτερόλεπτα), όπως αποδείχθηκε και από το γεγονός της μη διαύγασης των μειγμάτων. Η Τιμπολόνη διαλύεται μερικώς ενώ η υπόλοιπη ποσότητα παραμένει αιωρούμενη στο τήγμα του πολυμερούς εξαιτίας του κορεσμού του από την δραστική που έχει ήδη διαλυθεί. Επίσης πλήρης διαύγαση για αυτό το δείγμα δεν παρατηρήθηκε ούτε στην περίπτωση της χρήσης της συμβατικής μεθόδου τήγματος για την παρασκευή των δειγμάτων στερεής διασποράς, γεγονός που ενίσχυσε την παραπάνω άποψη Χρόνος (δευτερόλεπτα) PEG PEG/Tibo 90/10 w/w PEG/Tibo 70/30 w/w PEG/Tibo 50/50 w/w Ισχύς Μικροκυμάτων (W) Σχήμα 7.21 Απαραίτητος χρόνος επίδρασης με μικροκύματα, για να επιτευχθεί τήξη της πολυαιθυλενογλυκόλης και απαιτούμενος χρόνος για τη διάλυση της Τιμπολόνης σε τήγμα PEG σε διαφορετικές τιμές ισχύος. 197

212 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Ο απαιτούμενος χρόνος για τη διάλυση της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης στο τήγμα της πολυαιθυλενογλυκόλης με την χρήση μικροκυμάτων είναι σαφώς μικρότερος σε σχέση με τον χρόνο που απαιτείται για την προετοιμασία των αντίστοιχων δειγμάτων με την συμβατική μέθοδο τήγματος με την εφαρμογή θερμότητας (περισσότερο από 15 λεπτά). Τα μικροκύματα αποτελούν έναν τύπο ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, αποτελούμενο από κάθετο συνδυασμό ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Δύο είναι οι βασικοί μηχανισμοί που συνδέονται άμεσα με την ικανότητα αύξησης της θερμοκρασίας με την χρήση των μικροκυμάτων, η ιονική αγωγιμότητα και η ικανότητα περιστροφής διπόλου. Πολικές ομάδες όπως OH, COOH, -NH 2, >C=O, οι οποίες εμφανίζονται στα περισσότερα μόρια, τείνουν να προσανατολίζονται με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Στην περίπτωση της πολυαιθυλενογλυκόλης τέτοιες χαρακτηριστικές ομάδες αποτελούν οι αιθερικές ομάδες της μακρομοριακής αλυσίδας καθώς και οι τελικές υδροξυλικές ομάδες. Αν η εφαρμοζόμενη συχνότητα είναι πολύ χαμηλή, όλα τα μόρια θα κινούνται (οργάνωση και αναδιοργάνωση) στον ίδιο χρόνο με τη συχνότητα του πεδίου. Θα βρίσκονται δηλαδή σε ακριβή φάση. Αν πάλι η συχνότητα του πεδίου είναι αρκετά υψηλή, τα μόρια δεν έχουν χρόνο να αντιδράσουν και παρουσιάζουν μία υστέρηση. Το γεγονός αυτό είναι και η συνήθης περίπτωση λειτουργίας τόσο των οικιακών συσκευών μικροκυμάτων όσο και των εργαστηριακών οργάνων (2.45 GHz), και τα μόρια παρουσιάζουν υστέρηση σε σχέση με το πεδίο. Αυτή η υστέρηση είναι και η αιτία όπου η ενέργεια των μικροκυμάτων μετατρέπεται σε θερμική αυξάνοντας έτσι τη θερμοκρασία ενός διαλύματος ή ενός στερεού σώματος. Για τον λόγο αυτό, το κύριο πλεονέκτημα των μικροκυμάτων είναι ότι η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα απευθείας στο εσωτερικό του υλικού. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατόν να επιτευχθεί γρήγορη και ομοιόμορφη θέρμανση ακόμα και σε υλικά που παρουσιάζουν περιορισμένη αγωγιμότητα, όπως τα πολυμερή (και η πολυαιθυλενογλυκόλη που χρησιμοποιήθηκε στην συγκεκριμένη μελέτη), καθώς η μεταφορά ενέργειας δεν βασίζεται στην διάχυση της θερμότητας. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την μορφοποίηση δραστικών ουσιών στην φαρμακευτική τεχνολογία, καθώς πολλά από τα χρησιμοποιούμενα έκδοχα στις φαρμακευτικές συνθέσεις είναι πολυμερικά υλικά. Επιπλέον η χρήση μικροκυμάτων οδηγεί απευθείας στην θέρμανση των συστατικών. Για το λόγο αυτό, η 198

213 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ πολυαιθυλενογλυκόλη, όταν γίνεται χρήση μικροκυμάτων χρειάζεται μόνο μερικά δευτερόλεπτα να τηχθεί, ενώ στην περίπτωση της συμβατικής θέρμανσης απαιτείται χρόνος που αγγίζει τα πέντε λεπτά. Μπορεί λοιπόν να εξαχθεί ως συμπέρασμα πως η παρασκευή συστημάτων στερεής διασποράς με την χρήση μικροκυμάτων είναι πολύ πιο σύντομη, και άρα περισσότερο αποδοτική, διαδικασία, σε σχέση με την χρήση της συμβατικής μεθόδου τήγματος που εφαρμόζεται στην παρασκευή συστημάτων στερεής διασποράς. 7.4 Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός και μελέτη των συστημάτων στερεής διασποράς πολυαιθυλενογλυκόλης Τιμπολόνης με την μέθοδο ανάμιξης τήγματος και της χρήσης μικροκυμάτων Θερμική ανάλυση-διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης-Differential Scanning Calorimetry(DSC) Και σε αυτή την περίπτωση των στερεών διασπορών όπως και με τους προηγούμενους φορείς που χρησιμοποιήθηκαν, ως κύριο και αρχικό εργαλείο, προκειμένου να υπάρξει μια αρχική αποτίμηση για το πώς οι μέθοδοι στερεής διασποράς που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των δειγμάτων, επηρεάζουν τις φυσικές ιδιότητες της δραστικής, χρησιμοποιήθηκε η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Τα θερμογράματα των δύο διαφορετικών πειραματικών σειρών των στερεών διασπορών με την συμβατική μέθοδο θερμού τήγματος ή με την εναλλακτική μέθοδο με χρήση μικροκυμμάτων, καταγράφηκαν και παρουσιάζονται στα Σχήματα 7.22, Η πολυαιθυλενογλυκόλη αποτελεί ένα ημικρυσταλλικό πολυμερές που χαρακτηρίζεται από πολύ χαμηλό σημείο ζέσεως, και για τον λόγο αυτό μπορεί πολύ εύκολα να χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή στερεών διασπορών με την μέθοδο θερμού τήγματος. Επίσης, ακριβώς εξαιτίας του ιδιαίτερα χαμηλού σημείου τήξεως, η πολυαιθυλενογλυκόλη έχει την ικανότητα μετά την τήξη της να διαλύει την όποια δραστική πριν ακόμα η τελευταία αγγίξει το δικό της σημείο τήξεως, το οποίο αρκετές φορές εμφανίζεται σε σημαντικά υψηλές θερμοκρασίες. Σε όλα τα δείγματα των στερεών διασπορών, όπως η συμπεριφορά τους καταγράφηκε στο DSC, η κορυφή τήξης της πολυαιθυλενογλυκόλης είναι αυτή που φαίνεται να κυριαρχεί ενώ το σημείο τήξεως της Τιμπολόνης δύσκολα μπορούσε να ανιχνευθεί. Κυρίως στα 199

214 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ δείγματα με περιεκτικότητα 10 και 30% κατά βάρος σε Τιμπολόνη δεν καταγράφηκε σημείο τήξεως. Παρόλα αυτά, το γεγονός αυτό δεν αποτελεί απόδειξη ότι η δραστική έχει διασπαρεί στην πολυμερική μήτρα σε άμορφη κατάσταση. Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Ενδόθερμο PEG/Tibo 90/10 w/w PEG/Tibo 70/30 w/w PEG/Tibo 50/50 w/w Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα 7.22 Θερμογράμματα διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης των δειγμάτων στερεών διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης /Τιμπολόνης με χρήση μικροκυμάτων. Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Ενδόθερμο PEG/Tibo 90/10 w/w PEG/Tibo 70/30 w/w PEG/Tibo 50/50 w/w Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα 7.23 Θερμογράμματα διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης των δειγμάτων στερεών διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης /Τιμπολόνης με την συμβατική μέθοδο θερμού τήγματος 200

215 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Από προηγούμενη ερευνητική εργασία στο ίδιο αντικείμενο, έχει αποδειχθεί ότι στην περίπτωση της χρήσης της πολυαιθυλενογλυκόλης ως φορέα μιας δραστικής, εξαιτίας του χαμηλού σημείου τήξεως που παρουσιάζει, τα σωματίδια διαφόρων δραστικών μπορούν εύκολα να διαλυθούν στο τήγμα του πολυμερούς πριν αγγίξουν το δικό τους σημείο τήξεως, όπως προαναφέρθηκε (Bikiaris, D. et al 2005). Έτσι, η πιθανή ύπαρξη κρυστάλλων της δραστικής δεν είναι δυνατόν να ανιχνευθεί, στις στερεές διασπορές, με την χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης. Σε παρόμοια συστήματα η θερμική ανάλυση δεν αποτελεί κατάλληλη τεχνική και θα πρέπει πάντα να συνοδεύεται και να αλληλοσυμπληρώνεται και με άλλες τεχνικές όπως η ηλεκτρονική μικροσκοπία και περίθλαση ακτίνων Χ. Για τους παραπάνω λόγους το σημείο τήξεως της Τιμπολόνης ανιχνεύτηκε μόνο στην περίπτωση των δειγμάτων με περιεκτικότητα 50% κατά βάρος σε δραστική, ανεξάρτητα από την τεχνική, συμβατική μέθοδο θερμού τήγματος ή εναλλακτικά με χρήση μικροκυμάτων, που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή των δειγμάτων. Στην περίπτωση των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν με την χρήση μικροκυμάτων το σημείο τήξεως καταγράφηκε σε θερμοκρασία 152 o C, δηλαδή 19 o C χαμηλότερα από την θερμοκρασία που καταγράφηκε το σημείο τήξεως της καθαρής Τιμπολόνης, στους 171 o C. Η μετατόπιση αυτή μπορεί εν δυνάμει αποτελεί απόδειξη όσων υποθετικά αναφέρθηκαν παραπάνω, ότι τελικά η δραστική διαλύεται στο τήγμα της πολυαιθυλενογλυκόλης. Παρατηρώντας το σημείο τήξεως της πολυαιθυλενογλυκόλης γίνεται αντιληπτό πως με αύξηση της περιεκτικότητας των δειγμάτων σε Τιμπολόνη, μετατοπίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Από τους 64 o C στο δείγμα που περιέχει 10% κατά βάρος σε Τιμπολόνη στους 63 και από τους 62 στους 60 o C για τα δείγματα με περιεκτικότητα 30 και 50% αντίστοιχα (Πίνακας 7.2). Η αλλαγή αυτή στο σημείο τήξεως της πολυαιθυλενογλυκόλης δίνει το έναυσμα για την ανάπτυξη της υπόθεσης ότι δημιουργείται ένα διφασικό σύστημα της δραστικής με την πολυμερική μήτρα αλλά με πιθανά μικρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Ένα μέρος της δραστικής διεισδύει στην πολυμερική φάση και οι κρύσταλλοι εμφανίζονται ατελώς σχηματισμένοι, παρουσιάζοντας χαμηλότερο σημείο τήξεως. Επιπλέον όπως παρουσιάζεται και στον Πίνακα 7.2, τα δείγματα που έχουν υποστεί κατεργασία με μικροκύματα παρουσίαζαν ελάχιστα υψηλότερη ΔH m συγκρινόμενα με τα δείγματα που παρασκευάστηκαν με την συμβατική μέθοδο θερμού τήγματος. Η 201

216 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ εμφανιζόμενη αυτή υψηλότερη κρυσταλλικότητα της πολυμερικής μήτρας θεωρήθηκε ότι πιθανά σχετίζεται με την αναδιάταξη και τον προσανατολισμό των υδροξυλικών ομάδων της πολυαιθυλενογλυκόλης κατά την διάρκεια της κατεργασίας με μικροκύματα. Κάτι τέτοιο μπορεί εν δυνάμει να οδηγήσει και σε αναδιάταξη και προσανατολισμό των μακρομοριακών αλυσίδων του πολυμερούς κατά την διάρκεια της ψύξης του δείγματος και συνεπώς και σε υψηλότερο βαθμό κρυσταλλικότητας. Πίνακας 7.2 Τιμές θερμοκρασίας τήξης (Tm) και ενθαλπίας (ΔΗ) των δειγμάτων στερεής διασποράς πολυαιθυλενογλυκόλης/τιμπολόνης Δείγματα ΔH m (J/g) T m ( o C) PEG T m ( o C) Drug PEG Tibolone 171 Με χρήση μικροκυμάτων PEG/Tibo 90/ PEG/Tibo 70/ PEG/Tibo 50/ Μέθοδος θερμού τήγματος PEG/Tibo 90/ PEG/Tibo 70/ PEG/Tibo 50/ Επίσης η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ χρησιμοποιήθηκε ως συμπληρωματική μέθοδος προκειμένου να μελετηθεί η κρυσταλλική κατάσταση της δραστικής Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ - Wide Angle X-Ray Diffractometry (WAXD) Όπως έχει προηγουμένως αναφερθεί η δραστική ουσία Τιμπολόνη εμφανίζεται σε δύο διαφορετικές κρυσταλλικές καταστάσεις (Μορφή Ι και Μορφή ΙΙ). Στην περίπτωση των στερεών διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης/τιμπολόνης, όλα τα δείγματα παρουσίασαν χαρακτηριστικές κορυφές διάθλασης τόσο για την πολυμερική 202

217 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ μήτρα όσο και για την δραστική (Σχήματα 7.24 και 7.25). Οι εντάσεις των κορυφών που ανταποκρίνονταν στην δραστική παρουσίασαν χαρακτηριστική αύξηση στα δείγματα με αύξηση της περιεκτικότητας της Τιμπολόνης σε αυτά, προσδίδοντας έτσι την όλο και αυξανόμενη περιεκτικότητα σε κρυστάλλους της δραστικής στα δείγματα. Η παρατήρηση των φασμάτων οδήγησε στο συμπέρασμα πως στα δείγματα με περιεκτικότητες σε δραστική έως και 30% η κρυσταλλική μορφή της Τιμπολόνης παρέμεινε ίδια, αυτή της αρχικής δραστικής (Μορφή ΙΙ). Η χρήση άρα της μεθόδου τήγματος είτε με την χρήση μικροκυμάτων είτε με την χρήση της συμβατικής μεθόδου παρασκευής των δειγμάτων, δεν επηρέασε την κρυσταλλική μορφή της δραστικής στα δείγματα των στερεών διασπορών με σχετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε Τιμπολόνη. Παρόλα αυτά στην περίπτωση των δειγμάτων με περιεκτικότητα 50% κατά βάρος σε Τιμπολόνης το δεύτερο πολύμορφο της δραστικής (Μορφή Ι) εμφανίζεται και στα δύο δείγματα, παρασκευασμένα με διαφορετικές μεθόδους (Σχήματα 7.23 και 7.24). Ο σχηματισμός ενός υπέρκορου διαλύματος της δραστικής στην πολυμερική μήτρα επηρέασε την ικανότητα της δραστικής να κρυσταλλώνεται στο δεύτερο πολύμορφο. Intensity Τιμπολόνη (Μορφή ΙΙ) 50% 30% 10% PEG θ ( o ) Σχήμα 7.24 Φάσματα κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ των στερεών διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης/tιμπολόνης με χρήση μεθόδου θερμού τήγματος με χρήση μικροκυμάτων 203

218 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Οι βαθμοί κρυσταλλικότητας υπολογίστηκαν σχεδόν ίδιες χωρίς σαφείς διαφορές για τα αντίστοιχα δείγματα, τόσο για τα δείγματα που παρασκευάστηκαν με την συμβατική μέθοδο όσο και για αυτά που δημιουργήθηκαν με την χρήση μικροκυμάτων. Από τις τιμές που υπολογίστηκαν παρατηρήθηκε πως η κρυσταλλικότητα κυμαίνεται από 12-14%, 40-42% και 66-70% για τα δείγματα των στερεών διασπορών με περιεκτικότητα 10, 30 και 50% κατά βάρος σε Τιμπολόνη, αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές της κρυσταλλικότητας αποτελούν τις μέσες τιμές 5 διαφορετικών μετρήσεων. Στην περίπτωση λοιπόν της μεθόδου θερμού τήγματος οποιαδήποτε τεχνική από τις δύο δεν κατόρθωσε να αποδώσει την δραστική σε άμορφη κατάσταση. Intensity Τιμπολόνη (Μορφή ΙI) PEG 50% 30% 10% θ ( o ) Σχήμα 7.25 Φάσματα κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ των στερεών διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης/tιμπολόνης με χρήση μεθόδου θερμού τήγματος με την συμβατική μέθοδο θέρμανσης και τήξης Φασματοσκοπία Υπερύθρου- Μετασχηματισμού Fourier, Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT-IR) Όπως προαναφέρθηκε η χρήση φασματοσκοπίας υπερύθρου μπορεί να δώσει αρκετές πληροφορίες όσον αφορά τόσο την πιθανή ύπαρξη δεσμών μεταξύ της 204

219 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ πολυμερικής μήτρας και της δραστικής ή ακόμα και πληροφορίες για την κρυσταλλική κατάσταση της δραστικής στα δείγματα. Στο σχήμα 7.26 παρουσιάζονται τα φάσματα απορρόφησης της καθαρής Τιμπολόνης (Μορφή ΙΙ) και της ανακρυσταλλωμένης Τιμπολόνης από αιθανόλη (Μορφή Ι) αναλυτικά τα φάσματα αυτά έχουν χαρακτηριστεί και οι κορυφές έχουν αποδοθεί σε προηγούμενη παράγραφο. Απορρόφηση Μορφή Ι Μορφή II Κυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 7.26 Φάσματα υπερύθρου (απορρόφηση) της Τιμπολόνης στις δύο διαφορετικές κρυσταλλικές της μορφές Μορφή II και Μορφή I. Στα φάσματα των στερεών διασπορών που παρασκευάστηκαν είτε με την συμβατική τεχνική της μεθόδου θερμού τήγματος είτε με την εναλλακτική τεχνική της χρήσης μικροκυμάτων, όλες οι χαρακτηριστικές κορυφές της δραστικής ουσίας εμφανίζονται στην ίδια θέση όπως ακριβώς και στο φάσμα απορρόφησης της καθαρής Τιμπολόνης (Μορφή I και Μορφή II). Επίσης, δεν παρατηρήθηκε καμία μετατόπιση της κορυφής που αποδόθηκε στην καρβονυλική ομάδα, γεγονός ενδεικτικό της μη ύπαρξης δεσμών υδρογόνου μεταξύ των καρβονυλικών ομάδων της Τιμπολόνης και των ακραίων υδροξυλικών ομάδων της πολυαιθυλενογλυκόλης. 205

220 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ 70/30 Απορρόφηση 90/10 50/50 PEG Tibolone Κυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 7.27 Φάσματα υπερύθρου των στερεών διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης /Τιμπολόνης που παρασκευάστηκαν με την χρήση της συμβατικής μεθόδου θερμού τήγματος 50/50 Απορρόφηση PEG 90/10 Tibolone 70/ Κυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 7.28 Φάσματα υπερύθρου των στερεών διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης /Τιμπολόνης που παρασκευάστηκαν με την χρήση μικροκυμάτων. 206

221 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Επιπλέον η διπλή κορυφή απορρόφησης του υδροξυλίου της Τιμπολόνης εμφανίζεται μόνο στο δείγμα με περιεκτικότητα 50% σε δραστική (Σχήματα 7.27, 7.28) γεγονός που βρίσκεται σε συμφωνία με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την λήψη των φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ. Άρα μόνο σε αυτό το δείγμα παρατηρήθηκε αλλαγή στην κρυσταλλική μορφή της Τιμπολόνης (Μορφή Ι), ενώ στα δείγματα με περιεκτικότητες 10 και 30% κατά βάρος σε δραστική η κρυσταλλική μορφή παραμένει η ίδια (Μορφή ΙΙ). Επίσης από τα φάσματα υπερύθρου στην περιοχή απορρόφησης των καρβονυλικών ομάδων παρατηρήθηκε πως η ένταση της χαρακτηριστικής κορυφής στα 3410 cm -1 είναι διαφορετική στα δείγματα που παρασκευάστηκαν με τις δύο διαφορετικές τεχνικές και με περιεκτικότητα 50% κατά βάρος σε δραστική. Στην περίπτωση του δείγματος που παρασκευάστηκε με την συμβατική τεχνική της μεθόδου θερμού τήγματος το σχήμα της κορυφής απορρόφησης εμφανίστηκε να είναι πολύ κοντά από άποψη μορφής της κορυφής στο φάσμα της Τιμπολόνης της Μορφής ΙΙ, γεγονός που αποδεικνύει πως οι κρύσταλλοι της δραστικής σχηματίστηκαν κατά προτίμηση με αυτή την μορφή παρά με την Μορφή Ι. Σε αντίθεση με αυτό το δείγμα που προέκυψε από την χρήση μικροκυμάτων παρουσίασε την συγκεκριμένη κορυφή στα 3410cm -1 με σαφώς χαμηλότερη ένταση σε σχέση με την κορυφή που εμφανίζεται στα 3492cm -1, γεγονός που απέδειξε σαφώς την παρουσία και των δύο κρυσταλλικών μορφών της δραστικής σε αυτό δείγμα, και εμφανώς της μορφής Ι Μελέτη των συστημάτων με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία-Scanning Electron Microscopy (SEM) Στις μικρογραφίες των διασπορών πολυαιθυλενογλυκόλης/τιμπολόνης (Σχήμα 7.29 α και β), ανεξάρτητα από την περιεκτικότητα των δειγμάτων, παρατηρήθηκαν κρύσταλλοι της δραστικής ουσίας, γεγονός που βρίσκεται σε συμφωνία με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα δεδομένα της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, γεγονός που απέδειξε την ύπαρξη κρυσταλλικότητας στα δείγματα (Σχήματα 7.24 και 7.25).Η απουσία αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δραστικών ομάδων της Τιμπολόνης και των υδροξυλικών ομάδων της πολυαιθυλενογλυκόλης επέτρεψε την κρυστάλλωση της δραστικής στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας. Με αύξηση της 207

222 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ περιεκτικότητας των δειγμάτων σε δραστική παρατηρήθηκε αύξηση στο μέγεθος των κρυστάλλων. a) i ii iii b) i ii iii Σχήμα 7.29 Μικροφωτογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των δειγμάτων στερεής διασποράς που παρασκευάστηκαν α) με την συμβατική μέθοδο θερμού τήγματος και β) με τη χρήση μικροκυμάτων. Και στις δύο περιπτώσεις i)10%, ii)30% και iii) 50% κατά βάρος σε δραστική ουσία Τιμπολόνη Η ηλεκτρονική μικρογραφία αποκάλυψε επίσης ότι η πολυμερική μήτρα στα δείγματα που παρασκευάστηκαν με την συμβατική μέθοδο εξώθησε την δραστική ουσία από το εσωτερικό της προς την εξωτερική επιφάνεια, δημιουργώντας ένα διφασικό σύστημα με δύο διακριτές ξεχωριστές φάσεις, μία αυτή της δραστικής και μία της πολυμερικής μήτρας (Σχήμα 7.29 α). Το σημαντικότερο ίσως στοιχείο που προέκυψε από την παρατήρηση των δειγμάτων στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποτέλεσε το γεγονός της ελάττωσης του μεγέθους των κρυστάλλων στα δείγματα που έχει γίνει χρήση μικροκυμάτων, σε σχέση με τα υπόλοιπα δείγματα (Σχήμα 7.29 β). Η χρήση των μικροκυμάτων φαίνεται πως οδήγησε στην δημιουργία μιας πιο λεπτής διασποράς της δραστικής στην πολυμερική μήτρα, γεγονός που μπορεί να έχει σαφώς θετικά αποτελέσματα στην ταχύτητα απελευθέρωσης της δραστικής από τις στερεές διασπορές. 208

223 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ In vitro μελέτη του ρυθμού απελευθέρωσης της Τιμπολόνης H βελτίωση του προφίλ της in vitro απελευθέρωσης μιας δυσδιάλυτης δραστικής ουσίας, αποτελεί τα τελευταία χρόνια πρόκληση για τους επιστήμονες που εργάζονται στον τομέα της φαρμακευτικής τεχνολογίας. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 7.30 επιτεύχθηκε βελτίωση της διαλυτότητας της Τιμπολόνης σε όλα τα παρασκευασθέντα δείγματα των στερεών διασπορών, σε σύγκριση πάντα με την καθαρή δραστική της οποίας η διαλυτότητα δεν ξεπερνά το 20%. Η πολυαιθυλενογλυκόλη έχει χρησιμοποιηθεί κατά κόρον για την βελτίωση της διαλυτότητας διαφόρων δραστικών στα δείγματα στερεών διασπορών, λειτουργώντας ως βασικό συστατικό για την βελτίωση της διαβρεχτικότητας, της καλύτερης διασποράς, καθώς επίσης και για την ελάττωση του μεγέθους των σωματιδίων και την μείωση της κρυσταλλικότητας της δραστικής (Karavas E, et al Van den Mooter G et al Papageorgiou GZ. et al 2006). 100 % Απελευθέρωση της Τιμπολόνης PEG/Tibo 90/10 w/w (mi) PEG/Tibo 90/10 w/w PEG/Tibo 70/30 w/w (mi) PEG/Tibo 70/30 w/w PEG/Tibo 50/50 w/w (mi) PEG/Tibo 50/50 w/w Tibolone Χρόνος (λεπτά) Σχήμα 7.30 Το προφίλ αποδέσμευσης των δειγμάτων στερεής διασποράς πολυαιθυλενογλυκόλης/τιμπολόνης παρασκευασμένων με την χρήση μικροκυμάτων καθώς και με την χρήση της συμβατικής μεθόδου θερμού τήγματος. Η συμπεριφορά αυτή της πολυμερικής μήτρας παρατηρήθηκε στα υπό μελέτη δείγματα και πιο συγκεκριμένα με περιεκτικότητα 10% σε δραστική, σχεδόν όλη η 209

224 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ποσότητα της Τιμπολόνης απελευθερώθηκε στα 10 πρώτα λεπτά. Επίσης αύξηση της περιεκτικότητας των δειγμάτων σε δραστική προκάλεσε την ελάττωση της ταχύτητας απελευθέρωσης της Τιμπολόνης (Σχήμα 7.30), γεγονός που οφείλεται στην ελάττωση της υδροφιλικότητας αλλά και στην μειωμένη διαβρεχτικότητα των στερεών διασπορών (Mura P et al Kanaze FI et al 2006). Η εφαρμογή των μικροκυμάτων στην διαδικασία παρασκευής των δειγμάτων κατέληξε σε μια μικρή ενίσχυση της ταχύτητας διάλυσης της Τιμπολόνης (δηλαδή του % ποσοστού που απελευθερώνεται στον ίδιο χρόνο) σε σύγκριση πάντα με την εφαρμογή της συμβατικής τεχνικής παρασκευής των δειγμάτων. Η βελτίωση που παρατηρήθηκε οφείλεται στο μικρότερο μέγεθος των κρυστάλλων της δραστικής σε αυτά τα δείγματα, όπως αποδείχθηκε από τα ευρήματα της παρατήρησης των δειγμάτων με την χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (Σχήμα 7.29). Το προφίλ της απελευθέρωσης φάνηκε να αποτελείται από δύο διαφορετικές φάσεις. Στην πρώτη, η οποία παρουσιάζει και την μεγαλύτερη κλήση, στα πρώτα λεπτά παρατηρήθηκε γρήγορη διάλυση των κρυστάλλων της δραστικής με το μικρότερο μέγεθος ενώ στο δεύτερο τμήμα η ταχύτητα διάλυσης ελαττώνεται χαρακτηριστικά. Κατά την διάρκεια της δεύτερης φάσης της διάλυσης της δραστικής από την πολυμερική μήτρα, οι κρύσταλλοι με το μεγαλύτερο μέγεθος είχαν και τον καθοριστικό ρόλο στην αποδέσμευση. Προφανώς η ενέργεια από την χρήση μικροκυμάτων όπως εφαρμόστηκε στα δείγματα των στερεών διασπορών, είχε ως αποτέλεσμα την καλύτερη κατανομή της δραστικής στο τήγμα της πολυαιθυλενογλυκόλης και άρα την δημιουργία μικρότερων και ατελώς σχηματισμένων κρυστάλλων κατά την επανακρυστάλλωση της Τιμπολόνης, κατά την ψύξη του δείγματος. Όπως έχει αποδειχθεί από πολλές ερευνητικές ομάδες η αμορφοποίηση της δραστικής ή ακόμα και η ελάττωση του μεγέθους των κρυστάλλων της ουσιαστικά προκαλεί την βελτίωση της ταχύτητας απελευθέρωσης της δραστικής (Van den Mooter G et al Papageorgiou GZ et al Mura P et al Kanaze FI et al Liu C et al Okonogi S et al). Η δημιουργία καλύτερης διασποράς της Τιμπολόνης στο τήγμα της πολυμερικής μήτρας στα δείγματα όπου χρησιμοποιήθηκε η τεχνική των μικροκυμάτων, αποδίδεται στην βελτίωση της διάχυσης της δραστικής μέσα δυο πολυμερικό τήγμα με την βοήθεια της ενέργειας των μικροκυμάτων (Bergese P et al 2003). 210

225 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Συμπερασματικά για την παραπάνω μελέτη θα μπορούσαμε να αναφέρουμε πως ο χρόνος που απαιτήθηκε για την διάλυση της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης στο τήγμα της πολυαιθυλενογλυκόλης είναι σαφώς μικρότερος όταν έγινε χρήση των μικροκυμάτων σε σχέση με την χρήση της συμβατικής μεθόδου τήγματος με την εφαρμογή θερμότητας. Μπορεί λοιπόν να προκύψει το συμπέρασμα ότι η χρήση μικροκυμάτων για την παρασκευή στερεών διασπορών οδηγεί σε σαφώς γρηγορότερες διαδικασίες παρασκευής (και συνεπώς αποτελεσματικότερες), συγκρινόμενες με τις συμβατικές μεθόδους παρασκευής θερμού τήγματος. Η εφαρμογή μικροκυμάτων στην περίπτωση παρασκευής του δυαδικού συστήματος στερεής διασποράς πολυαιθυλενογλυκόλης/τιμπολόνης οδηγεί σε διαφορετικά μεγέθη κρυστάλλων της δραστικής στην διασπορά, αν συγκριθεί με το αντίστοιχο δείγμα στερεής διασποράς που προκύπτει με την εφαρμογή της συμβατικής μεθόδου θερμού τήγματος. Αποτέλεσμα των διαφορετικών ιδιοτήτων πλέον της δραστικής, λόγω της αλλαγής στο μέγεθος των κρυστάλλων της, είναι η ταχύτητα αποδέσμευσής της να παρουσιάζεται πιο γρήγορη. 7.5 Σύγκριση Μεθόδων Στερεής Διασποράς που χρησιμοποιήθηκαν Συμπερασματικά και σε μια προσπάθεια σύγκρισης των μεθόδων στερεής διασποράς που χρησιμοποιήθηκαν για την μορφοποίηση της Τιμπολόνης σε σκεύασμα άμεσης αποδέσμευσης θα μπορούσαμε να αναφέρουμε τα εξής. Η τεχνική της διάλυσης αποτελεί την μέθοδο εκλογής καθώς επιτυγχάνει την αμορφοποίηση της δραστικής, σε μεγάλες περιεκτικότητες έως και 40%, σε αντίθεση, συνολικά με την μέθοδο θερμού τήγματος ανεξάρτητα από την τεχνική που χρησιμοποιήθηκε, είτε την συμβατική είτε με την χρήση μικροκυμάτων. Ιδιαίτερα θετικά αποτελέσματα όσον αφορά την ταχύτητα απελευθέρωσης της Τιμπολόνης, δηλαδή βελτίωση της διαλυτότητάς της, το οποίο είναι και το επιθυμητό, παρατηρούνται στην περίπτωση της χρήσης της πολυβινυλοπυρρολιδόνης ως εκδόχου σε δυαδικά συστήματα στερεής διασποράς με την μέθοδο της διάλυσης. Το διοξείδιο του πυριτίου αν και παρουσιάζει το πλεονέκτημα της ιδιαίτερα μεγάλης επιφάνειας συνεισφέρει ελάχιστα στην διαδικασία αμορφοποίησης της δραστικής παρόλα αυτά είναι εντυπωσιακό το πόσο καλά κατανέμεται η Τιμπολόνη, με μορφή νανοκρυστάλλων σε αυτόν τον φορέα και πόσο βελτιωμένη εμφανίζεται η 211

226 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΕΡΕΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ διαλυτότητά της. Η συνδυασμένη δράση των δύο παραπάνω εκδόχων δίνει εξίσου θετικά αποτελέσματα. Στην περίπτωση της χρήσης θερμού τήγματος ως μεθόδου παρασκευής των στερεών διασπορών και της πολυαιθυλενογλυκόλης ως εκδόχου, αν και δεν επιτυγχάνεται αμορφοποίηση της Τιμπολόνης, σημείο στο οποίο υστερεί η συγκεκριμένη μέθοδος, λαμβάνονται κρύσταλλοι της δραστικής οι οποίοι δεν ξεπερνούν τα 5 μm. Σύμφωνα με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, όταν, στο σκεύασμα, η δραστική βρίσκεται ακόμα και σε μίγμα των δύο πολυμόρφων, όπως και στην περίπτωσή μας, αλλά το μέγεθος των κρυστάλλων δεν ξεπερνάει τα 28 μm, τότε λαμβάνεται σκεύασμα με ιδιότητες, όσον αφορά την ταχύτητα απελευθέρωσης της Τιμπολόνης αλλά και την βιοδιαθεσιμότητά της, συγκρίσιμες ή και καλύτερες σε σχέση με το προϊόν που κυκλοφορεί ήδη στην αγορά. 212

227 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΠΟΛΥ(ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΡΟΠΥΛΕΝΕΣΤΕΡΑ) ΜΕ ε- ΚΑΠΡΟΛΑΚΤΟΝΗ 8.1 Αλειφατικοί πολυεστέρες-σύνθεση Σύνθεση πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και πολυκαπρολακτόνης και των συμπολυμερών πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) με ε-καπρολακτόνη [P(PSu-co-CL)]-περιγραφή διαδικασίας. Η παρασκευή του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) έγινε σύμφωνα με τη γνωστή διαδικασία πολυσυμπύκνωσης τήγματος όπου ακολουθούνται δύο 213

228 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ διαφορετικά στάδια (Bikiaris D.N. et al 2006). Το πρώτο στάδιο, αυτό της εστεροποίησης, περιλαμβάνει την αντίδραση μεταξύ της 1,3-προπανοδιόλης με το ηλεκτρικό οξύ. Η απαραίτητη ποσότητα ηλεκτρικού οξέος και 1,3-προπανοδιόλης σε μοριακή αναλογία 1/1.1 όπως επίσης και ο καταλύτης ΤΒΤ (3x10-4 mol TBT/mol SA) τοποθετούνται στην συσκευή της αντίδρασης από όπου απομακρύνεται το οξυγόνο και προστίθεται αργό προκειμένου να επιτευχθούν αδρανείς συνθήκες. Το μίγμα της αντίδρασης φέρεται σε θερμοκρασία 190 o C και εφαρμόζεται συνεχής ανάδευση με σταθερή ταχύτητα (500 rpm). Το νερό το οποίο παράγεται ως παραπροϊόν της αντίδρασης, αποστάζει και συλλέγεται σε βαθμονομημένο κύλινδρο. Στο δεύτερο στάδιο της πολυσυμπύκνωσης, προστίθεται PPA (5 x 10-4 mol PPA/mol SA), προκειμένου να αποφευχθούν παράπλευρες αντιδράσεις όπως η θερμική διάσπαση. Εφαρμόζεται αργά κενό (5.0 Pa) για ένα χρονικό διάστημα 30 λεπτών ενώ στη συνέχεια αυξάνεται σταδιακά η θερμοκρασία της αντίδρασης έως τους 230 ο C και η ταχύτητα ανάδευσης έως 720 rpm. Η αντίδραση πολυσυμπύκνωσης συνεχίζεται για ακόμα 60 λεπτά. Μετά το τέλος της αντίδρασης ο παραγόμενος πολυεστέρας αφαιρείται από την φιάλη και καθαρίζεται με χρήση μεθανόλης. Σε ένα τρίτο στάδιο λαμβάνει χώρα η αντίδραση της ε-καπρολακτόνης με τον πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) όπως περιγράφεται στη συνέχεια (Seretoudi G. et al 2002). Ο πολυμερισμός της ε-καπρολακτόνης με τον πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) προς σχηματισμό των αντίστοιχων πολυεστέρων πραγματοποιείται σε σφαιρική φιάλη των 250 cm 3 με μηχανική ανάδευση και συσκευή κενού. Ο εκκινιτής προστίθεται ως διάλυμα σε τολουόλιο σε τελική συγκέντρωση ανά γραμμομόριο μονομερούς. Από το μίγμα του πολυμερισμού αφαιρείται ο αέρας και προστίθεται αργό έτσι ώστε να επιτευχθούν αδρανείς συνθήκες. Η αντίδραση λαμβάνει χώρα για 2 ώρες στους 180 o C. Το μονομερές που δεν αντέδρασε απομακρύνεται με απόσταξη κατόπιν αργής εφαρμογής ισχυρού κενού ( 5 Pa) για 15 λεπτά. Ο πολυμερισμός διακόπτεται με γρήγορη ψύξη του τήγματος και επαναφορά του στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα παρασκευασθέντα υλικά καθαρίζονται με διάλυσή τους σε ακετόνη και επανακαταβυθισή τους σε ψυχρή μεθανόλη. 214

229 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ 1 ο Στάδιο: Εστεροποίηση n HOOC-CH 2 -CH 2 -COOH + n HO-CH 2 -CH 2 -CH 2 -OH succinic acid C 1,3-propanediol Ti(OC 4 H 9 ) -H 2 O 4 Oligomers O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-C-CH 2 -CH 2 -C O O n 2 0 Στάδιο: Πολυσυμπύκνωση C Ti(OC 4 H 9 ) 4 high vacuum - H 2 O - HO-CH 2 -CH 2 -CH 2 -OH 3 0 Στάδιο: Σύνθεση Συμπολυμερών H O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-C-CH 2 -CH 2 -C O O n PPSu OH H + O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-C-CH 2 -CH 2 -C OH O O n PPSu TBT 2m(CH 2 ) 5 -C-O ε-cl O H O-(CH 2 ) 5 -C O m O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-C-CH 2 -CH 2 -C OH O O n A B Σχήμα 8.1 Σχηματική αναπαράσταση των χημικών αντιδράσεων κατά την διάρκεια παρασκευής του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και των συμπολυμερών P(PSuco-CL) 8.2 Xαρακτηρισμός Αλειφατικών πολυεστέρων Iξωδομετρία, μοριακά βάρη και ανάλυση ακραίων ομάδων Από την διαδικασία του πρώτου και δεύτερου σταδίου παρασκευάστηκε πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) που έμοιαζε με μαλακό υλικό (ελάχιστα πιο σκληρό από κερί) και μία ελαφριά καφέ απόχρωση, χαρακτηριστικό αποτέλεσμα της χρήσης καταλύτη. Ένα ακόμη λόγος που μπορεί να έχει επηρεάσει το χρώμα του 215

230 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ πολυεστέρα είναι το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της αντίδρασης πολυσυμπύκνωσης, και εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών στις οποίες λαμβάνει χώρα, είναι πιθανό να πραγματοποιούνται και αντιδράσεις διάσπασης που οδηγούν στην δημιουργία χρωμοφόρων ομάδων. Ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) που παρασκευάστηκε σύμφωνα με την διαδικασία του πρώτου σταδίου παρουσίασε μοριακό βάρος κατά αριθμό g/mol και μοριακό βάρος κατά βάρος g/mol όπως αυτό προσδιορίστηκε με την χρήση χρωματογραφίας διαπερατότητας πηκτής, γεγονός ιδιαίτερα ικανοποιητικό για αλειφατικό πολυεστέρα. Σύμφωνα με ένα θεωρητικό μαθηματικό μοντέλο που μελετά την αντίδραση εστεροποίησης του ηλεκτρικού οξέος με διάφορες διόλες, η μοριακή αναλογία μεταξύ οξέος και διόλης, η ποσότητα του χρησιμοποιούμενου καταλύτη καθώς και η θερμοκρασία της πολυσυμπύκνωσης, είναι οι κύριες παράμετροι που επηρεάζουν το τελικό μοριακό βάρος των αλειφατικών πολυεστέρων (Bikiaris, D.N. and Achilias D.S. 2006). Πίνακας 8.1: Σύσταση, εσωτερικό ιξώδες, μοριακά βάρη κατά βάρος και κατά αριθμό, ανάλυση ακραίων καρβοξυλικών ομάδων των παρασκευασθέντων πολυεστέρων. Πολυεστέρας Φόρτωση 1 H NMR [η](dl/g) M n (g/mol) M w (g/mol) M w /M n COOH(eq/10 6 g) PPSu-co-CL 100/ / PPSu-co-CL 75/ / PPSu-co-CL 50/ / PPSu-co-CL 25/ / PPSu-co-CL 10/90 7.1/92.9 0, PPSu-co-CL 5/ / , PPSu-co-CL 2.5/ / , PPSu-co-CL 0/ / Στο τρίτο στάδιο της αντίδρασης (σχήμα 8.1) παρασκευάστηκαν τα συμπολυμερή P(PSu-co-CL) σε μοριακές αναλογίες 2,5/97,5 5/95, 10/90, 25/75, 50/50 και 75/25 β/β, αντίστοιχα, με τη χρήση του παρασκευασθέντος πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και διαφορετικών ποσοτήτων ε-καπρολακτόνης. Το χρώμα των 216

231 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ δειγμάτων έχει μια χαρακτηριστική λευκή απόχρωση η οποία γίνεται πιο έντονη με την αύξηση του ποσοστού της ε-καπρολακτόνης. Η κατανομή του μοριακού βάρους των παραγόμενων πολυεστέρων καθορίστηκε με την μέτρηση του εσωτερικού ιξώδους καθώς και με τη μέθοδο χρωματογραφίας διαπερατότητας πηκτής (Πίνακας 8.1). Στον Πίνακα 8.1 φαίνεται ότι αυξανόμενης της ποσότητας της ε-καπρολακτόνης στο συμπολυμερές, αυξάνεται τόσο το ιξώδες όσο και το μοριακό βάρος, με εξαίρεση τα δείγματα PPSu-co-CL 10/90 και 5/95 β/β. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πώς μία αύξηση της αρχικής ποσότητας του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα), έχει ως αποτέλεσμα την παρουσία μεγαλύτερου αριθμού ακραίων υδροξυλικών ομάδων οι οποίες είναι διαθέσιμες για να δράσουν ως εκκινητές στον πολυμερισμό διάνοιξης δακτυλίου του μονομερούς της ε-καπρολακτόνης (Endo M. et al 1987 Kricheldorf H.R. et al 1988). Έτσι, αναμένεται, ότι στα παραχθέντα πολυμερή οι διαστάσεις του τμήματος Β (που αντιστοιχούν στον πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) να παραμένει σταθερή σε όλα τα πολυμερή, ενώ οι διαστάσεις του μέρους Α (που αντιστοιχεί στο τμήμα της πολυκαπρολακτόνης) να αυξάνεται με την αύξηση του περιεχόμενου σε ε- καπρολακτόνη. Για όλα τα συμπολυμερή καταγράφηκε μία κορυφή στις μετρήσεις της χρωματογραφίας διαπερατότητας πηκτής, η οποία διαφέρει σε ένταση και χρόνο έκλουσης. Από αυτά τα χρωματογραφήματα μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι το μεγαλύτερο μέρος της ποσότητας της ε-καπρολακτόνης αντέδρασε στη συγκεκριμένη θερμοκρασία και χρόνο, κατά την διάρκεια της πραγματοποίησης του πολυμερισμού διάνοιξης δακτυλίου (ring opening polymerization). Ενώ ταυτόχρονα παρατηρήθηκε και μια συνεχή ελάττωση στο αριθμό των ακραίων καρβοξυλικών ομάδων Μηχανικές ιδιότητες των παρασκευασθέντων πολυεστέρων. Τα συμπολυμερή με περιεκτικότητες 97,5, 95, 90 και 75wt% σε ε- καπρολακτόνη είναι σε κρυσταλλική μορφή ενώ και τα δύο συμπολυμερή με περιεκτικότητες σε PCL 50 και 25 wt% αντίστοιχα είναι άμορφα και ιδιαίτερα μαλακά υλικά. Αυτό εκφράζεται και στις μηχανικές ιδιότητες των συμπολυμερών. Το PPSu έχει αντοχή στον εφελκυσμό 1,2 MPa ενώ η PCL έχει αρκετά υψηλότερη, 28,3 Mpa. Και τα δύο παρουσιάζουν μεγάλη επιμήκυνση πριν τη θραύση, 250 και 750% αντίστοιχα. Στα παραγόμενα συμπολυμερή η αντοχή στον εφελκυσμό μειώνεται με 217

232 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ την αυξηση του περιεχόμενου PPSu (Πίνακας 8.2). Εν τούτοις, η επιμήκυνση στη θραύση είναι τελείως διαφορετική. Μέχρι και το συμπολυμερές P(Psu-co-CL) με περιεκτικότητα 75% σε PCL η επιμήκυνση βρίσκεται αρκετά κοντά με αυτή της καθαρής PCL, γεγονός που αλλάζει στα υπόλοιπα δείγματα. Πίνακας 8.2: Μηχανικές ιδιότητες των παρασκευασθέντων πολυεστέρων. Πολυεστέρας Τροφοδοσία β/β Αντοχή στον εφελκυσμό (MPa) Επιμήκυνση στη θραύση (%) P(Psu-co-CL) 100/0 1.6 ± ± 15 P(Psu-co-CL) 75/ ± ± 20 P(Psu-co-CL) 50/ ± ± 35 P(Psu-co-CL) 25/ ± ± 30 P(Psu-co-CL) 10/90 13 ± ± 50 P(Psu-co-CL) 5/95 25 ± 4,4 843 ± 40 P(Psu-co-CL) 2,5/97,5 26 ± 3,2 850 ± 52 P(Psu-co-CL) 0/ ± ± Ανάλυση φασμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού των παρασκευασθέντων συμπολυμερών Σύμφωνα με το σχήμα 8.1 αναμένεται η παρασκευή συμπολυμερών είτε τυχαίων (random) είτε κατά συστάδες (block) του τύπου Α-Β (όπου Α το τμήμα που αντιστοιχεί σε πολυκαπρολακτόνη και Β το τμήμα που αντιστοιχεί σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) από τις μακρομοριακές αλυσίδες του PPSu που περιέχουν μία τελική υδροξυλική ομάδα. Οι υδροξυλικές ομάδες είναι γνωστό ότι μπορούν να ξεκινήσουν μία αντίδραση διάνοιξης δακτυλίου και στην περίπτωσής μας την αντίδραση συμπολυμερισμού του PPSu με την καπρολακτόνη. Από τα φάσματα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου ( 1 NMR) για τον πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) έγινε δυνατή η ταυτοποίηση των χαρακτηριστικών κορυφών των πρωτονίων του πολυμερούς. Η πολλαπλότητα των χαρακτηριστικών κορυφών ακολουθεί ως γνωστό τον κανόνα της πολλαπλότητας ν+1 έτσι οι κορυφές που παρατηρήθηκαν ταυτοποιήθηκαν ως ακολούθως. Η μετατόπιση των πρωτονίων της 218

233 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ μεθυλενικής ομάδας, d, που αντιστοιχεί στην μεθυλενική ομάδα του μονομερούς της 1,3 προπανοδιόλης, εμφανίστηκε στα 1,94 2,01 ppm ως πενταπλή κορυφή. Τα πρωτόνια των δύο όμοιων μεθυλενικών ομάδων, c, εμφανίστηκαν σαν χαρακτηριστική κορυφή στα 4,1 4,2 ppm. Η σχάση spin spin αυτών των πρωτονίων έδωσε μία τριπλή κορυφή στο φάσμα. Τέλος τα πρωτόνια των δύο μεθυλενικών ομάδων, a, τα οποία αντιστοιχούν στις δύο μεθυλενικές ομάδες του μονομερούς του ηλεκτρικού οξέος, έδωσαν μία χαρακτηριστική μονή κορυφή στα 2,6 ppm. Επαναλαμβανόμενες δομικές μονάδες καθαρών πολυεστέρων H c d c a a O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-C-CH 2 -CH 2 -C OH O O n Πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) e j g j k O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -C O Πολυκαπρολακτόνη a c d PPSu e k j g PCL ppm Σχήμα 8.2 Φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου ( 1 Η NMR) των καθαρών πολυμερών πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και πολυκαπρολακτόνης. 219

234 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Αντίστοιχα, οι χαρακτηριστικές κορυφές στο φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου της καθαρής πολυκαπρολακτόνης ταυτοποιήθηκαν ως ακολούθως. Η μεθυλενική ομάδα, e, δίπλα στο άτομο οξυγόνου, απoπροστατεύεται ισχυρά και δίνει μία χαρακτηριστική τριπλή κορυφή που μετατοπίζεται χαμηλότερα στο εύρος του φάσματος στα 4,05 4,08 ppm. Τα πρωτόνια των μεθυλενικών ομάδων j και g απορροφούν σχεδόν στην ίδια περιοχή δίνοντας πολλαπλές κορυφές στα ppm. Επιπλέον, τα πρωτόνια της ομάδας k προστατεύονται από το πρωτόνιο της μεθυλενικής ομάδας δίπλα του, και δίνουν μία τριπλή κορυφή στα 2.3 ppm (Σχήμα 8.2). Επαναλαμβανόμενη δομική μονάδα συμπολυμερών O O O a a c d c k j g j e C-CH 2 -CH 2 -C-O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH-O e k j c a d g ppm Σχήμα 8.3. Φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου ( 1 Η NMR) του συμπολυμερούς P(PSu-co-CL) 25/75 β/β. 220

235 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Το φάσμα κάθε συμπολυμερούς δίνει χαρακτηριστικές κορυφές στις ίδιες περιοχές χωρίς σημαντικές μετακινήσεις (Σχήμα 8.3). Οι αλλαγές είναι αξιοσημείωτες μόνο στην ένταση της κορυφής, που εξαρτάται από την πραγματική μοριακή αναλογία πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και της πολυκαπρολακτόνης στα συμπολυμερή. Η πραγματική αναλογία του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και της πολυκαπρολακτόνης στα συμπολυμερή υπολογίστηκε από τις σχετικές αναλογίες εντάσεων των κορυφών των μεθυλενικών πρωτονίων d και g του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και της πολυκαπρολακτόνης, αντίστοιχα, στο φάσμα πρωτονίων του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμου του πρωτονίου ( 1 Η NMR). Στον Πίνακα 8.1 είναι φανερό ότι για όλους τους πολυεστέρες η πραγματική μοριακή σύνθεση παρουσιάστηκε παρόμοια με την αρχική ποσότητα των αντίστοιχων πολυμερών που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των συμπολυμερών. PP-PP CL-CL O O c C-CH 2 -CH 2 -C-O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O O e C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O O O C-CH 2 -CH 2 -C-O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O O C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O PP-CL CL-PP O O c' C-CH 2 -CH 2 -C-O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O O e' C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O O O C-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -O O C-CH 2 -CH 2 -C-O-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O 221

236 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Σχήμα 8.4 Φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου ( 1 Η NMR) του συμπολυμερούς P(PSu-co-CL) 50/50 β/β στην περιοχή 4-4,2 ppm. Εξετάζοντας προσεκτικότερα το φάσμα των πολυεστέρων, είναι φανερό ότι για το σύνολο των διαφορετικών δειγμάτων P(PSu-co-CL) εμφανίστηκαν νέες χαρακτηριστικές κορυφές στο φάσμα 1 Η NMR (Σχήμα 8.4), καταδεικνύοντας ότι η αντίδραση συμπολυμερισμού όντως έλαβε χώρα. Παρατηρώντας τα φάσματα 1 H NMR για τα δείγματα 50/50 β/β P(Psu-co-CL) στην περιοχή ppm όπου οι χαρακτηριστικές κορυφές των c και e μεθυλενικών ομάδων των PPSu και CL εμφανίστηκαν αντιστοίχως, δύο νέες τριπλές κορυφές οι οποίες και ταυτοποιήθηκαν (Σχήμα 8.4). Μία εμφανίστηκε στα δεξιά της χαρακτηριστικής κορυφής των c μεθυλενικών πρωτονίων, c, και η δεύτερη στα αριστερά της χαρακτηριστικής κορυφής των e μεθυλενικών πρωτονίων του CL, e, γεγονός που καταδεικνύει την σύνδεση του PPSu με την CL (Σχήμα 9.4). Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσίασε επίσης και η νέα κορυφή που εμφανίστηκε για τα πρωτόνια a της μεθυλενικής ομάδας του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα), γεγονός που είναι επίσης ενδεικτικό της σύνδεσης των δύο μονομερών. Τα πρωτόνια των OCH 2 και CO-CH 2 των τμημάτων CL και PP παρουσιάζουν δυαδική σχάση, εξαρτώμενη από το αν η PP μονάδα είναι συνδεδεμένη σε άλλη PP ή σε CL μονάδα, και αντίστροφα. Εν τούτοις, η κύρια δυσκολία που παρατηρήθηκε για αυτές τις νέες κορυφές ήταν η έντονη αλληλεπικάλυψή τους με τις χαρακτηριστικές κορυφές των καθαρών υλικών. Αν και τα φάσματα 1 H NMR στην συγκεκριμένη περίπτωση δεν μπορούν να δώσουν πληροφορίες δομικής αλληλουχίας, είναι πολύ χρήσιμα στον καθορισμό της μοριακής αναλογίας στα συμπολυμερή. Από την εξέταση των κορυφών φάνηκε επίσης ότι πιθανά δημιουργήθηκαν τυχαία συμπολυμερή παρά τύπου κατά συστάδες. Αυτό συμβαίνει γιατί κατά την διάρκεια της σύνθεσης των συμπολυμερών σε θερμοκρασία 190 o C, ακόμα και αν η θερμοκρασία μπορεί να θεωρηθεί σχετικά χαμηλή, οι αντιδράσεις διάσπασης μπορούν να λάβουν χώρα και για τα δύο πολυμερή που συμμετείχαν στην διαδικασία του συμπολυμερισμού. Έτσι λαμβάνουν χώρα εκτεταμένες αντιδράσεις εστεροποίησης και μετεστεροποίησης. Οι αντιδράσεις αυτές οδηγούν σε μείωση της αύξησης της αλυσίδας της πολυκαπρολακτόνης και αντί για αναμενόμενα 222

237 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ συμπολυμερή τύπου μπλοκ, λαμβάνονται τυχαία. Σ αυτό το σημείο, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι αντίστοιχες αλληλεπικαλυπτόμενες κορυφές εμφανίζονται σε όλα τα μεθυλενικά πρωτόνια στο φάσμα 1 H NMR (Σχήμα 8.4). Για να έχουμε μία καλύτερη και πληρέστερη εικόνα των συμπολυμερών που παρασκευάστηκαν, χρησιμοποιήθηκε το φάσμα πυρηνικού μαγνητισμού συντονισμού άνθρακα ( 13 C NMR) ppm Σχήμα 8.5 Φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού άνθρακα ( 13 C NMR) του συμπολυμερούς P(PSu-co-CL) 25/75 στην διευρυμένη περιοχή OCH 2. Όπως έδειξαν προηγούμενες αναφορές η τεχνική 13 C NMR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ποσοτικό προσδιορισμό και τον χαρακτηρισμό των αλλαγών στην δομή της μακρομοριακής αλυσίδας ως αποτέλεσμα της αντίδρασης μετεστεροποίησης. Οι κορυφές του 13 C NMR χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό του μέσου μήκους αλυσίδας (average sequence length) και του βαθμού τυχαιότητας (degree of randomness) των διαφόρων συμπολυμερών (Kricheldorf H.R. et al Albertsson, A.C. Ljungquist O Cao A. et al Impallomeni Giuseppe et al, Chen C. et al Baimark Y. et al Kricheldorf H.R. and Rost S Yamadera T. and Murano Y. 1967). Στην Εικόνα 8.5 φαίνεται διευρυμένη η περιοχή των OCH 2. Οι κορυφές στα 61.2 και 64.1 είναι οι χαρακτηριστικές κορυφές των PP PP, c ομάδας, και CL CL, e ομάδας, ακολουθίες. Οι δύο νέες κορυφές στα 223

238 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ 60.8 και 64.5, με ίση ένταση, αντιστοιχούν στις ακολουθίες PP CL και CL PP, αντίστοιχα. Η καρβονυλική περιοχή των συμπολυμερών, δυστυχώς, δεν αποδείχθηκε ιδιαίτερα βοηθητική όχι μόνο για την παρουσία τριπλών κορυφών που δεν αναλύονται και δεν αποδίδονται ξεκάθαρα στο φάσμα, αλλά επίσης και για τις διπλές κορυφές που μόνο μερικώς αναλύονται. Από την άλλη μεριά, οι χαρακτηριστικές OCH 2 κορυφές αποδείχθηκαν πολύ βοηθητικές στον καθορισμό του μέσου μήκους της μακρομοριακής αλυσίδας (average sequence length) και του βαθμού τυχαιότητας (degree of randomness) των συμπολυμερών. Ως συνέπεια, οι διπλές κορυφές των ομάδων OCH 2 επιλέχθηκαν ως ιδανικές για την συνέχιση της ανάλυσης της ακολουθίας των συμπολυμερών και οι ορισμοί των Yamadera και Murano χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του μέσου μήκους των μπλόκ PP και CL, και του βαθμού τυχαιότητας. I PP, I CC, I PC, I CP, είναι οι εντάσεις των σημάτων που αντιστοιχούν στις ακολουθίες PP-PP, CL-CL, PP-CL και CL-PP. Τα μοριακά κλάσματα των δυάδων PP και CL θα είναι Pp και Pc. PP= I PP + 1/2(I PC + I CP ) (1) Και PC = I CC + 1/2(I PC + I CP ) (2) Αverage block lengths LP = 2PP/(I PC + I CP ) (3) LC = 2PC/(I CP + I PC ) (4) Degree of randomness B = 1/LP + 1/LC (5) Πίνακας 8.3 Μέσο μήκος συστάδων και βαθμός τυχαιότητας για τα συμπολυμερή P(PSu-co-CL) με διαφορετικές μοριακές αναλογίες. Δείγμα (PP)/(CL) a L P b c L C B d P(PSu-co-CL 2,5/97,5 2.1/ P(PSu-co-CL 5/95 4/ P(PSu-co-CL 10/90 7.2/ P(PSu-co-CL 25/ / P(PSu-co-CL 50/ / P(PSu-co-CL 75/ /

239 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ a Σύσταση συμπολυμερών όπως προέκυψε από το φάσμα NMR, b,c Μέσο μήκος συστάδων των επαναλαμβανόμενων δομικών μονάδων PP και CL, τυχαιότητας d Βαθμός Όταν B=1, οι μονάδες PP και CL θα παίρνουν τυχάια κατανομή. Αν B<1, αυτές οι μονάδες τείνουν να μαζεύονται σε ομοειδή μπλοκ, αν Β=0, έχουμε ένα ομοπολυμερές μείγμα. Από την άλλη μεριά αν Β>1, το μήκος της ακολουθίας συρρικνώνεται και για Β=2 έχουμε ένα συμπολυμερές με πλήρως εναλλασσόμενα τμήματα. Όπως είναι φανερό από τον Πίνακα 8.3 τα συμπολυμερή P(PSu-co-CL) με μοριακή αναλογία 50/50 και 75/25 αντίστοιχα φαίνονται να έχουν χαρακτήρα τυχαίο ενώ το συμπολυμερές με αναλογία P(PSu-co-CL) 25/75 παρουσιάζει σχεδόν χαρακτήρα μπλοκ. Στην περίπτωση των υπόλοιπων δειγμάτων η περιεκτικότητα σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) είναι αρκετά χαμηλή, και αν συνυπολογιστεί το σημαντικά υψηλό μοριακό βάρος των δειγμάτων αυτών, αποτελούν στοιχεία που δεν επιτρέπουν στο όργανο και με την δεδομένη διακριτική ικανότητα που διαθέτει, να δώσει σήμα για τον καρβονυλικό άνθρακα του ηλεκτρικού προπυλενεστέρα, PP-PP. Στο φάσμα κυριαρχεί μόνο η χαρακτηριστική κορυφή της πολυκαπρολακτόνης CL- CL, στα 64,1 ppm. Η διακριτική ικανότητα του οργάνου δεν επιτρέπει όχι μόνο την παρουσία της κορυφής του ηλεκτρικού προπυλενεστέρα PP-PP, αλλά και των κορυφών που αντιστοιχούν στην ένωση μεταξύ μιας μονάδας καπρολακτόνης και μιας μονάδας ηλεκτρικού προπυλενεστέρα, PP-CL και CL-PP Θερμική ανάλυση των συμπολυμερών με χρήση διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης Η θερμική ανάλυση όλων των πολυεστέρων που συντέθηκαν πραγματοποιήθηκε και τα θερμογραφήματα τήξης για τα συμπολυμερή παρουσιάζονται στο σχήμα 8.6 ενώ οι θερμοκρασίες τήξης (T m ) και υαλώδους μετάβασης (T g ) παρουσιάζονται στον πίνακα 8.4. Όπως φαίνεται και από τον πίνακα 8.2 το σημείο τήξεως για τα συμπολυμερή που παρουσιάζουν κρυσταλλικό χαρακτήρα, μετατοπίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα). Επίσης παρατηρείται και 225

240 PCPP((((PSu-CLPSu-CLPSPS))))97.55/9510/9/7ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ελάττωση στην κρυσταλλικότητα των παραχθέντων συμπολυμερών με αύξηση του ποσοστού σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) στα δείγματα, από 48% για την καθαρή πολυκαπρολακτόνη σε 29% για το δείγμα P(CL-co-PSu) 75/25. Πίνακας 8.4: Θερμικές ιδιότητες των παρασκευασθέντων πολυεστέρων. Polyester Τροφοδοσία T m1 ( o C) T m2 ( o C) T g ( o C) T c ( o C) P(Psu-co-CL) 100/ P(Psu-co-CL) 75/25 amorphous amorphous P(Psu-co-CL) 50/50 amorphous amorphous P(Psu-co-CL) 25/ ,5 P(Psu-co-CL) 10/ ,7 P(Psu-co-CL) 5/ P(Psu-co-CL) 2,5/97, P(Psu-co-CL) 0/ Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Ενδόθερμο PPLu-u-CLCL2.255/05Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα 8.6 Θερμογράματα διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης των παρασκευασθέντων κρυσταλλικών συμπολυμερών και της καθαρής πολυκαπρολακτόνης 226

241 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Όπως παρατηρήθηκε από τα θερμογράματα το δείγμα P(PSu-co-CL) 25/75 είναι ένα ημικρυσταλλικό πολυμερές που παρουσιάζει δύο σημεία τήξεως. Τα μέγιστα των δύο σημείων τήξεως παρουσιάζονται σε θερμοκρασίες Tm 1 = 40.5 o C και Tm 2 = 45.4 o C. Ο καθαρός πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) (PPSu) παρουσιάζει ένα σημείο τήξεως στους 44 o C και η πολυκαπρολακτόνη (PCL) στους 62 o C. Είναι λοιπόν πολύ πιθανό τα διαφορετικά σημεία τήξεως που καταγράφονται για το συμπολυμερές P(PSu-co-CL) 25/75 να οφείλονται σε ύπαρξη διαφορετικών μπλόκ στις μακρομοριακές αλυσίδες και σε διαφορετικές μικροφάσεις. Και τα δύο καταγραφόμενα σημεία τήξεως εμφανίζονται σε χαμηλότερες τιμές θερμοκρασίας, συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες τιμές θερμοκρασίας για τα σημεία τήξεως των καθαρών πολυμερών, εξαιτίας της φτωχότερης τελειότητας και καθαρότητας των σχηματιζόμενων κρυστάλλων. Η δημιουργία συμπολυμερούς κατά συστάδες φαίνεται να βρίσκεται σε συμφωνία με την ανάλυση των φασμάτων ΝΜR. Επιπρόσθετα, η παρουσία δύο διαφορετικών κρυσταλλικών φάσεων για το συγκεκριμένο δείγμα, όπως και η ελάττωση κρυσταλλικότητας για το σύνολο των δειγμάτων των παρασκευασθέντων συμπολυμερών, επιβεβαιώνεται επίσης από τα φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ (WAXD), όπως θα αναλυθούν παρακάτω. Προκειμένου να εξαιρεθεί η πιθανότητα παραγωγής μίγματος μεταξύ PCL και PPSu αντί για συμπολυμερή, τα πολυμερή μορφοποιήθηκαν σε φιλμ όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο και μελετήθηκαν με την χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM) όπως περιγράφεται στο τμήμα , και παρουσιάζονται παρακάτω στο τμήμα Από τις μικροφοτωγραφίες είναι εμφανής μία ομογενής επιφάνεια γεγονός που αποτελεί απόδειξη πως δεν έχουμε να αντιμετωπίσουμε την περίπτωση δημιουργίας μίγματος πολυμερών αλλά το γεγονός ότι η αντίδραση πολυσυμπύκνωσης όντως έλαβε χώρα και οδήγησε στην δημιουργία συμπολυμερών. Στην περίπτωση του δείγματος P(PSu-co-CL) 25/75, κατά την διάρκεια της ψύξης με χαμηλή ταχύτητα (10 o C/min) το δείγμα κρυσταλλώνεται σε θερμοκρασία Tc=11.5 o C. Η θερμοκρασία αυτή εμφανίζεται περίπου 18 o C χαμηλότερα από την αντίστοιχη θερμοκρασία κρυστάλλωσης της καθαρής PCL (Tc=27.8 o C). Το γεγονός αυτό είναι μία επιπλέον ένδειξη ότι ένα νέο πολυμερές έχει συντεθεί. Αναθερμαίνοντας το δείγμα αυτό η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης καταγράφεται στους 58 o C, 227

242 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ θερμοκρασία η οποία είναι ίδια με αυτή που καταγράφηκε στην πρώτη σάρωση θέρμανσης και μόνο ένα σημείο τήξεως καταγράφεται στους 44.4 o C που αποδίδεται στην τήξη της PCL. T c =11.5 o C Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Eνδόθερμο 1 2 T m1 =40.5 o C T m2 =45.4 o C Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα 8.7 Θερμόγραμα DSC του συμπολυμερούς PPSu/PCL 25/75 β/β 1:τήξη, 2:κρυστάλλωση κατά την διάρκεια της ψύξης. Η θερμική συμπεριφορά των συμπολυμερών P(PSu-co-CL) 50/50 και P(PSu-co- CL) 75/25 β/β είναι τελείως διαφορετική από το συμπολυμερές με περιεκτικότητα 75 wt% σε PCL. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 8.8, όπου παρουσιάζονται τα θερμογράματα DSC που λαμβάνονται κατά την διάρκεια της θέρμανσης με ταχύτητα 10 o C/min, δεν παρατηρούνται σημεία τήξεως παρά μόνο καταγράφεται η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης για κάθε συμπολυμερές, τα οποία και παρουσιάζονται στους 53.8 o C για το δείγμα P(PSu-co-CL) 50/50 β/β και στους 43.9 o C για το συμπολυμερές με περιεκτικότητα P(PSu-co-CL) 75/25 β/β. Οι θερμοκρασίες αυτές είναι χαμηλότερες από την θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης του PPSu η οποία καταγράφεται στους 35 o C και υψηλότερες από την θερμοκρασία 228

243 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ υαλώδους μετάβασης της PCL (-61.6 o C). Τα συγκεκριμένα συμπολυμερή δεν μπορούν να κρυσταλλωθούν ακόμα και μετά από παραμονή τους για 24 ώρες στους 20 o C. Τα φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ (WAXD), όπως παρουσιάζονται παρακάτω αποδεικνύουν πως τα δύο αυτά συμπολυμερή παρουσιάζονται εντελώς άμορφα καθώς μόνο μια ευρεία κορυφή καταγράφεται στο φάσμα. Ρυθμός Ροής Θερμότητας (W/g) Ενδόθερμο T g =-43.9 o C T g =-53.8 o C Θερμοκρασία ( o C) Σχήμα 8.8 Θερμογράματα DSC των συμπολυμερών 1: PPSu/PCL 50/50 β/β και 2: PPSu/PCL 75/25 β/β Φάσματα περίθλασης ακτίνων -Χ Από τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ μπορούμε να εξάγουμε τα εξής συμπεράσματα. Όπως φαίνεται από τα διαγράμματα XRD των καθαρών πολυμερών ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) παρουσιάζει χαρακτηριστικές κορυφές στα 2θ=18.32, 19.42, 20.65, και deg και η πολυκαπρολακτόνη 15,71, 21.32, 21.96, και 29,75 deg (Σχήμα 8.9). Στα συμπολυμερή με περιεκτικότητα 2,5 και 5% κατά βάρος σε PPSu αντίστοιχα είναι χαρακτηριστικά εμφανείς οι κορυφές της PCL ενώ οι κορυφές του PPSu δεν είναι διακριτές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το 229

244 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ποσοστό και άρα και ο αριθμός των μακρομοριακών αλυσίδων του PPSu είναι αρκετά μικρός, άρα και η πιθανότητα να βρεθούν κοντά οι μακρομοριακές αλυσίδες του PPSu και να τους δοθεί η ευκαιρία να αναδιπλωθούν κατάλληλα προκειμένου να δημιουργήσουν κρυσταλλικές περιοχές, είναι περιορισμένη. 21,32 21,96 Intensity 15,71 23,67 29,75 PCL PPSu/PCL 75/25 PPSu/PCL 5O/5O 18,32 20,65 19,42 22,63 26,07 PPSu/PCL 25/75 PPSu/PCL 10/90 PPSu/PCL 5/95 PPSu/PCL 2,5/97,5 PPSu θ ( o ) Σχήμα 8.9 Γραφήματα XRD των πολυεστέρων PPSu και PCL όπως επίσης και των συμπολυμερών τους σε διάφορες αναλογίες. Η κατάσταση αλλάζει για τα δύο επόμενα δείγματα P(PSu-co-CL) 10/90 και 25/75 %wt όπου εμφανίζονται οι κορυφές που αντιστοιχούν και στους δύο πολυεστέρες. Τέλος στα δύο επόμενα δείγματα με περιεκτικότητες σε PPSu 50 και 75 %wt τα γραφήματα της περίθλασης ακτίνων-χ δίνουν μία μόνο ευρεία κορυφή η οποία είναι χαρακτηριστική της ύπαρξης άμορφού υλικού Μελέτη Βιοαποικοδόμησης Είναι γνωστό ότι οι αλειφατικοί πολυεστέρες με υψηλό βαθμό κρυσταλλικότητας και μεγάλα μοριακά βάρη όπως η πολυκαπρολακτόνη (PCL.) 230

245 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ παρουσιάζουν πολύ χαμηλή ταχύτητα βιοαποικοδόμισης. Στο Σχήμα 8.10 παρουσιάζεται η ελάττωση βάρους της καθαρής PCL όπως επίσης και των συμπολυμερών με διαφορετικές περιεκτικότητες σε PCL, κατά την διάρκεια της ενζυμικής υδρόλυσης για αρκετές μέρες. Όπως φαίνεται η ταχύτητα βιοαποικοδόμισης για την PCL είναι σχεδόν αμελητέα έως και την ένατη μέρα της ενζυμικής υδρόλυσης. Παρατηρώντας πιο προσεκτικά μπορούμε να αντιληφθούμε ότι η μέγιστη ελάττωση βάρους δε φτάνει ούτε το 5% κατά βάρος. Η πολυκαπρολακτόνη είναι γνωστό από βιβλιογραφικές πηγές πως παρουσιάζει χαμηλή ταχύτητα βιοαποικοδόμισης εξαιτίας της σημαντικής υδροφοβίας αλλά και της υψηλής κρυσταλλικότητας που παρουσιάζει (He F. et al 2005). Όμως ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) (PPSu) παρουσιάζει ιδιαίτερα ψηλή ταχύτητα βιοαποικοδόμισης σε σχέση με την πολυκαπρολακτόνη (PCL) και φτάνει το 100% μέσα σε χρονικό διάστημα 5 ημερών. Κατά συνέπεια ο συνδυασμός των δύο πολυεστέρων μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία πολυμερών με ιδιαίτερα υψηλή ταχύτητα ενζυμικής υδρόλυσης. Αυτό επιβεβαιώνεται από τη μελέτη του ρυθμού υδρόλυσης των συμπολυμερών. Στην τρίτη κιόλας μέρα της πειραματικής διαδικασίας η ελάττωση βάρους ανέρχεται για τους πολυεστέρες με περιεκτικότητες P(PSu-co-CL) 25/75, 50/50 και 75/25 σε ποσοστό πάνω από το 20%. Το συμπολυμερές με περιεκτικότητα 75% κατά βάρος σε PPSu διασπάται πλήρως σε διάρκεια 9 ημερών ενώ στους πολυεστέρες με περιεκτικότητες 50 και 25% κατά βάρος σε PPSu, μόνο το 25 και 7% κατά βάρος, αντίστοιχα, της αρχικής μάζας παραμένει αναλλοίωτο. Η συνολική μάζα αυτών των πολυεστέρων διασπάται σε διάρκεια 12 ημερών ενζυμικής υδρόλυσης. Τα συμπολυμερή με περιεκτικότητες 2,5 και 5% κατά βάρος εμφανίζουν αρκετά μικρή ταχύτητα βιοαποικοδόμισης που αγγίζει στις 20 μέρες το 15 και 20% αντίστοιχα. Ενώ ο πολυεστέρας P(PSu-co-CL) 10/90 την δωδέκατη μέρα παρουσιάζει ελάττωση βάρους που αγγίζει το 60% ενώ η διάσπασή του ολοκληρώνεται την εικοστή μέρα της βιοαποικοδόμισης. Είναι δυνατόν λοιπόν να σκεφτεί κανείς ότι οι διαφορετικές αυτές ταχύτητες ενζυμικής υδρόλυσης για κάθε πολυεστέρα μπορεί να οφείλονται στο υψηλό μοριακό βάρος της πολυκαπρολακτόνης σε σχέση με αυτό του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα). Όμως, οι λιπάσες που χρησιμοποιήθηκαν είναι ένζυμα endo-type όπως χαρακτηριστικά αναφέρονται με τάση να λύουν τους εστερικούς δεσμούς των 231

246 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ μακρομοριακών αλυσίδων τυχαία, και για αυτόν ακριβώς τον λόγο διαφορές στα μοριακά βάρη δεν επηρεάζουν την ταχύτητα βιοαποικοδόμησης. Έτσι λοιπόν οι διαφορετικές ταχύτητες βιοαποικοδόμισης των υπό μελέτη συμπολυμερών θα πρέπει να αποδοθούν στον διαφορετικό βαθμό κρυσταλλικότητας και την διαφορετική αναλογία σε PPSu. 100 P(PSu-co-CL) 75/25 P(PSu-co-CL) 50/50 PPSu P(PSu-co-CL) 25/75 P(PSu-co-CL) 10/90 80 % Μείωση Βάρους P(PSu-co-CL) 5/95 P(PSu-co-CL) 2.5/ pcl Χρόνος (Ημέρες) Σχήμα 8.10 Ελάττωση βάρους των συμπολυμερών PPSu/PCL κατά την διάρκεια της ενζυμικής υδρόλυσης. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα τα πολυμερή με κρυσταλλικό χαρακτήρα παρουσιάζουν χαμηλότερη ταχύτητα βιοαποικοδόμησης P(PSu-co-CL 2,5/97,5, 5/95, 10/90 και 25/75 όσο όμως η περιεκτικότητα των συμπολυμερών σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) αυξάνεται η ταχύτητα της βιοαποικοδόμησης αυξάνεται. Παρόμοια αύξηση της ταχύτητας βιοαποικοδόμησης έχει επίσης αναφερθεί για τα μπλόκ συμπολυμερή PCL/PEG και το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στην χαμηλότερη κρυσταλλικότητα και υψηλότερη υδροφιλία των συμπολυμερών αυτών με αύξηση του περιεχομένου ποσού πολυαιθυλενογλυκόλης στα συμπολυμερή (Huang M.H. et al 2006). Τα άλλα δύο συμπολυμερή (P(PSu-co-CL 50/50 και 75/25) παρουσιάζονται πλήρως άμορφα και άρα θα έπρεπε η ταχύτητα βιοαποικοδόμισης να είναι ίδια. Όπως 232

247 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ φαίνεται από το διάγραμμα το συμπολυμερές με την μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε PPSu εμφανίζει και ελάχιστα μεγαλύτερη ταχύτητα, που μπορεί πιθανά να οφείλεται στην μεγάλη ταχύτητα βιοαποικοδόμησης που ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) παρουσιάζει σε σχέση με την πολυκαπρολακτόνη (Bikiaris D.N. et al 2007). Ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) (PPSu), συγκρινόμενος με την πολυκαπρολακτόνη (PCL), μπορεί να θεωρηθεί ως περισσότερο υδρόφιλο πολυμερές καθώς η πολυκαπρολακτόνη (PCL) παρουσιάζει στην μοριακή της δομή δύο επιπλέον μεθυλενικές ομάδες μεταξύ των εστερικών δεσμών. Το γεγονός αυτό έρχεται σε συμφωνία με μια πρόσφατη μελέτη όπου αποδεικνύεται, με χρήση πολυεστερικών νανοσωματιδίων, πως η δομή του πολυμερούς επηρεάζει άμεσα την ενζυμική υδρόλυση (Herzog K. et al 2006). Επίσης, ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) συγκρινόμενος με την πολυκαπρολακτόνη παρουσιάζει μεγαλύτερο αριθμό εστερικών ομάδων ανά μονάδα βάρους πολυμερούς και για τον λόγο αυτό η πιθανότητα σχάσης ενός τέτοιου δεσμού από τον μικροοργανισμό είναι πιο πιθανό σε σχέση με μια καρβονυλική ομάδα της πολυκαπρολακτόνης (Marten E, et al 2003). Χρόνος Ενζυμικής Υδρόλυσης (Ημέρες) PCL 5 PCL 2,5 PCL PCL 75 PCL 50 PCL 25 PCL 10 Μείωση Βάρους (%) Περιεκτικότητα σε PCL (wt%) Σχήμα 8.11 Τρισδιάστατη παρουσίαση της ελάττωσης βάρους των συμπολυμερών P(PSu-co-CL) κατά την διάρκεια της ενζυμικής υδρόλυσης σε σχέση με τον χρόνο και την σύσταση των δειγμάτων για αρκετές μέρες. 233

248 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Λήψη μικροφωτογραφιών ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) PCL i ii iii P(CL-co-PSu) 97.5/2.5 i ii iii P(CL-co-PSu) 95/.5 i ii iii P(CL-co-PSu) 90/10 i ii iii P(CL-co-PSu) 75/25 i ii iii Σχήμα 8.12 Μικροφωτογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης για τα συμπολυμερή P(PSu-co-CL) σε χρονικά διαστήματα i)0 ii)6 και iii)9 ημέρες 234

249 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Η ελάττωση βάρους δίνει μια γενική εικόνα όσον αφορά την ενζυμική υδρόλυση όμως δεν είναι δυνατόν να μελετηθεί πως η ενζυμική υδρόλυση λαμβάνει χώρα. Έτσι λοιπόν είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί και μορφολογική μελέτη των δειγμάτων. Στο Σχήμα 8.12 παρουσιάζονται οι μικροφωτογραφίες SEM των συμπολυμερών σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα κατά την διάρκεια της ενζυμικής υδρόλυσης. Όπως είναι ορατό η έκταση της υδρόλυσης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) στα δείγματα, ακόμα και από τις πρώτες 6 μέρες της ενζυμικής υδρόλυσης αφού υψηλά ποσά μάζας έχουν απομακρυνθεί από την επιφάνεια των πολυεστερικών φιλμ. Αν και είναι γνωστό ότι η ενζυμική υδρόλυση, είναι μια κατά βάση ετερογενής διαδικασία είναι εμφανές ότι το σύνολο της επιφάνειας έχει υποστεί διάβρωση, ιδιαίτερα μετά από 9 μέρες ενζυμικής υδρόλυσης. Η βιοαποικοδόμιση της πολυκαπρολακτόνης οφείλεται στην υδρολυτική σχάση των εστερικών δεσμών και ο κύριος παράγοντας της διαδικασίας αυτής είναι, το μοριακό βάρος και ο βαθμός κρυσταλλικότητας. Την ίδια στιγμή η ταχύτητα διάσπασης του πολύ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) είναι υψηλή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, εξαιτίας του χαμηλού σημείου τήξεως και επίσης του χαμηλού βαθμού κρυσταλλικότητας. Από προηγούμενη ερευνητική εργασία μελέτης της ενζυμικής υδρόλυσης του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα), βρέθηκε ότι κατά την διάρκεια των πρώτων ημερών της υδρόλυσης, παρατηρήθηκαν μεγάλες ταχύτητες απομάκρυνσης μάζας, συνοδευόμενες από ταχύτατη ελάττωση του εσωτερικού ιξώδους και του μοριακού βάρους. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει μεικτή δράση ενδο- και εξω- τύπου ως μηχανισμό υδρόλυσης (Bikiaris, D.N. et al 2006). Στην συνέχεια ο μηχανισμός μετατρέπεται αποκλειστικά σε έξω-, ο οποίος λαμβάνει χώρα πλέον στην κρυσταλλική φάση, καθώς μετά από ημέρες το μοριακό βάρος σταθεροποιείται, ενώ η απώλεια μάζας συνεχίζει αλλά με μικρότερη ταχύτητα. Εξαιτίας της υψηλής ταχύτητας βιοαποικοδόμισης του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα), φαίνεται πως στα μίγματα πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) με πολυκαπρολακτόνη, η ένταξη του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) στις μακρομοριακές αλυσίδες της πολυκαπρολακτόνης δημιουργεί υλικά τα οποία και βιοαποικοδομούνται γρήγορα. Φαίνεται λοιπόν ότι και στα υπό μελέτη συμπολυμερή 235

250 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ η παρουσία του PPSu ανάμεσα στις μακρομοριακές αλυσίδες της PCL δημιουργεί βιαποικοδομήσιμα υλικά τα οποία και διασπώνται σε σύντομο χρονικό διάστημα Χημική Υδρόλυση πολυεστέρων Στο σχήμα 8.13 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της χημικής υδρόλυσης των πολυεστέρων. Σε αυτήν την περίπτωση όπως παρατηρήθηκε και κατά την ενζυμική υδρόλυση ο ρυθμός ελάττωσης βάρους αυξάνεται με αύξηση του ποσοστού του ηλεκτρικού προπυλενεστέρα στα δείγματα. Η βασική διαφορά έγκειται στο ότι ακόμα και μετά από 45 μέρες χημικής υδρόλυσης το ποσοστό απώλειας μάζας για το δείγμα Με περιεκτικότητα 75% σε ηλεκτρικό προπυλενεστέρα δεν ξεπερνάει το 2,5%. Παρατηρήθηκε επίσης πως όσο πιο άμορφο το υλικό τόσο πιο γρήγορη η ελάττωση βάρους. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι το νερό διέρχεται πιο εύκολα μέσα στις άμορφες περιοχές του πολυμερούς, όπου οι μακρομοριακές αλυσίδες παρουσιάζουν μικρότερη οργάνωση στο χώρο με αποτέλεσμα να είναι σαφώς περισσότερο προσβάσιμες οι εστερικές ομάδες και άρα περισσότερο δεκτικές στην υδρόλυση. 3,0 2,5 P(PSu-co-CL) 75/25 % Weight Loss 2,0 1,5 1,0 0,5 P(PSu-co-CL) 50/50 P(PSu-co-CL) 25/75 P(PSu-co-CL) 10/90 P(PSu-co-CL) 25/75 P(PSu-co-CL) 2,5/97,5 PCL 0, Time (days) Σχήμα 8.13 Ελάττωση βάρους των συμπολυμερών PPSu/PCL κατά την διάρκεια της υδρόλυσης χωρίς ένζυμα. 236

251 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ In vitro βιοσυμβατότητα των παρασκευασθέντων πολυεστέρων Ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) και τα συμπολυμερή αυτού με ε- καπρολακτόνη παρουσιάζουν χαμηλή τοξικότητα σε HUVEC (ανθρώπινα ενδοθηλιακά κύτταρα από φλέβα ομφάλιου λώρου, Human Umbilical Vein Endothelial Cells) κύτταρα, με εκτιμητέα κυταροτοξικότητα (υψηλότερη από 20% ελάττωση στην βιωσιμότητα των χρησιμοποιούμενων κυττάρων) να παρατηρείται μόνο μετά από έκθεση των χρησιμοποιούμενων κυττάρων σε συγκεντρώσεις πολυεστέρων μεγαλύτερες από 800 μg/ml (Σχήμα 8.14). Βασιζόμενοι στην τοξικότητα που παρουσιάζουν τα πολυμερή αυτά σε HUVEC κύτταρα, η βιοσυμβατότητα του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) και των συμπολυμερών αυτού με ε-καπρολακτόνη P(PSu-co-CL), είναι συγκρίσιμη με την βιοσυμβατότητα που παρουσιάζει ένα κλασικό βιοσυμβατό πολυμερές με σημαντικές βιοϊατρικές εφαρμογές, το πολυγαλακτικό οξύ. (Athanasiou K.A. et al 1996). Κατά συνέπεια τα παραγόμενα συμπολυμερή μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως φορείς φαρμακευτικών ενώσεων. % Ζωτικκότητα Κυττάρων PCL/PPSU 90/10 PCL/PPSU 75/25 PPSU PLA Συγκέντρωση πολυμερούς (μg/ml) Σχήμα 8.14 Ζωτικότητα των κυττάρων HUVEC μετά από επώασή τους για 24 ώρες με διαφορετικά πολυμερή και διαφορετικές συγκεντρώσεις αυτών. 237

252 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Θερμοσταθμική ανάλυση-thermogravimetric analysis Η θερμική αποικοδόμηση των συμπολυμερών P(PSu-co-CL) μελετήθηκε για να καθοριστεί η απώλεια μάζας κατά τη θέρμανση. Στην Εικόνα 8.16 παρουσιάζονται οι καμπύλες της απώλειας μάζας (TG %) και η παράγωγος της απώλειας μάζας (DTG) για όλα τα συμπολυμερή για ρυθμό θέρμανσης 10 ο C/min. Από τις θερμοσταθμικές καμπύλες (Εικόνα 8.16) φαίνεται ότι όλα τα παραχθέντα συμπολυμερή παρουσίασαν μία σχετικά καλή σταθερότητα στην θερμοκρασία αφού δεν παρατηρήθηκε σημαντική απώλεια μάζας (~0.5 %) μέχρι τους 250 o C. Συγκρίνοντας τον ρυθμό απώλειας μάζας μεταξύ των συμπολυεστέρων σύμφωνα με την αλλαγή στην επί τοις εκατό κατά βάρος αναλογία σε πολυ(σουκινικό προπυλενεστέρα), μπορεί να παρατηρηθεί, ότι για την αρχική περιοχή θερμοκρασιών, μέχρι και τους 380 o C, η απώλειας μάζας για όλα τα συμπολυμερή είναι περίπου ίδια και για τα καθαρά πολυμερή υψηλότερη σε σύγκριση με αντίστοιχα αποτελέσματα για την πολυκαπρολακτόνη και τον πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα). Πέρα από αυτή τη θερμοκρασία η απώλεια βάρους των συμπολυμερών P(PSu-co-CL) που περιέχουν 50 και 75 wt % PPSu είναι σχεδόν ταυτόσημη με αυτή του καθαρού PPSu, ενώ για το συμπολυμερές που περιέχει 25 wt% PPSu η απώλεια μάζας του βρίσκεται ανάμεσα στις καμπύλες των καθαρών πολυμερών. Σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες οι πολυεστέρες αποσυντίθενται γρήγορα και χάνουν σχεδόν το σύνολο του βάρους τους > 99.1 wt %) μέχρι τους 500 o C. Όπως φαίνεται από τις διαφορικές καμπύλες ελάττωσης βάρους, οι μέγιστες ταχύτητες διάσπασης για τα τρία συμπολυμερή P(PSu-co-CL) 25/75, 50/50 και 75/25 κυμαίνονται μεταξύ των ταχυτήτων διάσπασης των καθαρών πολυεστέρων PPSu και PCL. Αυτές οι θερμοκρασίες είναι 407.3, για τα συμπολυμερή με περιεκτικότητα 75, 50 και 25 wt% σε PPSu αντίστοιχα, ενώ οι αντίστοιχες θερμοκρασίες για το PPSu και την PCL είναι και o C. 238

253 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ P(PSu-co-CL) 2,5/97,5 P(PSu-co-CL) 75/25 P(PSu-co-CL) 50/50 P(PSu-co-CL) 5/95 P(PSu-co-CL) 25/75 P(PSu-co-CL) 10/90 mass (%) T ( o C) P(PSu-co-CL) 2,5/97,5 P(PSu-co-CL) 5/95 P(PSu-co-CL) 10/90 P(PSu-co-CL) 25/75 P(PSu-co-CL) 50/50 P(PSu-co-CL) 75/25 PPSu DTG PCL T ( o C) Σχήμα 8.16: Θερμογραφήματα TGA των 1: PPSu, 2: PPSu/PCL 25/75, 3: PPSu/PCL 50/50, 4: PPSu/PCL 75/25, 5: PCL, που καταγράφηκαν με ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας β=10 o C/min α)ελάττωση μάζας (TG%) προς θερμοκρασία και β) Παράγωγος ελάττωσης βάρους (DTG) ως προς την θερμοκρασία. 239

254

255 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ, ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΕΝΘΥΛΑΚΩΣΗ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΙΚΗΣ ΟΥΣΙΑΣ ΤΙΜΠΟΛΟΝΗΣ 9.1 Μορφολογία και κατανομή μεγέθους νανοσωματιδίων Μέτρηση μεγέθους σωματιδίων με χρήση σκέδασης φωτός Στο Σχήμα 9.1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την μέτρηση της κατανομής του μεγέθους των νανοσωματιδίων των συμπολυμερών τα οποία περιλαμβάνουν εγκλεισμένη την Τιμπολόνη. Το μέγεθος των σωματιδίων και η 241

256 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ κατανομή τους υπολογίστηκε με την χρήση της δυναμικής σκέδασης φωτός (dynamic light scattering-dls). Η μέση διάμετρος των σωματιδίων κυμαίνεται από 150 έως 190nm. Intensity (%) Size (nm) Σχήμα 9.1: Κατανομή μεγέθους σωματιδίων του δείγματος νανοσωματιδίων PPSuco-CL 25/75 με ενθυλακωμένη την δραστική ουσία Τιμπολόνη Παρατηρήθηκε πως με αύξηση του λόγου PSu/CL στα δείγματα των πολυεστέρων, ελαττώθηκε το μέγεθος των σωματιδίων. Το αποτέλεσμα αυτό βρίσκεται σε συμφωνία και με άλλες μελέτες, όσον αφορά το μέγεθος των σωματιδίων πολυεστέρων, στις οποίες όσο αυξάνεται το λιγότερο υδρόφοβο τμήμα του πολυεστέρα, τόσο ελαττώνεται το μέγεθος των νανοσωματιδίων (Haixiong G., et al 2002). Στην προκειμένη περίπτωση ο πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) μπορεί να χαρακτηριστεί ως λιγότερο υδρόφοβος σε σχέση με την πολυκαπρολακτόνη, καθώς στην χημική δομή του παρουσιάζονται δύο καρβονυλικές ομάδες και μάλιστα σε μικρότερα διαστήματα ανθράκων πάνω στην μακρομοριακή αλυσίδα, σε σχέση με την καρβονυλική ομάδα η οποία εμφανίζεται στην μακρομοριακή αλυσίδα της πολυκαπρολακτόνης, γεγονός που αποδίδει έναν πιο υδρόφιλο χαρακτήρα στο τμήμα του σουκινικού προπυλενεστέρα στα παρασκευασθέντα συμπολυμερή. Επιπλέον στα δείγματα της πολυκαπρολακτόνης και των παρασκευασθέντων συμπολυμερών με 242

257 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ αναλογίες P(PSu-co-CL) 2,5/97,5 και 25/75 παρουσιάζουν ένα εύρος κατανομής ενώ στην περίπτωση των δειγμάτων P(PSu-co-CL) 5/95 και 10/90 η κατανομή των νανοσωματιδίων παρουσιάζεται διπλή. Η μόνη διαφορά σε αυτά τα δείγματα είναι η ποσοστιαία περιεκτικότητα των δειγμάτων σε πολυκαπρολακτόνη, γεγονός που απέδειξε πως η κατανομή μεγέθους καθορίζεται από την χημική σύσταση της μήτρας των νανοσωματιδίων Μέτρηση μεγέθους και παρατήρηση μορφολογίας νανοσωματιδίων με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy- SEΜ) Οι μικρογραφίες του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης, όπου παρουσιάζονται τα νανοσωματίδια, παρουσιάζονται στο Σχήμα 9.2. Στις μικρογραφίες του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ήταν εμφανές πως τα νανοσωματίδια των πολυεστέρων στα οποία έχει ενθυλακωθεί η δραστική ουσία Τιμπολόνη, παρουσιάστηκαν ως ξεχωριστά σωματίδια με σφαιρικό σχήμα και μέγεθος περίπου 180 nm ή και μικρότερο, γεγονός που βρίσκεται σε συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν για το μέγεθος των νανοσωματιδίων με την χρήση της σκέδασης φωτός. α) β) γ) δ) 243

258 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ε) Σχήμα 9.2: Μικρογραφίες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των νανοσωματιδίων των συμπολυμερών PPSu-co-CL α) 2,5/97,7 β) 5/95 γ)10/90 δ) 25/75 ε) καθαρή πολυκαπρολακτόνη Μέτρηση μεγέθους και μορφολογίας νανοσωματιδίων με χρήση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (Transmition Electron Microscopy-TEM) Μικρογραφίες, με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης (Σχήμα 9.3) των παρασκευασθέντων νανοσωματιδίων, αποκάλυψαν με την σειρά τους ότι τα νανοσωματίδια εμφανίζονται με σχήμα σφαιρικό, και μάλιστα στην περίπτωση του δείγματος P(PSu-co-CL) 25/75 με δομή που αποτελείται από μία εσωτερική περιοχή και ένα εξωτερικό περίβλημα, με δομή core-shell, όπου το τμήμα του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) αντιπροσωπεύει τον πυρήνα του σχηματιζόμενου νανοσωματιδίου ενώ το τμήμα της πολυκαπρολακτόνης αντιπροσωπεύει το εξωτερικό περίβλημα. Η δραστική ουσία Τιμπολόνη έχει ενθυλακωθεί στην άμορφη εσωτερική περιοχή με την μορφή των νανοκρυστάλλων. Πιο συγκεκριμένα φάνηκε από τις μικροφωτογραφίες πως το εξωτερικό περίβλημα των νανοσωματιδίων, της συγκεκριμένης αναλογίας, παρουσιάζεται ως μία σκοτεινή περιοχή η οποία και αντιπροσωπεύει μια κρυσταλλική περιοχή, προς το εσωτερικό του νανοσωματιδίου το χρώμα αλλάζει δίνοντας μία ανοιχτή απόχρωση η οποία αντιστοιχεί σε άμορφη περιοχή, πιθανά εξαιτίας της παρουσίας του τμήματος του ηλεκτρικού προπυλενεστέρα. Καθώς το τμήμα του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) είναι πιο υδρόφιλο σε σχέση με την πολυκαπρολακτόνη θα αναμενόταν το εξωτερικό περίβλημα των νανοσωματιδίων να αποτελείται από το πιο 244

259 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ υδρόφιλο συγκριτικά πολυμερικό τμήμα ενώ ο εσωτερικός πυρήνας να αποτελείται από την πολυκαπρολακτόνη. Η παρουσία αυτή της δομής core shell είναι εμφανής στα δείγματα P(PSu-co-CL) 75/25 και 90/10. a) b) c) Σχήμα 9.3: Μικρογραφίες Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (TEM) των δειγμάτων νανοσωματιδίων α) PPSu-co-CL 25/75 β) PPSu-co-CL με την χαρακτηριστική δομή πυρήνα-εξωτερικό περίβλημα γ) νανοκρύσταλλοι της δραστικής ενθυλακωμένοι στην εσωτερική άμορφη περιοχή της πολυμερικής μήτρας του νανοσωματιδίου Προσδιορισμός της απόδοσης σε νανοσωματίδια, της ικανότητας φόρτωσης δραστικής και της ικανότητας ενθυλάκωσης Στον πίνακα 9.1 συνοψίζονται τα αποτελέσματα της απόδοσης σε νανοσωματίδια (nanoparticle yield), της φόρτωσης σε δραστική των νανοσωματιδίων (drug loading content) όπως επίσης και της ικανότητας ενθυλάκωσης (entrapment 245

260 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ efficiency) των πολυεστέρων. Οι παράμετροι αυτοί καθορίζονται κυρίως από την σύσταση των πολυεστέρων, και μπορούν επίσης να επηρεαστούν από παράγοντες όπως το μοριακό βάρος του πολυμερούς και η κρυσταλλικότητα. Σε αυτούς του πολυεστέρες αύξηση της κατά βάρος αναλογίας των δειγμάτων σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) οδήγησε σε αύξηση τόσο της απόδοσης σε νανοσωματίδια όσο και της ικανότητας φόρτωσης σε δραστική αλλά και της ικανότητας ενθυλάκωσης των πολυεστέρων. Μόνη εξαίρεση της γενικής αυτής παρατήρησης αποτέλεσε το δείγμα P(PSu-co-CL) 5/95 όπου η φόρτωση των νανοσωματιδίων σε δραστική παρουσιάστηκε μειωμένη. Πίνακας 9.1: Αποτελέσματα της επί τοις εκατό απόδοσης σε νανοσωματίδια (nanoparticle yield), της φόρτωσης σε δραστική των νανοσωματιδίων (drug loading) όπως επίσης και της ικανότητας ενθυλάκωσης (entrapment efficiency) των πολυεστέρων. Φόρτωση Ενθυλάκωση Απόδοσης Mέση Διάμετρος PdI Δείγμα (%) (%) (%) (nm) PPSu-co-CL 100/0 5,14±0,7 33,40±5,7 58,9±6,52 190±3,5 0,22 PPSu-co-CL 2,5/97,5 4,55±0,45 34,08±3,23 68,09±4,31 188±2,6 0,32 PPSu-co-CL 5/95 4,26±0,62 29,14±5,66 62,09±7,6 175±7,6 0,35 PPSu-co-CL 10/90 8,48±0,43 74,25±1,33 79,54±2,45 163±1,2 0,33 PPSu-co-CL 25/75 8,76±0,65 82,79±2,47 85,91±1,22 152±3,4 0,23 PPSu-co-CL 100/0 2,35±1,2 7,10±5,67 4,36±1,34 180±5,3 0, Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των νανοσωματιδίων των συμπολυμερών Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ (Wide Angle X-Ray Diffractometry-WAXD) Στο σχήμα 9.4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την λήψη των φασμάτων με χρήση περίθλασης ακτίνων-χ. Προκειμένου να υπάρχει η κατάλληλη σύγκριση παρουσιάζονται τα φάσματα τόσο των καθαρών πολυεστέρων πολυκαπρολακτόνης και πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) καθώς και της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης, 246

261 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ της ανακρυσταλλωμένης Τιμπολόνης και των νανοσωματιδίων των πολυεστέρων στα οποία βρίσκεται ενθυλακωμένη η δραστική. α) Intensity (a.u.) PCL 25/75 10/90 5/95 2,5/97,5 PPSu θ ( o ) β) Intensity (a.u.) 16,01 17,62 15,36 PCL-Tibo PPSu/PCL2,5/97,5-Tibo PPSu/PCL5/95-Tibo PPSu/PCL10/90-Tibo PPSu/PCL25/75-Tibo PPSu-Tibo Tibolone Recrystalized Tibolone θ (deg) Σχήμα 9.4 Φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ α) των πολυμερών που παρασκευάστηκαν, β) της καθαρής και ανακρυσταλλωμένης Τιμπολόνης καθώς και των νανοσωματιδίων των συμπολυμερών όπου ενθυλακώθηκε. 247

262 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Όπως αποδυκνείεται από τα φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ ο καθαρός πολυ(ηλεκτρικός προπυλενεστέρας) παρουσιάζει τις παρακάτω χαρακτηριστικές κορυφές 2θ=18.32, 19.42, 20.65, και deg και η πολυκαπρολακτόνη 2θ=15,71, 21.32, 21.96, και 29,75 deg. Στα φάσματα που προέκυψαν από τα νανοσωματίδια παρατηρούνται οι χαρακτηριστικές κορυφές των πολυεστέρων καθώς και οι πιο έντονες κορυφές της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης 2θ=15,36, 16,31, 17,71, γεγονός που αποτελεί σημαντική ένδειξη της παρουσίας της δραστικής σε κρυσταλλική μορφή στο εσωτερικό των νανοσωματιδίων. Τα αποτελέσματα αυτά έρχονται σε συμφωνία με όσα παρατηρήθηκαν στις μικροφωτογραφίες της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης. Εξαιτίας της χαμηλής έντασης και της ευρύτητας των χαρακτηριστικών κορυφών της δραστικής στα δείγματα των νανοσωματιδίων στα φάσματα της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, δεν κατέστη δυνατό να αναγνωριστεί η κρυσταλλική μορφή στην οποία εμφανίστηκε η δραστική. Προκειμένου να συλλεχθούν περισσότερες πληροφορίες προς αυτή την κατεύθυνση έγινε λήψη και φασμάτων υπερύθρου στα δείγματα των νανοσωματιδίων Λήψη και μελέτη φασμάτων υπερύθρου - Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT-IR) Η φύση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των πολυεστέρων και της Τιμπολόνης εξετάστηκε με την χρήση της φασματοσκοπίας υπερύθρου (FT-IR). Στην περίπτωση των δειγμάτων των νανοσωματιδίων οι χαρακτηριστικές κορυφές της δραστικής αποδεικνύουν πως η Τιμπολόνη βρίσκεται στην κρυσταλλική της μορφή και συγκεκριμένα με αυτή του πολυμόρφου Ι (Σχήμα 9.5). Η χαρακτηριστική κορυφή της κρυσταλλικής Μορφής Ι της Τιμπολόνης όχι μόνο εμφανίζεται ξεκάθαρα στο φάσμα αλλά παρουσιάζει και μετατόπιση στα 3446cm -1 δίνοντας μια σαφή ένδειξη για πιθανή ύπαρξη κάποιας μορφής αλληλεπίδρασης είτε μεταξύ της πολυμερικής μήτρας και των μορίων της δραστικής δημιουργώντας διαμοριακές αλληλεπιδράσεις, είτε ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ίδιων των μορίων της Τιμπολόνης, γεγονός που φαίνεται περισσότερο πιθανό λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης (Σχήμα 9.6), όπου η δραστική 248

263 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ φαίνεται να ενθυλακώνεται στην πολυμερική μήτρα με την μορφή των νανοκρυστάλλων. Tibolone Απορρόφηση PCL PPSu 25/75 10/90 5/95 2,5/97,5 Tibolone Recrystalized Κυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 9.5 Φάσματα υπερύθρου των νανοσωματιδίων των συμπολυμερών με την δραστική ουσία Τιμπολόνη 3446cm -1 PCL/PPSu 75/25 nanoparticles PCL/PPSu 97,5/2,5 nanoparticles PPSu nanoparticles PCL nanoparticles Recrystalized Tibolone Tibolone Απορρόφηση 3410cm Kυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 9.6 Διευρυμένη η περιοχή των υδροξυλίων στα φάσματα απορρόφησης των νανοσωματιδίων 249

264 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Η μετατόπιση της καρβονυλικής ομάδας από τα 1714 στα 1729 cm -1 είναι αποτέλεσμα της πεπερασμένης αναλυτικής ικανότητας του φάσματος υπερύθρου ώστε να μην είναι δυνατή η διαφοροποίηση μεταξύ της καρβονυλικής ομάδας των συμπολυμερών και της καρβονυλικής ομάδας της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης, ως αποτέλεσμα εμφανίζεται μόνο μία χαρακτηριστική κορυφή μετατοπισμένη 15cm -1 αριστερά στο φάσμα σε σχέση με την καθαρή (Σχήμα 9.7). 1729cm cm -1 Απορρόφηση Tibolone PCL PPSu PPSu/PCL 25/75 PPSu/PCL 10/90 PPSu/PCL 5/95 PPSu/PCL 2,5/97,5 Κυματάριθμος (cm -1 ) Σχήμα 9.6 Διευρυμένη η καρβονυλική περιοχή στα φάσματα απορρόφησης των νανοσωματιδίων In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας (In vitro release profile) Στο σχήμα 9.7 παρουσιάζεται η in vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης από τα νανοσωματίδια τόσο των καθαρών πολυμερών πολυκαπρολακτόνης και πολυσουκινικού προπυλενεστέρα καθώς και από τα συμπολυμερή τους. Τα νανοσωματίδια που προήλθαν από τα ομοπολυμερή απελευθέρωσαν την δραστική πολύ πιο γρήγορα σε σχέση με την απελευθέρωση της δραστικής από τα νανοσωματίδια των συμπολυμερών. Αντίστοιχα αποτελέσματα έχουν αναφερθεί και σε άλλες μελέτες. (Haixiong Ge et al 2000). Τα νανοσωματίδια του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) παρουσίασαν την πιο γρήγορη ταχύτητα 250

265 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ απελευθέρωσης σε σχέση και με τα άλλα συμπολυμερή όσο και με την καθαρή πολυκαπρολακτόνη. Καθώς η αναλογία σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) αυξάνεται στα δείγματα, η ταχύτητα απελευθέρωσης της δραστικής ελαττώνεται δίνοντας για το δείγμα PCL/PPSu 75/25 και 90/10 μια απελευθέρωση σχεδόν μηδενικής τάξης. 100 % Απελευθέρωση Δραστικής PPSu PCL P(PSu-co-CL) 2,5/97,5 P(PSu-co-CL) 5/95 P(PSu-co-CL) 10/90 P(PSu-co-CL) 25/ Χρόνος (ώρες) Σχήμα 9.7 Ιn vitro ρυθμός αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης από τα νανοσωματίδια των ομοπολυμερών και συμπολυμερών. Όπως έχει αναφερθεί σε αρκετές ερευνητικές εργασίες, η απελευθέρωση μιας δραστικής ουσίας από νανοσωματίδια βιοαποικοδομήσιμων πολυεστέρων αποτελεί μία μάλλον περίπλοκη διαδικασία, όπου διαφορετικοί παράγοντες μπορούν εν δυνάμει να επηρεάσουν το προφίλ απελευθέρωσης της δραστικής. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι πολλοί διαφορετικοί παράγοντες να έχουν αντικρουόμενο ρόλο στην αποδέσμευση. Τέτοιοι παράγοντες είναι η διάβρωση του πολυμερούς, το μοριακό του βάρος, η κρυσταλλικότητά του, η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης, η συγγένεια (φυσικοχημική) μεταξύ του πολυμερούς και της δραστικής, η ικανότητα 251

266 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ της πολυμερικής μήτρας να ενσωματώνει (ενθυλακώνει) μεγάλο μέρος της δραστικής, το μέγεθος των νανοσωματιδίων, το πόσο υδρόφοβο ή υδρόφιλο χαρακτήρα παρουσιάζει η δραστική κ.α. (Gref R. et al Yong Hu et al Leyang Zhang et al, 2004). Ένας από τους πιο καθοριστικούς παράγοντες για τον ρυθμό απελευθέρωσης της δραστικής αποτελεί η κρυσταλλικότητα της πολυμερικής μήτρας. Όπως έχει διαπιστωθεί από σειρά ερευνητικών ομάδων, όσο μεγαλύτερη η κρυσταλλικότητα της πολυμερικής μήτρας, τόσο ταχύτερη η απελευθέρωση της δραστικής από τα νανοσωματίδια (Haixiong Ge et al Jugminder S. Chawla, Mansoor M. Amiji, 2002), γεγονός το οποίο ερμηνεύεται με την υπόθεση ότι η μεγαλύτερη κρυσταλλικότητα της πολυμερικής μήτρας οδηγεί στην δημιουργία μιας δομής με παρουσία καναλιών (Yan Zhang et al 2005) τα οποία εξαναγκάζουν την δραστική σε πιο γρήγορη απελευθέρωση. Στην συγκεκριμένη περίπτωση καθώς αυξάνεται η αναλογία σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) η κρυσταλλικότητα ελαττώνεται και την ίδια συμπεριφορά ακολουθεί η ταχύτητα απελευθέρωσης της δραστικής. Ταυτόχρονα στην απελευθέρωση της δραστικής από τα νανοσωματίδια δεν εμφανίζεται σε καμία περίπτωση το χαρακτηριζόμενο στην βιβλιογραφία ώς burst effect, μια ταχύτατη δηλαδή πρώτη φάση απελευθέρωσης της δραστικής που οφείλεται στη ύπαρξη ποσότητας δραστικής στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων (Yong Hu, et al 2003), ισχυροποιώντας έτσι την πεποίθηση ότι η υπόθεση που έγινε προηγουμένως, ότι δηλαδή η δραστική βρίσκεται διεσπαρμένη ως νανοκρύσταλλοι στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας, και πιο συγκεκριμένα όχι στο επιφανειακό στρώμα αλλά κυρίως στο εσωτερικό άμορφο τμήμα, αποτελεί γεγονός. Ως αποτέλεσμα, το νερό διέρχεται εύκολα από τα κανάλια που δημιουργούνται στην πολυκαπρολακτόνη, όταν έρχεται σε επαφή με τους νανοκρυστάλλους της λιπόφιλης δραστικής εμποδίζεται η διάχυσή του στον εσωτερικό πυρήνα του νανοσωματιδίου, και ομοίως και αντιστρόφως εμποδίζεται η δραστική να διαχυθεί στο νερό, γεγονός που οδηγεί σε αργή απελευθέρωση της δραστικής. Ακόμη ένας παράγοντας που φαίνεται ότι έχει καθοριστικό ρόλο στο ρυθμό αποδέσμευσης της Τιμπολόνης από τα νανοσωματίδια είναι η ικανότητα του πολυμερούς να ενθυλακώνει την δραστική. Πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν επίσης υποστηρίξει ότι όσο μεγαλύτερη η περιεκτικότητα της δραστικής στο εσωτερικό του 252

267 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ νανοσωματιδίου τόσο πιο αργή η απελευθέρωσή της (Gref R. et al Soo P.L. et al Leyang Zhang et al 2004). Παρόμοια είναι και η κατάσταση που παρατηρήθηκε στην περίπτωση των νανοσωματιδίων των συμπολυμερών του πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) με ε-καπρολακτόνη, όπου η πιο γρήγορη απελευθέρωση λαμβάνεται για το δείγμα του καθαρού πολυ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) το οποίο παρουσιάζει και την χαμηλότερη φόρτωση σε δραστική ενώ η ακριβώς αντίθετη συμπεριφορά παρατηρήθηκε για το δείγμα με περιεκτικότητα κατά βάρος σε πολυ(ηλεκτρικό προπυλενεστέρα) 25%. Γεγονός που παρατηρήθηκε επίσης στα δείγματα P(PSu-co-CL) 2,5/97,5 και 5/95 όπου έχοντας σχεδόν ίδια φόρτωση σε δραστική έδωσαν παρεμφερή αποτελέσματα στην ταχύτητα απελευθέρωσης της δραστικής. Όταν το δείγμα P(PSu-co-CL) 25/75 συγκρίθηκε με το δείγμα P(PSu-co-CL) 10/90 φάνηκε πως ο καθοριστικός παράγοντας απελευθέρωσης της δραστικής από την πολυμερική μήτρα των νανοσωματιδίων είναι η κρυσταλλικότητα του πολυεστερικού δείγματος, καθώς ενώ παρουσίασαν παρόμοια φόρτωση σε δραστική η απελευθέρωση της δραστικής από το δείγμα P(PSu-co-CL) 10/90 παρουσιάστηκε σαφώς πιο γρήγορη. Τα παραπάνω αποτελέσματα έδειξαν ξεκάθαρα πως προσαρμόζοντας κατάλληλα την αναλογία πολύ(ηλεκτρικού προπυλενεστέρα) με ε-καπρολακτόνη στα υπό παρασκευή δείγματα είναι δυνατόν να βελτιστοποιηθούν τα αποτελέσματα της απελευθέρωσης της δραστικής. 253

268

269 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η σύνθεση νέων πολυεστέρων και η χρήση ήδη εμπορικών για την δημιουργία σκευάσματος παρατεταμένης και άμεσης αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας Τιμπολόνης με τις μεθόδους της νανοενθυλάκωσης και στερεής διασποράς αντίστοιχα. Επίσης ως στόχος τέθηκε η τροποποίηση των φυσικοχημκών ιδιοτήτων της Τιμπολόνης και κυρίως της διαλυτοποίησης που ήταν άλλωστε προαπαιτούμενο για να επιτευχθεί τελικά η δημιουργία των παραπάνω σκευασμάτων. 255