AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΑΛΑΖΗ ΕΙΡΗΝΗ ΧΗΜΙΚΟΣ

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΑΛΑΖΗ ΕΙΡΗΝΗ ΧΗΜΙΚΟΣ Αξιολόγηση της τεχνικής ανάμιξης τήγματος για την παρασκευή συστημάτων άμεσης ή ελεγχόμενης αποδέσμευσης του αντι-υπερτασικού φαρμάκου Φελοδιπίνη με τη χρήση κατάλληλων πολυμερών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΜΠΙΚΙΑΡΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012 i

2 Πρόλογος Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας του τομέα Χημικής Τεχνολογίας και Βιομηχανικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε στα εργαστήρια του τομέα και στα εργαστήρια της φαρμακευτικής εταιρίας ΦΑΡΜΑΤΕΝ INTERNATIONAL στο βιομηχανικό πάρκο Σαπών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω αρχικά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Δημήτριο Μπικιάρη, αναπληρωτή καθηγητή χημείας, για όσα μου δίδαξε και την εμπιστοσύνη που μου έδειξε όλα αυτά τα χρόνια. Ευχαριστώ επίσης τα άλλα δύο μέλη της τριμελούς εξεταστικής επιτροπής κ Γεώργιο Καραγιαννίδη, αναπληρωτή καθηγητή χημείας, για τις διορθώσεις και τις υποδείξεις που μου έκανε όπως και για όλα όσα μου δίδαξε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος. Ευχαριστώ επίσης τον κ Δημήτριο Αχιλιά, αναπληρωτή καθηγητή χημείας, για τις πολύτιμες συμβουλές του. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους καθηγητές του μεταπτυχιακού και τους συναδέλφους μου στο εργατήριο, για την υπομονή τους. ii

3 Περιεχόμενα Συντομογραφίες 1 Περίληψη Θέση του προβλήματος, σκοπός και στόχοι 2 Εισαγωγή 4 ΜΕΡΟΣ Ι: ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ 1. Φελοδιπίνη 6 2. Βελτίωση της διαλυτοποίησης δυσδιάλυτων ουσιών Μέθοδοι παρασκευής στερεών διασπορών Μέθοδος ανάμιξης τήγματος Μέθοδος διάλυσης Χαρακτηρισμός στερεών διασπορών Σκευάσματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης Γενικά Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μορφών αυτών Εξελίξεις στη μελέτη των μηχανισμών απορρόφησης των 15 δραστικών ουσιών 3.4 Εξελίξεις στην επιστήμη των πολυμερών Μηχανισμοί ελεγχόμενης αποδέσμευσης Διάχυση Ώσμωση Χημική αποικοδόμηση Υδρόφιλες μήτρες ως φορείς ελεγχόμενης αποδέσμευσης Μη πορώδεις υδρόφιλες μήτρες Πορώδεις υδρόφιλες μήτρες Τα πολυμερή στην ελεγχόμενη απελευθέρωση του φαρμάκου Βιο-υλικά για συστήματα απελευθέρωσης Πολυμερικοί φορείς για την παρασκευή στερεών διασπορών PEG Πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) Kollidon Soluplus 30 iii

4 5. Εξώθηση θερμού τήγματος (Hot Melt Extrusion) Εξωθητές Τύποι εξωθητών Μονοκόχλιοι εξωθητές Χοάνη τροφοδοσίας Κινητήρας Σύστημα μετάδοσης και ελέγχου της θερμότητας Μήτρα εκβολής Κυρίως σώμα Διπλοκόχλιοι εκβολής Αρχές των βασικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν για το χαρακτηρισμό 41 των στερεών διασπορών 6.1 Περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC) Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης 50 ΜΕΡΟΣ ΙΙ: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 7. Υλικά που χρησιμοποιήθηκαν- 54 Μέθοδοι παρασκευής και χαρακτηρισμού 8. Παρασκευή μιγμάτων στερεής διασποράς 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 - Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy (FT-IR) Λήψη μικροφωτογραφιών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης- Scanning Electron Microscopy (SEM) In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας (In vitro release profile) Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης(ηplc) για τον προσδιορισμό της δραστικής που απελευθερώθηκε 61 iv

5 ΜΕΡΟΣ ΙΙΙ: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 10. Φαρμακοτεχνικές ιδιότητες και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των συστημάτων στερεής διασποράς με: Θερμική ανάλυση XRD SEM FT-IR In Vitro μελέτη του ρυθμού απελευθέρωσης της Φελοδιπίνης ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 81 Βιβλιογραφία 82 v

6 Εικόνες Σελίδες Εικόνα 1. Δομή φελοδιπίνης 7 Εικόνα 2. 1)Μονολιθικό σύστημα (τύπου μήτρας) 2)σύστημα τύπου δεξαμενής 16 Εικόνα 3. Βιοαποικοδομήσιμο σύστημα ελεγχόμενης αποδέσμευσης. 18 Εικόνα 4. Συγκέντρωση φαρμάκου στο αίμα σε συνάρτηση με το χρόνο όπου (α) πρότυπη στοματική δόση (β) στοματική υπερδόση (γ) ενέσιμη δόση (δ) ιδανική δόση ελεγχόμενης αποδέσμευσης 23 Εικόνα 5. Παρασκευή πολυβινυλοπυρρολιδόνης 27 Εικόνα 6. Πολυ(οξικός βινυλεστέρας) και πολυβινυλοπυρρολιδόνη 29 Εικόνα 7. Δομή soluplus 30 Εικόνα 8. Μονοκόχλιος εξωθητής 34 Εικόνα 9. ελεγχόμενη τροφοδοσία 35 Εικόνα 10. κατακλυσμιαία τροφοδοσία 35 Εικόνα 11. Γεωμετρικά χαρακτηριστηκά κοχλία 38 Εικόνα 12. Ζώνες κοχλία. 38 Εικόνα 13. Τύποι κοχλιών της ζώνης ανάμιξης 40 Εικόνα 14. Ετερόστροφοι και ομόστροφοι κοχλίες. α) μη εφαπτομενικοί, β) μερικώς εφαπτομενικοί και γ) πλήρως εφαπτομενικοί. 41 Εικόνα 15. Σχηματική αναπαράσταση της περίθλαση των ακτίνων-χ. 43 Εικόνα 16. Διάγραμμα πειραματικής διάταξης και σήμα ανιχνευτή 44 Εικόνα 17. Σχηματικό διάγραμμα του συμβολόμετρου Michelson 46 Εικόνα 18. φυσικές και χημικές μεταβολές οι οποίες συνοδεύονται από απορρόφηση ή αποβολή θερμότητας και μπορούν να μελετηθούν με την τεχνική DSC. 48 Εικόνα 19. Γενικό σχεδιάγραμμα της τεχνικής SEM 49 Εικόνα 20. Σχηματική διάταξη υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης. Εικόνα 21. Συσκευή ανάμιξης τήγματος η οποία χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή των συστημάτων στερεών διασπορών. 55 Εικόνα 22. Όργανο διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης. 57 Εικόνα 23. Περιθλασίμετρο ακτίνων Χ 58 Εικόνα 24. Φασματοφωτόμετρο FT-IR 59 Εικόνα 25. Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο SEM τύπου Jeol (JMS-840) 60 Εικόνα 26. Συσκευή διαλυτοποίησης-προσομοίωσης γαστρεντερικού σωλήνα 61 Εικόνα 27. Συσκευή υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης (Shimatzu ΗPLC) 62 Εικόνα 28. Μικρογραφία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των δειγμάτων στερεής διασποράς των συστημάτων. 70 Εικόνα 29. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, λήψη επιφάνειας πολυμερικής μήτρας 72 vi

7 Σχήματα Σελίδες Σχήμα 1. Θερμογράμματα DSC της φελοδιπίνης, του soluplus και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/soluplus σε διάφορες αναλογίες. 64 Σχήμα 2. Θερμογράμματα DSC φελοδιπίνης, PVP-PEG και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/pvp-peg σε διάφορες αναλογίες. 65 Σχήμα 3. Θερμογράμματα DSC της φελοδιπίνης, του kollidon και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/kollidon σε διάφορες αναλογίες. 66 Σχήμα 4. Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων- Χ της καθαρής φελοδιπίνης, του soluplus και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ soluplus 67 Σχήμα 5. Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων- Χ της καθαρής φελοδιπίνης, του PVP-PEG και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ PVP-PEG. 68 Σχήμα 6. Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων- Χ της καθαρής φελοδιπίνης, του Kollidon και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ Kollidon. 69 Σχήμα 7. Στοιχιακή ανάλυση πολυμερικών τμημάτων 72 Σχήμα 8. Φάσμα FT-IR φελοδιπίνης 73 Σχήμα 9. Φάσματα (FT-IR) της φελοδιπίνης, του soluplus και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ soluplus. 74 Σχήμα 10. Φάσματα (FT-IR) της φελοδιπίνης, του PVP-PEG και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ PVP-PEG. 75 Σχήμα 11. Φάσματα (FT-IR) της φελοδιπίνης, του kollidon και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ kollidon. 76 Σχήμα 12. Διάγραμμα απελευθέρωσης της φελοδιπίνης από τα συστήματα στερεής διασποράς με το soluplus. 77 Σχήμα 13. Διαγράμματα απελευθέρωσης της φελοδιπίνης από τα συστήματα στερεής διασποράς με το kollidon. 78 Σχήμα 14. Διαγράμματα απελευθέρωσης της φελοδιπίνης από τα συστήματα στερεών διασπορών με το μίγμα PVP-PEG. 79 vii

8 Συντομογραφίες API: active pharmaceutical ingredient, φαρμακευτικά δραστικό συστατικό DSC: differential scanning calorimetry, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης FT-IR: Fourier Transformed Infrared Spectroscopy, Φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourrier HME: hot melt extrusion, εξώθηση θερμού τήγματος HPLC: high performance liquid chromatography, υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης PVAc: poly(vinyl acetate), πολυ(οξικός βινυλεστέρας) PVP: polyvinylpyrrolidone, πολυβινυλοπυρρολιδόνη PEG: poly(ethylene glycol), πολυαιθυλενογλυκόλη SD: solid dispersion, στερεή διασπορά SEM: scanning electron microscope, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης XRD: Χ- ray difractrometry, περίθλαση ακτίνων- Χ 1

9 Περίληψη Στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια να βελτιωθεί η βιοδιαθεσιμότητα της φαρμακευτικής ουσίας φελοδιπίνης, η οποία έχει αντι-υπερτασική και αντιστηθαγχική δράση, αλλά χαμηλό ρυθμό διάλυσης, ώστε να παρασκευαστούν συστήματα άμεσης αποδέσμευσης του φαρμάκου. Για το σκοπό αυτό παρασκευάστηκαν στερεές διασπορές του φαρμάκου σε πολυμερικές μήτρες μίγματος PVP-PEG. Επίσης, στόχος ήταν να παρασκευαστούν συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης της φελοδιπίνης και για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν δύο εμπορικά πολυμερικά έκδοχα με ονομασίες kollidon SR και soluplus. Η παρασκευή αυτών των φαρμακευτικών συστημάτων (άμεσης και ελεγχόμενης αποδέσμευσης) έγινε με την τεχνική ανάμιξης τήγματος, η οποία άρχισε μόλις τα τελευταία χρόνια να εφαρμόζεται στην φαρμακευτική τεχνολογία και αποτελεί μία πρωτοποριακή τεχνική. Μετά την παρασκευή των συστημάτων ακολούθησε η μελέτη των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών τους και η μελέτη του ρυθμού αποδέσμευσης της δραστικής ένωσης. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των στερεών διασπορών ήταν FT-IR, DSC, XRD και SEM, ενώ η μελέτη του ρυθμού αποδέσμευσης έγινε σε συσκευές διαλυτοποίησης και η εξαγωγή των αποτελεσμάτων έγινε με υγρή χρωματογραφία (ΗPLC). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, στα συστήματα άμεσης αποδέσμευσης επιτεύχθηκε η πλήρης αμορφοποίηση της δραστικής και τελικά η αύξηση της διαλυτότητάς της δίνοντας έναν ικανοποιητικό ρυθμό αποδέσμευσης. Στα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης διαπιστώθηκε ότι το πολυμερές kollidon SR δίνει καλύτερα αποτελέσματα αποδέσμευσης σε σχέση με το soluplus. 2

10 Εισαγωγή Έκθεση του προβλήματος σκοπός και στόχοι Τα τελευταία χρόνια έχει συντεθεί ένας μεγάλος αριθμός φαρμακευτικά δραστικών ουσιών. Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές τις δραστικές εμφανίζουν σημαντικά προβλήματα που αφορούν την κρυσταλλικότητά τους, την υδροφοβία τους και κυρίως την χαμηλή διαλυτότητά τους στο νερό. Το αποτέλεσμα όλων αυτών των προβλημάτων είναι ότι παρόλο που οι δραστικές αυτές ενώσεις έχουν υψηλή φαρμακευτική δράση παρουσιάζουν χαμηλή απορρόφηση από τον οργανισμό και κατά συνέπεια έχουν χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα. Μία από τις σημαντικότερες τάσεις στην φαρμακευτική τεχνολογία, προς την κατεύθυνση βελτίωσης της διαλυτότητας των δυσδιάλυτων φαρμακευτικά δραστικών ουσιών, αποτελεί η προσπάθεια παραλαβής τους σε άμορφη κατάσταση. Επειδή η άμορφη κατάσταση παρουσιάζει πολλές φορές διαλυτότητα μεγαλύτερη μέχρι και 1000 φορές από την κρυσταλλική, αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ταχεία διάλυση των ενώσεων αυτών κατά την χορήγησή τους και την καλύτερη απορρόφηση από τον οργανισμό. Τα συστήματα αυτά στα οποία οι φαρμακευτικές ενώσεις έχουν διασπαρθεί σε άμορφη κατάσταση μέσα σε ένα πολυμερές ονομάζονται συστήματα στερεών διασπορών (solid dispersions). Τα συστήματα αυτά λόγω της υψηλής διαλυτότητας του φαρμάκου είναι συστήματα άμεσης αποδέσμευσης. Η αμορφοποίηση των ενώσεων μπορεί να γίνει με την τεχνική της συνδιάλυσης του φαρμάκου και του πολυμερούς σε κοινό διαλύτη (συνήθως αλκοόλη, ακετόνη ή χλωροφόρμιο) και εξάτμισης του διαλύτη. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις ακόμα και ίχνη από εναπομείναντα διαλύτη στο τελικό σκεύασμα είναι ανεπιθύμητα εξαιτίας της τοξικότητας αυτού. Έτσι τα τελευταία χρόνια γίνεται μία προσπάθεια να παρασκευαστούν συστήματα στερεών διασπορών με την τεχνική της ανάμιξης τήγματος. Πολλά είναι επίσης τα προβλήματα που συνδέονται με τις συμβατικές μακροχρόνιες θεραπείες πολλαπλών δοσολογιών, όπως η συστηματική συσσώρευση του φαρμάκου που οδηγεί σε ανεπιθύμητες παρενέργειες ακόμη και σε τοξικότητα. Τα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμάκων έχουν τη δυνατότητα επίλυσης των προβλημάτων αυτών. Επίσης πολλές είναι οι ασθένειες που εμφανίζουν κιρκάδιους ρυθμούς (από τη λατινική φράση circa diem, η οποία μεταφράζεται ως 3

11 «περί του 24ωρου»). (Halberg,1959) Ενδεικτικά αναφέρεται έξαρση της συμπτωματολογίας κατά τις πρώτες πρωινές ώρες όσον αφορά την υπέρταση, στηθάγχη, εγκεφαλικά επεισόδια, εμφράγματα του μυοκαρδίου, κρίσεις επιληψίας κ.α.. Ταυτόχρονα κατά τις νυχτερινές ώρες η απορρόφηση των φαρμάκων παρουσιάζεται μειωμένη. Είναι προφανές ότι κατά τις ώρες τις έξαρσης της συμπτωματολογίας απαιτείται αυξημένη συγκέντρωση του φαρμάκου στο αίμα. Αυτό όμως δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί με τα συμβατικά συστήματα διάθεσης γιατί η δραστική κατά τις πρώτες πρωινές ώρες βρίσκεται στο στάδιο της απέκκρισης και ο ασθενής δεν μπορεί να πάρει την επόμενη δόση γιατί ακόμα κοιμάται. Για τέτοιες ασθένειες λοιπόν είναι αναγκαία η ανάπτυξη ενός ελεγχόμενου συστήματος αποδέσμευσης. Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη συστημάτων διάθεσης της δραστικής ουσίας φελοδιπίνη μίας διυδροπυριδίνης με αντι-υπερτασική και αντιστηθαγχική δράση. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα της δραστικής αυτής ουσίας (χαμηλή διαλυτότητα) και να επιτευχθεί ένα σκεύασμα άμεσης αποδέσμευσης αλλά και ένα σκεύασμα παρατεταμένης αποδέσμευσης χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της ανάμιξης τήγματος. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές πολυμερικές μήτρες ικανές να διαλύονται ταχύτατα για τα συστήματα άμεσης αποδέσμευσης όπως η πολυβινυλοπυρρολιδόνη και πολυμερή τα οποία διαλύονται σχετικά αργά για τα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Οι στόχοι της μελέτης εστιάστηκαν στα παρακάτω: Τροποποίηση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων της φελοδιπίνης, μέσω δυαδικών και τριαδικών συστημάτων στερεής διασποράς, με σκοπό την αύξηση της υδροφιλίας και της βιοδιαθεσιμότητάς της. Δημιουργία και μελέτη σκευάσματος άμεσης αλλά και παρατεταμένης αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας φελοδιπίνης με την χρήση της τεχνικής ανάμιξης τήγματος. Αξιολόγηση της ικανότητας της τεχνικής ανάμιξης τήγματος για την παραγωγή ανάλογων συστημάτων 4

12 Μέρος Ι: θεωρητικό 5

13 1.Φελοδιπίνη Η φελοδιπίνη είναι μία δραστική φαρμακευτική ουσία της οικογένειας των διυδροπυριδινών με αντιυπερτασικές και αντιστηθαγχικές ιδιότητες. Κατατάσσεται στους αγγειοεκλεκτικούς ανταγωνιστές ασβεστίου και πρωταρχικά απευθύνεται στη θεραπεία της υπέρτασης. Οι ανταγωνιστές ασβεστίου παρεμποδίζουν την είσοδο ιόντων ασβεστίου από τους διαύλους των κυτταρικών μεμβρανών. Η δράση αυτή ασκείται κυρίως στον καρδιακό μυ και τις λείες μυϊκές ίνες των αγγείων. Στον καρδιακό μυ προκαλούν ελάττωση της συσπαστικότητας, η οποία όμως αντισταθμίζεται από την ελάττωση του μεταφορτίου από την αγγειοδιαστολή. Στα αγγεία προκαλείται ελάττωση του μυϊκού τόνου και αγγειοδιαστολή τόσο στα περιφερικά όσο και στα στεφανιαία αγγεία. Τέλος, στο ερεθισματαγωγό σύστημα προκαλούν ελάττωση της ταχύτητας αγωγής του ερεθίσματος. Για αυτούς τους λόγους θα πρέπει να αποφεύγονται στην καρδιακή ανεπάρκεια την οποία ενδέχεται να επιδεινώσουν. Οι εκπρόσωποι της ομάδας αυτής διαφέρουν αρκετά ως προς τα σημεία στα οποία ασκεί ο καθένας την κύρια δράση του. Η φελοδιπίνη όπως η αμλοδιπίνη και η νιφεδιπίνη έχουν μακρύτερο χρόνο δράσης και μπορούν να χορηγηθούν μία φορά τη μέρα, χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία της στηθάγχης και της υπέρτασης. Είναι πολύτιμα φάρμακα στην αγωγή των μορφών στηθάγχης που σχετίζονται με σπασμό των στεφανιαίων αγγείων. Η φελοδιπίνη έχει εμπειρικό τύπο C 18 H 19 Cl 2 NO 4 και η ονομασία είναι αιθυλ-μεθυλ,1-4-(2,3 - διχλωροφαινυλ) - 1,4 διυδρο - 2,6 - διμεθυλ -3,5-πυριδινοδικαρβοξυλικός εστέρας. Το μοριακό της βάρος είναι 384,26g/mol και χημικός της τύπος παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Η φελοδιπίνη είναι μια υποκίτρινη κρυσταλλική σκόνη με σημείο τήξης στους C, είναι αδιάλυτη στο νερό ενώ διαλύεται στο διχλωρομεθάνιο, την μεθανόλη, την ακετόνη και την αιθανόλη. Μερικές άλλες εμπορικές της ονομασίες είναι AGON SR, Agon, Feloday, Flodil, Penedil, Plendil και Felodur. Η σημαντικότερη δυσκολία κατά τη μορφοποίηση, εντοπίζεται στην έντονη λιποφιλία του μορίου η οποία είναι άλλωστε εμφανής και από το συντακτικό του τύπο. Το πρόβλημα της χαμηλής διαλυτότητας της Φελοδιπίνης εντείνεται και από το γεγονός της κρυσταλλικότητάς της, καθώς είναι γνωστό ότι τα κρυσταλλικά υλικά εμφανίζουν βραδύτερη κινητική διάλυσης, αφού αντιστοιχούν σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη 6

14 απ ότι τα άμορφα, αφού απαιτούν επιπλέον ποσά ενέργειας για τη διάσπαση του κρυσταλλικού πλέγματος που προηγείται της τελικής διάλυσης. Εικόνα 1. Δομή φελοδιπίνης Σε απλή δόση έχει αναφερθεί ότι η διάρκεια δράσης του σκευάσματος άμεσης αποδέσμευσης αντιστοιχεί σε 6-9h. Το σκεύασμα ελεγχόμενης αποδέσμευσης προορίζεται για 24ωρη κάλυψη, ωστόσο μετά από 20 ώρες παρουσιάζονται πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις στο αίμα (Littler et al,1987). Τα ελάχιστα θεραπευτικά επίπεδα της φελοδιπίνης κυμαίνονται μεταξύ 4 και 6 nmol/l.( Smith et al,1987) Συγκεντρώσεις στο αίμα μεγαλύτερες από 30 nmol/lt μπορεί να είναι τοξικές (Edgar et al,1987). 2. Βελτίωση της διαλυτοποίησης δυσδιάλυτων ουσιών Παρασκευή συστημάτων άμεσης αποδέσμευσης 2.1 Μέθοδοι Παρασκευής Συστημάτων Στερεών Διασπορών Τα τελευταία χρόνια, ο αριθμός των δραστικών φαρμακευτικών ουσιών (API) με υψηλές θεραπευτικές ιδιότητες αλλά με πολύ μικρή διαλυτότητα στο νερό, εκτιμάται ότι είναι περίπου 25-40% του συνόλου των φαρμάκων. Αυτή η μειωμένη διαλυτότητα μειώνει την απορρόφηση από το γαστρεντερικό σύστημα και τελικά περιορίζει την κλινική χρησιμότητα τους. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα έχουν αναφερθεί πολλές τεχνολογικές μέθοδοι, για τη βελτίωση της διαλυτότητας και του 7

15 ρυθμού διάλυσης αυτών των φαρμάκων, όπως: α) τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων για την αύξηση της επιφάνειας, β) διαλυτοποίηση σε τασιενεργά συστήματα, γ) δημιουργία υδατοδιαλυτών συμπλόκων, δ) χρήση προφαρμάκου και παραγώγων του φαρμάκου, όπως μορφές άλατος που είναι ισχυροί ηλεκτρολύτες και έχουν συνήθως υψηλότερα ποσοστά διάλυσης και ε) μείωση κρυσταλλικότητας της δραστικής ουσίας ή παρασκευή άμορφων διασπορών μέσω του σχηματισμού των στερεών διαλυμάτων (Amidon et al, 1995, Lipinski, 2002). Καθώς αναγνωρίστηκε η σημασία της χρήσης ενός φαρμάκου με μέγεθος σωματιδίων αρκετά μικρό ώστε να εξασφαλιστεί η υψηλότερη δυνατή βιοδιαθεσιμότητα, πολλές φαρμακοποιίες περιλαμβάνουν το ανώτατο όριο του μεγέθους των σωματιδίων στις περιπτώσεις όπου η μικρή διαλυτότητα στο νερό είναι ένα ζήτημα. Η στρατηγική της μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων της φαρμακευτικά δραστικής ουσίας (ΑPI) με λειοτρίβηση έχει εφαρμοστεί στη φαρμακευτική βιομηχανία για αρκετές δεκαετίες. Μέχρι πρόσφατα, ωστόσο, η ικανότητα των υφιστάμενων τεχνικών μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων ήταν περιορισμένη σε μεγέθη micron, λόγω της παρουσίας των δυνάμεων συνοχής, στην sub-micron περιοχή των σωματιδίων του φαρμάκου (Kesisoglu et al,2007). Οι υπάρχουσες τεχνολογίες για τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων μπορεί να χωριστούν στις λεγόμενες «top down» και «bottom-up» τεχνολογίες (Cho E et al,2010). Η top down τεχνολογία περιλαμβάνει τη μηχανική λειοτρίβιση μεγαλύτερων σωματιδίων, όπως jet milling, pearl mill και spiral jet milling, αλλά επίσης και μερικές καινούργιες τεχνικές, όπως η media milling και η ομογενοποίηση υπό πίεση. Ωστόσο, καμία από αυτές τις τεχνολογίες δεν είναι ιδανική για το σχηματισμό των νανοκρυσταλλικών σωματιδίων επειδή είναι συνήθως αναποτελεσματικές λόγω των υψηλών ενεργειακών απαιτήσεων ή της φαρμακευτικής μόλυνσης και μετουσίωσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας άλεσης. Αυτό είναι κρίσιμο δεδομένου ότι σε νανοκρυστάλλους φαρμάκου το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται στο ελάχιστο τους, το οποίο προκαλεί αύξηση της επιφάνειας και του πραγματικού ποσοστού διάλυσης (Hu J et al, 2004). Οι νανοκρύσταλλοι των φαρμάκων έχουν οριστεί ως νανοσωματίδια, τα οποία συνθέτονται εξ ολοκλήρου από φάρμακα, χωρίς μήτρες και με ένα μέσο μέγεθος σωματιδίων κάτω από 1μm (Keck CM, 2006). Επί του παρόντος, η βιομηχανικής κλίμακας παραγωγή των νανοκρυσταλλικών φαρμάκων εμπίπτει κυρίως στην κατηγορία των "top-down" μεθόδων, ιδίως οι διαδικασίες με βάση την καθίζηση 8

16 όπως η ξήρανση με ψεκασμό και υπερκρίσιμη antisolvent διαδικασία, σπρέι λυοφιλίωση σε υγρό, εξάτμιση λόγω καθίζησης σε υδατικό διάλυμα και διαδικασία αλλαγής με υγρό διαλύτη, έχουν περιορισμένη επιτυχία στην παραγωγή φαρμάκων (Van Eerdenbrugh B et al, 2008). Σε σύγκριση με μικρομετροποιημένα- ΑΡΙ, οι νανοκρύσταλλοι των φαρμάκων έχουν κάποια πλεονεκτήματα, όπως η διευρυμένη επιφάνεια, βελτιωμένη διαλυτότητα κορεσμού, και αυξημένο ποσοστό διάλυσης, που έχουν ως αποτέλεσμα την αυξημένη και σταθερή βιοδιαθεσιμότητα (Dong Y et al,2010). Εκτός από το σχηματισμό των νανοσωματιδίων, ο ρυθμός διάλυσης ενός ελάχιστα διαλυτού στο νερό φαρμάκου μπορεί να αυξηθεί με τη δημιουργία μιας, ενεργειακά υψηλής, αλλά σταθερής άμορφης κατάστασης (Sethia et al,2003, Kaushal et al, 2004). Αυτό μπορεί να επιτευχθεί κυρίως με την διασπορά ενός φαρμάκου σε μια πολυμερική μήτρα. Η μορφοποίση των υδρόφοβων φαρμάκων ως στερεές διασπορές (SDs) είναι ένας σημαντικός τομέας της έρευνας με στόχο τη βελτίωση της διάλυσης και βιοδιαθεσιμότητά τους. Οι SDs αποτελούνται από ένα ελάχιστα υδατοδιαλυτό φάρμακο και ένα υδρόφιλο έκδοχο που μπορεί να είναι είτε υδατοδιαλυτό ή αδιάλυτο στο νερό. Ωστόσο, σε SDs το φάρμακο μπορεί επίσης να είναι διασκορπισμένo σε νανοκρυσταλλική μορφή και στην περίπτωση αυτή η ενίσχυση της διάλυσης οφείλεται στα χαρακτηριστικά εφύγρανσης του φορέα ή στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων του φαρμάκου. Και στις δύο περιπτώσεις, οι ιδιότητες του φορέα επηρεάζουν τον ρυθμό διάλυσης του φαρμάκου. Πρόσφατα, έχει αποδειχθεί ότι ο ρυθμός διάλυσης μπορεί να βελτιωθεί εάν ο φορέας έχει επιφανειακή δράση, ή αυτο-γαλακτωματοποιητικές ιδιότητες (Karavas et al, 2007). Η SD έχει ως στόχο να δώσει υψηλότερο βαθμό βιοδιαθεσιμότητας για τα ασθενώς διαλυτά φάρμακα, αποφεύγοντας την ανακρυστάλλωσή τους. Αναζητούνται νέες και βελτιστοποιημένες διαδικασίες παραγωγής αποτελεσματικών SDs (Vasconcelos et al, 2007). Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την προετοιμασία των στερεών διασπορών. Μερικές από αυτές είναι πολύ παλιές, όπως η εξάτμιση διαλύτη και μέθοδοι ανάμιξης. Ωστόσο, αυτές είναι χρονοβόρες και σε ορισμένες περιπτώσεις, ο χρησιμοποιούμενος διαλύτης μπορεί να είναι τοξικός ή να παραμείνει σε υψηλά επίπεδα κατά την τελική σύνθεση. Τα τελευταία χρόνια έχει επιτευχθεί μεγάλη πρόοδος στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία της SD και έχουν εφαρμοστεί νέες τεχνικές λύνοντας πολλά προβλήματα. 9

17 Δύο είναι οι βασικές μέθοδοι παρασκευής στερεών διασπορών, η μέθοδος διάλυσης σε κοινό διαλύτη και η μέθοδος ανάμιξης τήγματος Μέθοδος διάλυσης Η μέθοδος της διάλυσης προηγείται χρονικά της μεθόδου ανάμιξης τήγματος και για αρκετά χρόνια ήταν η μόνη μέθοδος παρασκευής στερεών διασπορών. 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. Ο διαλύτης μπορεί επίσης να απομακρυνθεί με λυοφιλοποίηση (freeze drying), ή την τεχνική ψεκασμού διαλύματος (spray drying). Σημαντικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι 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. Επίσης είναι απαραίτητη η πλήρης απομάκρυνση του οργανικού διαλύτη από το δείγμα, καθώς το μεγαλύτερο ποσοστό των χρησιμοποιούμενων διαλυτών παρουσιάζουν κάποιας μορφής τοξικότητα. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι: η δυνατότητα παρασκευής στερεών διασπορών με συστατικά θερμικά ασταθή και η ικανότητα χρήσης πολυμερών με πολύ υψηλά σημεία τήξης που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην ανάμιξη τήγματος Μέθοδος ανάμιξης τήγματος Η τεχνική της ανάμιξης τήγματος περιλαμβάνει την τήξη της δραστικής ουσίας και του φορέα μαζί, σε θερμοκρασία ανώτερη του σημείου τήξης του φορέα και μερικές φορές και του φαρμάκου, εάν αυτό δεν διασπάται, και ακολούθως την ταχύτατη ψύξη του τήγματος. 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 10

18 δραστικής ουσίας. Δηλαδή η διαδικασία που θα ακολουθηθεί καθορίζει το προϊόν της στερεής διασποράς που λαμβάνεται και με τροποποίησή της μπορούμε να βελτιώσουμε το λαμβανόμενο προϊόν. 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 υψηλή θερμοκρασία τότε μπορεί να παρατηρηθούν φαινόμενα όπως αποσύνθεση ή και καταστροφή της δραστικής ουσίας. Πιθανές αντιδράσεις οξείδωσης σε υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να αποφευχθούν εφαρμόζοντας κενό ή κάποια αδρανή ατμόσφαιρα κατά την διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας Χαρακτηρισμός στερεών διασπορών Οι κύριες μέθοδοι χαρακτηρισμού των στερεών διασπορών αναφέρονται παρακάτω. Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) Θερμική ανάλυση Περίθλαση ακτίνων- Χ (WAXD) Φασματοσκοπικές μέθοδοι π.χ φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR spectroscopy) Μικροσκοπία π.χ πολωτική μικροσκοπία, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) Δοκιμασία διαλυτότητας (Dissolution test) 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 solutions), 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 11

19 μοριακών και μη μοριακών στερεών διασπορών. 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. Με τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης δίνεται η 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 σε άμορφη κατάσταση. Καθώς η μέθοδος είναι ποσοτική, ο βαθμός κρυσταλλικότητας για τα συστήματα όπου η δραστική παρουσιάζεται μερικώς κρυσταλλική και μερικώς άμορφη, μπορεί επίσης να υπολογιστεί. Με την διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης δεν μπορούμε να ανιχνεύσουμε κρυσταλλικότητες μικρότερες από 2%. 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. το πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής έναντι της μεθόδου DSC είναι ότι 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. Με τη φαματοσκοποία υπερύθρου μπορούμε να ανιχνεύσουμε οποιεσδήποτε δομικές αλλαγές ή και απουσία κρυσταλλικής δομής, που μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγές στους δεσμούς των χαρακτηριστικών ομάδων. Στις κορυφές που παρουσιάζουν ευαισθησία στις δομικές αλλαγές μπορεί να υπάρξουν σημαντικές διαφοροποιήσεις όπως μετατοπίσεις ή και αλλαγή στις εντάσεις των κορυφών. Με 12

20 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 φορέα- μήτρας. Η τεχνική της στερεής διασποράς χρησιμοποιείται για να αυξήσει τη διαλυτοποίηση ελάχιστα υδατοδιαλυτών φαρμάκων, καθώς και για να σταθεροποιήσει τη διάλυση αυτών με την επιλογή κατάλληλων πολυμερών. Έχει αποδειχθεί ότι η παρασκευή μητρών με αδιάλυτα πολυμερή με την τεχνική της ανάμιξης τήγματος οδηγεί στην δημιουργία συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης. 3. ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗΣ ΑΠΟΔΕΣΜΕΥΣΗΣ 3.1 Γενικά Η ανάπτυξη συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμακολογικά δραστικών ουσιών έχει τις ρίζες της περίπου 60 χρόνια πριν (Krowczynski, 1987). Παρ όλα αυτά, παρατηρείται έντονη κινητικότητα σχετικά με τα προαναφερθέντα συστήματα, μόλις τις τρεις τελευταίες δεκαετίες. Αυτό συμβαίνει προφανώς, γιατί τότε άρχισε να αναπτύσσεται η κατάλληλη επιστημονική γνώση, η διερεύνηση των διαφόρων σχετικών παραγόντων αλλά, και η ραγδαία ανάπτυξη της επιστήμης των πολυμερών, τα οποία αποτελούν φορείς για τη δημιουργία τέτοιων συστημάτων. 3.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μορφών αυτών Τα σκευάσματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης παρουσιάζουν μια σειρά μειονεκτημάτων, που αφορούν κυρίως ατελή απορρόφηση της δραστικής ουσίας, κίνδυνο συσσώρευσης της δραστικής και δυσκολία αντιμετώπισης παρενεργειών. Επίσης, υπάρχουν σημαντικοί περιορισμοί, όσον αφορά τη χρήση των δραστικών που μπορούν να μορφοποιηθούν σε συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Οι περιοριστικοί παράγοντες εστιάζονται κυρίως στο χρόνο ημιζωής (2-6 ώρες περίπου), στο μηχανισμό απορρόφησης της δραστικής, στην ποσότητα της δόσης (μεγάλες δόσεις δύσκολα μπορούν να μορφοποιηθούν σε συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης), καθώς και το θεραπευτικό εύρος (συνήθως απαιτείται μεγάλο εύρος προκειμένου να αντιμετωπιστούν παρενέργειες, οφειλόμενες στις διακυμάνσεις της απορρόφησης, μεταβολισμού και απέκκρισης). Όλα τα παραπάνω μπορούν σήμερα να ξεπεραστούν ή να περιοριστούν με τη σωστή επιλογή των δραστικών ουσιών, τη σωστή επιλογή των φορέων διάθεσης, 13

21 καθώς και το σωστό σχεδιασμό και ανάπτυξη του συστήματος διάθεσης. Σημαντικά όμως είναι και τα πλεονεκτήματα των συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης, τα σπουδαιότερα από τα οποία είναι: Διατήρηση της συγκέντρωσης της δραστικής ουσίας στο αίμα για μεγάλο χρονικό διάστημα Η διατήρηση της συγκέντρωσης εντός των θεραπευτικών ορίων είναι μεγαλύτερης διάρκειας από αυτή που επιτυγχάνεται με τη χορήγηση συμβατικών σκευασμάτων. Το πλεονέκτημα αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό κατά τις νυχτερινές ώρες, όπου ο ασθενής δεν υποχρεούται σε αφύπνιση προκειμένου να πάρει τη δόση. Μικρή συχνότητα χορήγησης Χορηγούνται κατά κανόνα μία φορά (σπανιότερα 2 ή περισσότερες φορές) την ημέρα. Το εν λόγω πλεονέκτημα βοηθά στο πρόβλημα της πειθαρχίας του ασθενή διευκολύνοντας σημαντικά την τήρηση του θεραπευτικού σχήματος, αυξάνοντας ταυτόχρονα την αποδοχή του σκευάσματος από τους ασθενείς. Ελάττωση της διακύμανσης της δραστικής ουσίας στο αίμα Με αυτόν τον τρόπο μειώνονται οι πιθανότητες τοξικών παρενεργειών που μπορεί να παρουσιαστούν με την επαναλαμβανόμενη χορήγηση εφάπαξ δόσεων, ενώ ταυτόχρονα μπορεί να οδηγήσει και σε μικρότερες ημερήσιες δόσεις δραστικής με οφέλη τόσο θεραπευτικά όσο και οικονομικά. (Krowczynski, 1987). 3.3 Εξελίξεις στη μελέτη των μηχανισμών απορρόφησης των δραστικών ουσιών Η εξέλιξη των συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης βοηθήθηκε σημαντικά από τις ερευνητικές εξελίξεις όσον αφορά : τους μηχανισμούς απορρόφησης από τις διάφορες οδούς χορήγησης τη μελέτη και κατανόηση των φαρμακοκινητικών μηχανισμών μεταβολισμού και απέκκρισης αλλά κα των μηχανισμών κατανομής και δράσης των φαρμακευτικών ουσιών. 3.4 Εξελίξεις στην επιστήμη των πολυμερών Η ραγδαία εξέλιξη της επιστήμης των πολυμερών βοήθησε σημαντικά και τον 14

22 τομέα του σχεδιασμού συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Αυτό οφείλεται: στη διεύρυνση των γνώσεων σχετικά με τα πολυμερή στη διευκόλυνση της μελέτης των αλληλεπιδράσεων πολυμερούς δραστικής και στο γεγονός ότι πλέον είναι εφικτό να σχεδιασθεί και να παρασκευαστεί ο πολυμερικός φορέας με τις ζητούμενες ιδιότητες για την εφαρμογή του στο φαρμακοτεχνικό σύστημα διάθεσης. 3.5 Μηχανισμοί ελεγχόμενης αποδέσμευσης Σε ένα ιδανικό σύστημα ελεγχόμενης αποδέσμευσης, ο ιδανικός μηχανισμός θα ήταν εκείνος κατά τον οποίο ακολουθείται κινητική μηδενικής τάξης, δηλαδή η αποδέσμευση της ουσίας είναι χρονικώς ανεξάρτητη. Στην πράξη όμως, καθώς τα επίπεδα της δραστικής ουσίας, μέσα στο σύστημα ελαττώνονται, ο ρυθμός αποδέσμευσής της επίσης ελαττώνεται. Έτσι οι περισσότερες διατάξεις συχνά εμφανίζουν δυο φάσεις αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας: μια αρχική, η οποία μπορεί να είναι γραμμική ως προς το χρόνο και μία δεύτερη φάση, η οποία δεν είναι γραμμική. Οι μηχανισμοί αποδέσμευσης της δραστικής ουσίας από το πολυμερές μπορούν να παρατηρηθούν μεμονωμένα η ταυτόχρονα σε ένα δεδομένο σύστημα. Οι τρεις κυριότεροι είναι: Διάχυση Στα συστήματα όπου η αποδέσμευση της ουσίας ελέγχεται από τη διάχυση, η δραστική ουσία μπορεί να είναι διαλυμένη ή/και διεσπαρμένη μέσα στο πολυμερές Η διάχυση συμβαίνει όταν η δραστική ουσία περνά διαμέσου του πολυμερούς, που σχηματίζει τη διάταξη ελεγχόμενης αποδέσμευσης, προς το εξωτερικό περιβάλλον Η διάχυση μπορεί να συμβεί σε μακροσκοπική κλίμακα-διαμέσου πόρων στην πολυμερική μήτρα ή σε μοριακό επίπεδο, διάμεσου των πολυμερικών αλυσίδων. Γενικά η διάχυση της ουσίας μέσω της πολυμερικής μήτρας παρατηρείται σχεδόν πάντα σε όλα τα συστήματα. 15

23 α Εικόνα 2. α) Μονολιθικό σύστημα (τύπου μήτρας) β β)σύστημα τύπου δεξαμενής Στα συστήματα τύπου μήτρας, το φάρμακο διαλύεται ή διασπείρεται ομοιογενώς εντός της πολυμερικής μήτρας. Αν και ο ρυθμός αποδέσμευσης του φαρμάκου συνήθως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου, τα συστήματα αυτά είναι πολύ δημοφιλή γιατί είναι απλά, παρασκευάζονται εύκολα και επιτυγχάνουν παρατεταμένη αποδέσμευση του φαρμάκου χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα. Σε αυτή την κατηγορία, συμπεριλαμβάνονται και τα συστήματα στα οποία η αποδέσμευση ελέγχεται από τη διόγκωση του, η δραστική ουσία κατανέμεται ομοιογενώς εντός υαλώδους πολυμερικού υλικού. Επειδή δε τα ξηρά πολυμερή δεν είναι διαπερατά, το φάρμακο είναι πλήρως αποκλεισμένο εντός της μήτρας. Όταν το σύστημα βρεθεί σε υδατικό διάλυμα, το νερό αρχίζει να διεισδύει εντός της πολυμερικής μήτρας με αποτέλεσμα να αρχίζει η διόγκωση της και περαιτέρω χαλάρωση του συστήματος, πράγμα που έχει σαν αποτέλεσμα να αρχίσει η διάχυση του ενσωματωμένου φαρμάκου από το σύστημα στο περιβάλλον. Επιπλέον το μέγεθος των μορίων της δραστικής ουσίας, το πορώδες της πολυμερικής μήτρας (συνολικά διαθέσιμος όγκος), ο βαθμός δικτύωσης και τα χαρακτηριστικά, της διόγκωσης του πολυμερούς είναι παράγοντες που ελέγχουν το ρυθμό αποδέσμευσης. Σε αυτή την κατηγορία συστημάτων συμπεριλαμβάνονται και πολυστρωματικές διατάξης. Στα συστήματα δεξαμενής, ο ρυθμός αποδέσμευσης μπορεί να παραμένει σχετικά σταθερός. Η δραστική ουσία περιέχεται εντός του πυρήνα, ο οποίος περιβάλλεται από μεμβράνη η οποία και καθορίζει τo ρυθμό αποδέσμευσης. Η μεμβράνη αυτή περιβάλλει ομοιόμορφα των πυρήνα και έχει σταθερό πάχος, έτσι καθώς η δραστική ουσία μεταφέρεται από τη δεξαμενή, διαλύεται εντός της μεμβράνης, διαχέεται μέσω αυτής και τέλος μεταφέρεται στο περιβάλλον. Γενικά τα 16

24 συστήματα αυτά απαιτούν πολύπλοκη κατασκευή και άρα αυξημένο κόστος σε σύγκριση με τα προηγούμενα, έχουν όμως το πλεονέκτημα ότι εμφανίζουν για μεγάλο χρονικό διάστημα (όσο η συγκέντρωση εντός του πυρήνα παραμένει σταθερή) αποδέσμευση μηδενικής τάξης, και για αυτό το λόγο θεωρούνται αξιόλογα από εμπορικής και θεραπευτική απόψεως Ώσμωση Στα συστήματα αυτά η αποδέσμευση εξαρτάται από τη διείσδυση του διαλύτη (νερού) μέσα στο σύστημα. Η διείσδυση επιτυγχάνεται με την ωσμωτική πίεση που δημιουργείται είτε δρώντας η δραστική ουσία ως ωσμωτική, είτε προσθέτοντας μια ωσμωτική ουσία (π.χ. NaCI) στη διάταξη. Σε ένα ωσμωτικό σύστημα το φάρμακο (και η ωσμωτική ουσία) περιέχεται εντός δεξαμενής η οποία περιβάλλεται από ημιπερατή μεμβράνη που επιτρέπει την είσοδο του διαλύτη εξαιτίας της διαφοράς ωσμωτικής πίεσης με τo εξωτερικό διάλυμα. Η μεμβράνη διαθέτει οπή από την οποία εξέρχεται το φάρμακο ωθούμενο από την πίεση που δέχεται από τo εσωτερικό της δεξαμενής λόγω της εισροής του διαλύτη. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα είναι τα συστήματα που χρησιμοποιούν την τεχνολογία OROS' (Osmotic-controlled Release Oral delivery System). Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται και για την αποδέσμευση φαρμάκων στο γαστρεντερικό σύστημα διότι ο ρυθμός αποδέσμευσης από τα συστήματα αυτά είναι ανεξάρτητος του pη. Η αποδέσμευση εξαρτάται από τον όγκο του διαλύτη που εισέρχεται στο σύστημα και συνήθως ακολουθεί κινητική μηδενικής τάξης Χημική αποικοδόμηση Στα συστήματα αυτά ο ρυθμός αποδέσμευσης του φάρμακου εξαρτάται από μια χημική αντίδραση η οποία μπορεί να είναι μία υδρόλυση, μία ενζυμική αντίδραση κ.α. Η δραστική ουσία μπορεί να είναι διασπαρμένη μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων ή συνδεδεμένη με την κύρια αλυσίδα σαν ακραία ομάδα. Στην πρώτη περίπτωση η αποδέσμευση γίνεται μόνο κατόπιν της αποικοδόμησης της μήτρας με διάσπαση σταυροδεσμών ή δεσμών της κύριας αλυσίδας, Στη δεύτερη περίπτωση η αποδέσμευση της δραστικής ουσίας γίνεται με διάσπαση των δεσμών που υπάρχουν μεταξύ πολυμερικής αλυσίδας και δραστικής ουσίας. Η κρίσιμη παράμετρος είναι η σταθερότητα του δεσμού αυτού. 17

25 Εικόνα 3. Βιοαποικοδομήσιμο σύστημα ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Βάσει της βιβλιογραφίας οι κανόνες που ακολουθούνται για να αποτιμηθεί η αποικοδόμηση των συνθετικών πολυμερών είναι οι εξής: * Τα υδρόφιλα πολυμερή δυνητικά διασπώνται ευκολότερα σε σχέση με τα υδρόφοβα * Πολυμερή με διαφορετικά άτομα στην κύρια αλυσίδα είναι πιθανότερο να διασπώνται ευκολότερα σε σχέση με τα πολυμερή με δεσμούς άνθρακα-άνθρακα στην κυρία αλυσίδα * Άμορφα πολυμερή διασπώνται ευκολότερα σε σχέση με τα κρυσταλλικά πολυμερή, * Υψηλότερο μοριακό βάρος συνεπάγεται χαμηλότερο ρυθμό διάσπασης. 3.6 Υδρόφιλες μήτρες ως φορείς ελεγχόμενης αποδέσμευσης Οι υδρόφιλες μήτρες είναι στερεά ή ημιστερεά σκευάσματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης, στα οποία η επιβράδυνση επιτυγχάνεται με τη δημιουργία πηκτής (gel) μετά την επαφή με βιολογικά υγρά. Οι πηκτές ή γέλες είναι ημιστερεά συστήματα, πλούσια σε υγρό συστατικό, στις οποίες η διασπαρμένη φάση, αποτελείται από ενυδατωμένους κόκκους που συνδέονται στενά με τη συνεχή υδατική φάση (Κτίστης, 1998). Στο γενικό ορισμό των υδρόφιλων μητρών συμπεριλαμβάνονται δύο κατηγορίες σκευασμάτων, που παρουσιάζουν πολλές ομοιότητες αλλά και διαφορές. Αυτές είναι : Οι μη πορώδεις ή ομοιογενείς υδρόφιλες μήτρες, που συναντώνται και ως μονολιθικές διατάξεις (στερούνται πόρων εξαιτίας της μεθόδου παρασκευής τους) και 18

26 Οι πορώδεις υδρόφιλες μήτρες (παρουσιάζουν πόρους μεταξύ των τεμαχιδίων των συστατικών τους). Οι διαφορές εντοπίζονται κυρίως στον τρόπο παρασκευής, στις ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων πολυμερών και στους μηχανισμούς αποδέσμευσης Μη πορώδεις υδρόφιλες μήτρες Σε αυτήν την κατηγορία περιλαμβάνονται συστήματα που περιέχουν μια δραστική διαλυμένη ή αιωρούμενη μέσα σε μια υδρογέλη. Η υδρογέλη αυτή χορηγείται είτε στην διογκωμένη (ελαστομερή) κατάσταση, είτε στην ξηρή (υαλώδη) κατάσταση. Οι οδοί χορήγησης τέτοιων συστημάτων μπορούν να είναι είτε από του στόματος, είτε μετά από εμφύτευση. Συνήθως, για την παρασκευή τέτοιων συστημάτων, χρησιμοποιούνται συνθετικά πολυμερή κυρίως πολυβινυλαλκοόλη και πολυ(2- υδροξυαιθυλο μεθακρυλικό οξύ) (PHEMA), καθώς και συμπολυμερή τους με άλλα μονομερή. Η παρασκευή τους γίνεται κυρίως με 2 τρόπους: α) Πολυμερισμός κατάλληλων μονομερών με τη βοήθεια ελευθέρων ριζών, ως καταλύτες. Οι τεχνικές που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι πολυμερισμός σε διάλυμα και πολυμερισμός σε αιώρημα. β) Σχηματισμός διαμοριακών δεσμών σε γραμμικά πολυμερή με τη βοήθεια μικρών ποσοτήτων μέσων διαμοριακής σύνδεσης (cross-linking agent) (Rowe et al, 2003) Πορώδεις υδρόφιλες μήτρες Ορισμός, μέθοδοι παρασκευής, χρησιμοποιούμενα πολυμερή Ως πορώδεις χαρακτηρίζονται οι υδρόφιλες μήτρες που παρουσιάζουν διάκενα (πόρους) μεταξύ των τεμαχιδίων των συστατικών τους. Σε αυτήν την κατηγορία εντάσσονται σκευάσματα κυρίως σε δισκία ή καψάκια που παρασκευάζονται από μίγματα δραστικής και πολυμερών. Τα δισκία, τα οποία παρουσιάζουν και το μεγαλύτερο ενδιαφέρον, δύνανται να παρασκευασθούν είτε με απλή ανάμιξη και στη συνέχεια άμεση συμπίεση, είτε μετά από κοκκοποίηση. Για τη παρασκευή των πορωδών υδρόφιλων μητρών συνήθως χρησιμοποιούνται τρεις κατηγορίες πολυμερών(colombo, 1993; Colombo et al., 2000) : α) Παράγωγα της κυτταρίνης: Εδώ συγκαταλέγονται κυρίως οι ημισυνθετικοί αιθέρες της κυτταρίνης, οι οποίοι συναντώνται σε ένα μεγάλο αριθμό μοριακών βαρών, άρα και ιξώδους. Τέτοια πολυμερή είναι η υδροξυ-προπυλομεθυλο κυτταρίνη, η υδροξυπροπυλο κυτταρίνη, η αιθυλοκυτταρίνη, η μεθυλοκυτταρίνη, η υδροξυ- 19

27 αιθυλο κυτταρίνη, το μετά νατρίου άλας της καρβοξυμεθυλο κυτταρίνης κ.λ.π. (Colombo et al,2000) β) Μη κυτταρινικοί πολυσακχαρίτες: Πρόκειται για παράγωγα φυτικών κόμμεων είτε τα ίδια τα κόμμεα αυτά καθ αυτά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα εδώ είναι οι καραγεννάνες και κυρίως τα άλατα με Na ή K του αλγινικού οξέος (Μαλαματάρης,1995 Colombo et al,2000). γ) Συνθετικά υδατοδιαλυτά πολυμερή: Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι οι πολυβινυλική αλκοόλη (χωρίς διαμοριακές συνδέσεις) και η πολυβινυλοπυρρολιδόνη(μαλαματάρης,1995 Colombo et al,2000). Άλλοι εκπρόσωποι αυτής της κατηγορίας είναι τα ανιονικά πολυμερή του πολυακρυλικού οξέος. 3.7 Τα πολυμερή στην ελεγχόμενη απελευθέρωση του φαρμάκου Η ελεγχόμενη αποδέσμευση του φαρμάκου επιτυγχάνεται όταν ένα πολυμερές, φυσικό ή 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. Η αποδέσμευση 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 αποδέσμευση 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 αποδέσμευσης μπορούν να συμπεριλάβουν: την διατήρηση των επιπέδων του φαρμάκου μέσα σε μια επιθυμητή κλίμακα τις λιγότερες χορηγήσεις φαρμάκων στον ασθενή την βέλτιστη χρήση του φαρμάκου ανά περίσταση και την αυξημένη συμμόρφωση του ασθενή Ενώ αυτά μπορεί να είναι τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα, δεν μπορούν να περιφρονηθούν τα ενδεχόμενα μειονεκτήματα, όπως: 20

28 η πιθανή τοξικότητα ή μη βιοσυμβατότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται η παραγωγή ανεπιθύμητων παραπροϊόντων κατά τη διάσπαση η χειρουργική επέμβαση που απαιτείται για να εμφυτευτεί ή να αφαιρεθεί το σύστημα η πιθανότητα σωματικής δυσφορίας του ασθενή από το μηχανισμό απελευθέρωσης και το υψηλότερο κόστος των συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης συγκριτικά με τα παραδοσιακά φαρμακευτικά σκευάσματα. O έλεγχος της αποδέσμευσης του φαρμάκου μπορεί να θεωρηθεί περισσότερο σημαντικός παράγοντας σε περιπτώσεις όπου η χορήγηση του φαρμάκου από το στόμα ή με ένεση δεν είναι δυνατή. Τέτοιες είναι περιπτώσεις που απαιτούν: την αργή απελευθέρωση ενός υδατοδιαλυτού φαρμάκου τη γρήγορη απελευθέρωση δυσδιάλυτων φαρμάκων την διανομή του φαρμάκου σε συγκεκριμένο χώρο την διανομή του φαρμάκου με τη χρήση νανοσωματιδίων την διανομή δύο ή και περισσοτέρων ενεργών παραγόντων με το ίδιο σκεύασμα συστήματα βασισμένα σε φορείς που μπορούν να διαλυθούν ή να διασπαστούν και να αποβληθούν άμεσα. Το ιδανικό σύστημα αποδέσμευσης φαρμάκου θα πρέπει: να είναι 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 αποδέσμευση να είναι απλό στη χορήγηση και στην απομάκρυνση να είναι εύκολο στη κατασκευή και στην αποστείρωση. 21

29 Ο στόχος για πολλά από τα αρχικά συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης ήταν να επιτευχθεί ένα σχεδιάγραμμα διανομής που θα παρείχε ένα υψηλό επίπεδο φαρμάκου στο αίμα κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης χρονικής περιόδου. Με τα κοινά χάπια ή τις ενέσεις, τα επίπεδα του φαρμάκου στο αίμα κυμαίνονται σύμφωνα με την Εικόνα 4, όπου το επίπεδο αυξάνεται μετά από κάθε χορήγηση του φαρμάκου και στη συνέχεια μειώνεται μέχρι την χορήγηση της επόμενης δόσης. 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 είναι σύμφωνο με τη (δ) γραμμή, παραμένοντας σταθερά μεταξύ της επιθυμητής μέγιστης και ελάχιστης τιμής, για μια παρατεταμένη χρονική περίοδο. Εικόνα 4. Συγκέντρωση φαρμάκου στο αίμα σε συνάρτηση με το χρόνο όπου (α) πρότυπη στοματική δόση (β) στοματική υπερδόση (γ) ενέσιμη δόση (δ) ιδανική δόση ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Τα τελευταία χρόνια, τα σκευάσματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης του φαρμάκου και τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αυτά, έχουν εξελιχθεί και έχουν γίνει πιο εξεζητημένα, με την ιδιότητα να κάνουν πολλά 22

30 περισσότερα από την απλή παράταση της περιόδου αποδέσμευσης ενός συγκεκριμένου φαρμάκου. Παραδείγματος χάριν, τα σημερινά συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης μπορούν να ανταποκριθούν σε αλλαγές του βιολογικού περιβάλλοντος και να διανείμουν ή να σταματήσουν να διανέμουν φάρμακα, σύμφωνα με αυτές τις αλλαγές. Επιπλέον, τα υλικά έχουν εξελιχθεί και έτσι οδηγηθήκαμε στα στοχεύοντα συστήματα διανομής, στα οποία ένα συγκεκριμένο σκεύασμα μπορεί να προσανατολιστεί στο συγκεκριμένο κύτταρο, ιστό ή θέση όπου το φάρμακο το οποίο περιέχει πρέπει να απελευθερωθεί. 3.8 Βιο-υλικά για συστήματα απελευθέρωσης Μια μεγάλη ποικιλία πολυμερών έχουν χρησιμοποιηθεί στην ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων και άλλων ενεργών παραγόντων. Αρχικά, αυτά τα πολυμερή προορίζονταν για άλλες μη βιολογικές χρήσεις και ξεχώρισαν τα ακόλουθα λόγω των αξιοθαύμαστων φυσικών ιδιοτήτων τους. Poly(urethanes) για την ελαστικότητα Poly(siloxanes) ή σιλικόνες για την μονωτική τους ιδιότητα Poly(methyl methacrylate) για την φυσική αντοχή και την διαφάνεια Poly(vinyl alcohol) για την υδροφιλία και την αντοχή της Poly(ethylene) για την ανθεκτικότητα και την έλλειψη διόγκωσης Poly(vinyl pyrrolidone) για τις ικανότητες αναστολής. Για να είναι επιτυχημένη η χρήση ενός υλικού στα συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης, 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. Τα τελευταία χρόνια επιπλέον πολυμερή έχουν σχεδιαστεί εξαρχής για φαρμακευτική χρήση και έχουν εισαχθεί στο πεδίο της ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Πολλά από αυτά τα υλικά έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να αποικοδομούνται μέσα στο σώμα. Μεταξύ αυτών είναι τα εξής: Πολύ(γαλακτικοί εστέρες), Polylactides (PLA) Πολύ(γλυκολικοί εστλερες), Polyglycolides (PGA) 23

31 Συμπολυεστέρες γαλακτικού και γλυκού οξέος, Poly(lactide-coglycolides) (PLGA) Πολυανυδρίτες, Polyanhydrides Πολυεστέρες ορθοξέων, Polyorthoesters Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτών τον αποικοδομήσιμων πολυμερών είναι ότι διασπώνται σε βιολογικά αποδεκτά μόρια τα οποία μεταβολίζονται και απομακρύνονται από το σώμα μέσω της κανονικής μεταβολικής οδού. Ωστόσο, τα βιοαποικοδομήσιμα υλικά παράγουν παραπροϊόντα κατά την διάσπαση στα οποία θα πρέπει να ελαττωθούν ή να απαλειφθούν οι ανεπιθύμητες αντιδράσεις μέσα στο βιολογικό περιβάλλον. Αυτά τα προϊόντα αποικοδόμησης πρέπει να ελεγχθούν προσεκτικά, καθώς υπάρχουν κάποιοι παράγοντες που επηρεάζουν την βιοαποικοδόμηση των αρχικών υλικών. Οι πιο σημαντικοί από αυτούς τους παράγοντες αναφέρονται στη παρακάτω λίστα η οποία δεν είναι πλήρης αλλά παρέχει μια ένδειξη για το εύρος των δομών, και των χημικών ιδιοτήτων επεξεργασίας που μπορούν να έχουν επιπτώσεις πάνω στα βιοαποικοδομήσιμα συστήματα απελευθέρωσης φαρμάκων. Παράγοντες που επηρεάζουν την βιοαποικοδόμηση των πολυμερών: Χημική δομή Μέθοδος παρασκευής Κατανομή των επαναλαμβανόμενων μονάδων Παρουσία ιοντικών ομάδων Παρουσία απρόσμενων μονάδων ή ελαττωματικές αλυσίδες Διαμορφώσεις Μοριακό βάρος Κατανομή μοριακών βαρών Μορφολογία (άμορφα / ημικρυσταλλικά) Παρουσία ενώσεων χαμηλού μοριακού βάρους Διαδικασία παραγωγής Ανόπτηση Διαδικασία αποστείρωσης Ιστορικό αποθήκευσης Θέση εμφύτευσης 24

32 Προσροφημένες και απορροφημένες ενώσεις (νερό, λίπη, ιόντα, κ.α) Φυσικοχημικοί παράγοντες (ανταλλαγή ιόντων, ιονική ισχύς, ph) Φυσικοί παράγοντες (αλλαγές στο σχήμα και το μέγεθος, διαφοροποιήσεις στους συντελεστές διάχυσης, μηχανικές καταπονήσεις, κ.α) Μηχανισμοί υδρόλυσης (ένζυμα έναντι νερού) 4. Πολυμερικοί φορείς για την παρασκευή στερεών διασπορών άμεσης και ελεγχόμενης αποδέσμευσης 4.1 PEG Η πολυαιθυλενογλυκόλη παράγεται με αντίδραση μεταξύ αιθυλενοξειδίου με νερό ή αιθυλενογλυκόλη είτε ολιγομερή της αιθυλενογλυκόλης. Η αντίδραση καταλύεται από όξινους ή βασικούς καταλύτες. Η αιθυλενογλυκόλη και ολιγομερή της προτιμώνται ως πρώτες ύλες για την παραγωγή πολυαιθυλενογλυκόλης καθώς επιτρέπουν τον καλύτερο έλεγχο του μοριακού βάρους. Το μήκος της μακρομοριακής αλυσίδας εξαρτάται από την αναλογία των αντιδρώντων στο μίγμα. HOCH 2 CH 2 OH + (CH 2 CH 2 O) n HO(CH 2 CH 2 O) n+1 H Ο μηχανισμός του πολυμερισμού μπορεί να είναι είτε κατιοντικός ή ανιοντικός Ανάλογα με τον εκκινητή που χρησιμοποιείται. Πολυαιθυλενογλυκόλη υψηλού μοριακού βάρους παρασκευάζεται με πολυμερισμό αιωρήματος. Η αντίδραση καταλύεται από ενώσεις του μαγνησίου και ασβεστίου. Για την παραγωγή πολυαιθυλενογλυκόλης χαμηλού μοριακού βάρους χρησιμοποιούνται αλκαλικοί καταλύτες όπως το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), το υδροξείδιο του καλίου (KOH) ή το ανθρακικό νάτριο. Το μοριακό βάρος της PEG κυμαίνεται μεταξύ Για την παρασκευή στερεών διασπορών χρησιμοποιούνται πολυαιθυλενογλυκόλες με 25

33 μοριακά βάρη μεταξύ τόσο με την τεχνική της διάλυσης όσο και με την τεχνική της ανάμιξης τήγματος. Η PEG διαλύεται ικανοποιητικά στο νερό αλλά η υδατοδιαλυτότητα της ελαττώνεται με αύξηση του μοριακού βάρους του πολυμερούς. Χρησιμοποιείται για την παρασκευή στερεών διασπορών, λόγω της διαλυτότητας της και σε οργανικούς διαλύτες. Επίσης τα σημεία τήξεως των πολυμερών αυτών βρίσκεται κάτω από τους 65 ο C (PEG 4000 σ.τ ο C, PEG σ.τ ο C), κάτι το οποίο αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα για την παρασκευή στερεών διασπορών με την συμμετοχή αυτών των πολυμερών ως φορέων. 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 Πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) 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. 26

34 Εικόνα 5. Παρασκευή πολυβινυλοπυρρολιδόνης 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 μακρόρριζας 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. 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 σε υγρασία. Γενικά η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Tg) εντοπίζεται σε υψηλές 27

35 θερμοκρασίες. 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. Όπως και η πολυαιθυλενογλυκόλη, η πολυβινυλοπυρρολιδόνη παρουσιάζει πολύ καλή διαλυτότητα στο νερό με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται και η ικανότητα διαβροχής του συστατικού που βρίσκεται σε διασπορά. 4.3 Kollidon SR Το Kollidon SR είναι ένα φυσικό μίγμα δύο πολυμερών, 80% πολυ(οξικού βινυλεστέρα μοριακού βάρους , 19% πολυβινυλοπυρρολιδόνης και 1 % διάφορα πρόσθετα. Ο οξικός βινυλεστέρας παράγεται από ακετυλένιο και οξικό οξύ στους 210 ο C παρουσία Zn ή Cd ως καταλύτη. Εναλλακτικά παράγεται από αιθυλένιο το οποίο οξειδώνεται σε ένα μίγμα ακεταλδεϋδης και οξικού ανυδρίτη. Τα τελευταία αντιδρούν μεταξύ τους και δίνουν το διοξικό εστέρα της αιθυλενοδιόλης, ο οποίος με πυρόληση δίνει οξικό βινυλεστέρα. Εικόνα 6. Πολυ(οξικός βινυλεστέρας) και πολυβινυλοπυρρολιδόνη Ο πολυμερισμός του οξικού βινυλεστέρα γίνεται με την επίδραση υπεριώδους φωτός ή συνηθέστερα με ελεύθερες ρίζες (υπεροξείδια, υπερθειικά άλατα ή οξειδωαναγωγικούς εκκινητές). Κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού λαμβάνουν 28

36 χώρα αντιδράσεις μεταφοράς από το α- υδρογόνο ή τα υδρογόνα της μεθυλομάδας δημιουργώντας αρκετά μεγάλες διακλαδώσεις. Τα υλικά που βασίζονται στο PVAc-PVP βοηθούν στην ελεγχόμενη αποδέσμευση δραστικών ουσιών. Συγκεκριμένα έκδοχα και κάποιες μεταβλητές στην επεξεργασία έχει αποδειχθεί ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στην κινητική της ελεγχόμενης αποδέσμευσης. Οι μεταβλητές αυτές περιλαμβάνουν τη δύναμη συμπίεσης, τη συγκέντρωση του πολυμερούς στη μήτρα, τη συγκέντρωση των εκδόχων, όπως και τη φύση τους (υδατοδιαλυτά ή μη). Το kollidon δείχνει εξαιρετική ρευστότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως έκδοχο για άμεση συμπίεση, ενώ τα δισκία του χαρακτηρίζονται από χαμηλή ευθρυπτότητα και υψηλές δυνάμεις σύνθλιψης στις χαμηλές δυνάμεις συμπίεσης κατά τη δημιουργία ταμπλέτας. Σε τόσο χαμηλή πίεση τα συμβατικά έκδοχα δεν δημιουργούν ταμπλέτες ή οι ταμπλέτες που δημιουργούνται έχουν τόσο χαμηλή αντοχή που δεν μπορούν να επεξεργαστούν περεταίρω. Ο όγκος της ταμπλέτας είναι ο ίδιος με της συμβατικές και έτσι μειώνεται η πυκνότητα. Η πλαστική συμπεριφορά αυτού του μίγματος οδηγεί στη δημιουργία υψηλού πορώδους, με αποτέλεσμα το χάπι να επιπλέει στο γαστρικό υγρό. Όταν τα δισκία εισάγονται σε γαστρικό ή εντερικό υγρό, το υδατοδιαλυτό povidone διαρρέει έξω από τους διαμορφούμενους πόρους μέσω των οποίων το δραστικό συστατικό διαχέεται αργά προς τα έξω. Το Kollidon SR δεν περιέχει ιοντικές ομάδες και συνεπώς είναι αδρανές στις δραστικές. Η παρατεταμένης αποδέσμευσης ιδιότητες δεν επηρεάζονται από ιόντα ή άλατα. Η άμορφη φύση του PVA σε συνδυασμό με το χαμηλό σημείο υαλώδους μετάβασης (28-31 ο C) προσδίδουν στο Kollidon μοναδικά χαρακτηριστικά. 4.4 Soluplus Το soluplus είναι ένα νέο πολυμερές με αμφιφιλική δομή που έχει σχεδιαστεί για στερεές διασπορές. Το soluplus μπορεί να αυξήσει τη διαλυτότητα και τη βιοδιαθεσιμότητα των ασθενώς διαλυτών δραστικών ουσιών, είναι ιδανικό για εξώθηση θερμού τήγματος και μπορεί να επεξεργαστεί εύκολα. 29

37 Είναι ένα εμβολιασμένο συμπολυμερές πολυβινυλοκαπρολακτάμης, πολυ(οξικού βινυλεστέρα) και πολυαιθύλενογλυκόλης. Η δομή του φαίνεται στην εικόνα 7. Και είναι μία λευκή ή υποκίτρινη σκόνη χωρίς καμία γεύση. Εικόνα 7. Soluplus Είναι ιδανικό για τη διαδικασία εξώθησης θερμού τήγματος, λόγω του χαμηλού σημείου υαλώδους μετάβασης και της θερμικής σταθερότητάς του σε υψηλές θερμοκρασίες. Εξαιτίας της διλειτουργικής του φύσης μπορεί να δράσει ως πολυμερική μήτρα σε στερεές διασπορές και είναι ικανό να διαλύσει το αδιάλυτο φάρμακο σε υδατικά διαλύματα. Είναι ικανό να διαλυτοποιεί διάφορες δραστικές, οι οποίες μπορεί να έχουν διάφορες χημικές δομές με διαφορετική υδροφοβία ή λιποφιλία. Το soluplus μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα μεγάλο εύρος pη, εξαιτίας του μη ιοντικού του χαρακτήρα, χωρίς να επηρεάζεται η διαλυτική του ικανότητα. Η μικρή διαλυτότητα των φαρμάκων οδηγεί συχνά σε μικρή ή σημαντικά μειωμένη βιοδιαθεσημότητα. Το soluplus μπορεί να αυξήσει την διαλυτότητα και να ενισχύσει τη βιοδιαθεσημότητα των δραστικών στις στερεές διασπορές. 5. Εξώθηση θερμού τήγματος (Hot Melt Extrusion) Η εξώθηση θερμού τήγματος (HME) χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Joseph Brama στα τέλη του 19ου αιώνα για την κατασκευή μολύβδινων σωλήνων. Είναι μια διεργασία μορφοποίησης με έντονη ανάμιξη των πρώτων υλών με τη 30

38 βοήθεια ενός περιστρεφόμενου κοχλία μέσα σε κύλινδρο μικρής εσωτερικής διαμέτρου, υπό υψηλή, ελεγχόμενη θερμοκρασία και υψηλή συμπίεση, ώστε τα συστατικά να αναμιχθούν σε μοριακό ή μικρο-σωματιδιακό επίπεδο. Το προϊόν εξώθησης μπορεί να διαμορφωθεί σε επιθυμητό σχήμα μικροκυλίνδρων, μικροσφαιρών, ή μικροδισκίων, με τη βοήθεια κατάλληλης μήτρας που τοποθετείται στην έξοδο του εξωθητή. Η εξώθηση θερμού τήγματος χρησιμοποιείται ευρύτατα στη βιομηχανία πλαστικών, ελαστικών και τροφίμων. Στη χημική βιομηχανία η εξώθηση θερμού τήγματος αποτελεί μια από τις συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες μεθόδους μορφοποίησης των πολυμερών σε προϊόντα ευρείας κατανάλωσης. Στη φαρμακευτική βιομηχανία, η εφαρμογή της εξώθησης θερμού τήγματος άρχισε σχετικά πρόσφατα με κύριο σκοπό τη βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας λιπόφιλων φαρμάκων, τον έλεγχο και την τροποποίηση του ρυθμού αποδέσμευσης μεσαίας και μεγάλης υδατικής διαλυτότητας φαρμάκων από στερεές φαρμακοτεχνικές μορφές. Από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της ΗΜΕ είναι ότι για την εφαρμογή της δεν απαιτείται χρήση νερού και άλλων διαλυτών, και ότι αποφεύγεται το επιπλέον στάδιο της ξήρανσης, το οποίο είναι χρονοβόρο και υψηλού κόστους. Έτσι, περιορίζεται στο ελάχιστο η εμφάνιση προβλημάτων λόγω πιθανών χημικών αλλαγών των δραστικών ουσιών, καθώς και πιθανές πολυμορφικές μεταπτώσεις ή άλλες μεταβολές που σχετίζονται με τη σταθερότητα του τελικού προϊόντος. Ακόμα, με ρύθμιση της ταχύτητας εξώθησης, μπορεί να μειωθεί ο χρόνος παραμονής θερμο-ευαίσθητων φαρμάκων στον εξωθητή, σε τάξη δευτερολέπτων, αποφεύγοντας έτσι φυσικοχημικές μεταβολές λόγω της θέρμανσης και μηχανικής καταπόνησης. Επιπλέον, η ΗΜΕ προσφέρει μια λύση για αύξηση της διαλυτότητας και του ρυθμού διάλυσης, και τελικά της απορρόφησης των χορηγούμενων από το στόμα δυσδιάλυτων φαρμάκων, ενσωματωμένων στο τήγμα ως στερεή διασπορά ή στερεό διάλυμα, χρησιμοποιώντας συνθέσεις με έναν κατάλληλο πολυμερικό φορέα και άλλα έκδοχα. Με τη εξώθηση τήγματος επιδιώκεται η μοριακή διάλυση/συμπλοκοποίηση του δυσδιάλυτου φαρμάκου στο τήγμα λόγω μοριακής αλληλεπίδρασης του φαρμάκου με τα έκδοχα θερμο-εξώθησης, με αποτέλεσμα την παρεμπόδιση της κρυστάλλωσής του κατά την ψύξη. Υπάρχουν βιβλιογραφικές αναφορές σύμφωνα με 31

39 τις οποίες είναι δυνατή θερμο-εξώθηση φαρμάκου σε άμορφη κατάσταση, σε θερμοκρασίες ακόμα και 50 o C χαμηλότερες του σημείου τήξης του. Η βελτίωση της απορρόφησης έχει ιδιαίτερη σημασία για δραστικές ουσίες χαμηλής υδατικής διαλυτότητας και υψηλής διαπερατότητας γαστρεντερικού επιθήλιου. Από την άλλη πλευρά, στην περίπτωση ευδιάλυτων στο νερό φαρμάκων, η ενσωμάτωση τους σε υδρόφοβο ή μη διαπερατό από το νερό πολυμερικό φορέα όπως το μεθακρυλικό πολυμερές Eudragit RS, προκαλεί παράταση της αποδέσμευσης του φαρμάκου από την υδρόφοβη μήτρα, επομένως δυνατότητα μείωσης των δόσεων χορήγησης φαρμάκου και καλύτερη συμμόρφωση του ασθενούς. Ο μηχανισμός σχηματισμού μήτρας κατά τη εξώθηση τήγματος είναι διαφορετικός από το μηχανισμό σχηματισμού μήτρας κατά τη δισκιοποίηση. Στην τελευταία περίπτωση, προαπαιτούμενο σχηματισμού καλής μήτρας είναι οι καλές ιδιότητες συμπίεσης των συστατικών, ενώ κατά τη θερμο-εξώθηση, ο σχηματισμός μήτρας οφείλεται στην καλή θερμο-συνδετική συμπεριφορά των εκδόχων. Στην περίπτωση υδατοδιαλυτών φαρμάκων με καλή διαπερατότητα επιθηλίου, η ελεγχόμενη παρατεταμένη αποδέσμευση έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση τυχόν υψηλών ανεπιθύμητων επιπέδων φαρμάκου στο αίμα και των ενδεχόμενων παρενεργειών τους, ενώ στην περίπτωση υδατοδιαλυτών φαρμάκων χαμηλής διαπερατότητας, έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση των απωλειών στο γαστρεντερικό σωλήνα. Σαν μειονέκτημα της μεθόδου μπορεί να αναφερθεί ο πιθανός κίνδυνος αποικοδόμησης θερμο-ευαίσθητων ουσιών κατά τη διάρκεια της εξώθησης, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που συνήθως απαιτούνται. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με ρύθμιση των συνθηκών εξώθησης και κυρίως την ταχύτητα περιστροφής του κοχλία εξώθησης (περιγράφεται στην επόμενη παράγραφο), ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο χρόνος παραμονής του φαρμάκου στον εξωθητή. Η εφαρμογή της ΗΜΕ σε επίπεδο βιομηχανικής κλίμακας, πλεονεκτεί άλλων μεθόδων καθώς μπορεί να λειτουργήσει ως μέθοδος συνεχούς παραγωγής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση του αριθμού των παρτίδων, των σταδίων παραγωγής, του αριθμού των χρησιμοποιούμενων συσκευών, και επομένως ελαχιστοποίηση της πιθανότητας εμφάνισης επιμόλυνσης κατά τη μεταφορά των ενδιάμεσων προϊόντων λόγω έκθεσή τους στο περιβάλλον. 32

40 Επιπλέον, λόγω του ότι αποφεύγεται το στάδιο της ξήρανσης, αλλά και λόγω της μείωσης του αριθμού των παραγόμενων παρτίδων προϊόντος και των απαιτούμενων ποιοτικών ελέγχων, ελαχιστοποιείται το κόστος παραγωγής και το κόστος των εμπορικών σκευασμάτων. 5.1 Εξωθητές Οι συσκευές εξώθησης θερμού τήγματος είναι διατάξεις οι οποίες έχουν τη δυνατότητα ανάμειξης, συμπίεσης και τήξης του πολυμερούς-φορέα, της δραστικής ουσίας και των υπόλοιπων εκδόχων και διαμόρφωσής τους σε στερεές μορφές χορήγησης (δισκία, μικροσφαίρες, μικρο-κύλινδροι) με τη βοήθεια μιας μήτρας εξόδου ελεγχόμενης θερμοκρασίας. Η όλη διάταξη εξαρτάται από την πίεση η οποία μπορεί να εφαρμοστεί στο πολυμερές, το ιξώδες του πολυμερούς καθώς και τη μορφή του. 5.2 Τύποι εξωθητών Διακρίνουμε δύο τύπους εξωθητών θερμού τήγματος συνεχούς λειτουργίας, το μονοκόχλιο και το δικόχλιο, οι οποίοι χρησιμοποιούνται κατά κόρον στη βιομηχανία και η λειτουργία των οποίων είναι παρόμοια. Άλλοι τύποι εξωθητών αυτής της κατηγορίας είναι οι εκβολείς δίσκων (disk extruders) και οι εκβολείς τύμπανου (drum extruders). Στους εξωθητές ασυνεχούς λειτουργίας ανήκουν αυτοί που χρησιμοποιούν έμβολο (ram extruders) για την τήξη και προώθηση του πολυμερούς και χρησιμοποιούνται για πολυμερή που επεξεργάζονται δύσκολα. 5.3 Μονοκόχλιοι εξωθητές Στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται ένας μονοκόχλιος εξωθητής, 33

41 Εικόνα 8. Μονοκόχλιος Εξωθητής Σε γενικές γραμμές ο εξωθητής αποτελείται από τα εξής μέρη: χοάνη εισαγωγής (τροφοδοσίας) του υλικού κινητήρας μεγάλης ισχύος και σύστημα μετάδοσης της κίνησης στον κοχλία κύριο σώμα αποτελούμενο από ζώνες ελεγχόμενης θέρμανσης και διαβαθμισμένης συμπίεσης του υλικού σε κάθε μία σύστημα θέρμανσης και ελέγχου της θερμοκρασίας μήτρα εξώθησης (εκβολής) στο σημείο εξόδου για λήψη τήγματος διαμορφωμένου σε επιθυμητό σχήμα (π.χ. κορδόνι, σωλήνα, φύλλα) Χοάνη τροφοδοσίας Η εισαγωγή του κονιοποιημένου μείγματος μέσω της χοάνης αποτελεί κρίσιμο στάδιο καθώς είναι δυνατόν να υπάρξουν προβλήματα ροής λόγω των υψηλών θερμοκρασιών εξώθησης και επίσης λόγω της μικρής διαμέτρου του κυλίνδρου εξώθησης. Για το λόγο αυτό εφαρμόζεται ψύξη των μεταλλικών μερών στο σημείο εισόδου του υλικού και επίσης το μέγεθος σωματιδίων του κονιοποιημένου υλικού επιλέγεται από 100 έως 600 μm ώστε να διασφαλιστεί ικανοποιητική ροή προς το εσωτερικό του κυλίνδρου. Για να βελτιωθεί η δυνατότητα τροφοδοσίας του 34

42 πολυμερούς το πλάτος εισόδου θα πρέπει να είναι περίπου το 0,7 της διαμέτρου (D) του κυλίνδρου και το μήκος της όχι μεγαλύτερο από το 1,5 αυτού. Η εισαγωγή του πολυμερούς μπορεί να γίνει σταδιακά με αργό ρυθμό(ελεγχόμενη τροφοδοσία) ή γεμίζοντας πλήρως τη χοάνη(κατακλυσμιαία τροφοδοσία) Εικόνα 9. ελεγχόμενη τροφοδοσία Εικόνα 10. κατακλυσμιαία τροφοδοσία Κινητήρας Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης περιστρέφει τον κοχλία με τις επιθυμητές στροφές και αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος (DC ή AC), ο οποίος μεταβάλλει την ταχύτητα περιστροφής από σχεδόν μηδενική μέχρι τη μέγιστη δυνατή. Η ταχύτητα περιστροφής του κοχλία αποτελεί μία κρίσιμη παράμετρο κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας και εξώθησης ενός θερμοπλαστικού πολυμερούς και θα πρέπει να παραμένει σταθερή. Οποιαδήποτε διακύμανση μπορεί να έχει δραματικές συνέπειες στις διαστάσεις του τελικού προϊόντος. Για το λόγο αυτό μεταξύ του κινητήρα και του κοχλία περιστροφής 35

43 παρεμβάλλεται πάντοτε ένας μειωτήρας επιβάλλοντας ρυθμούς μείωσης από15:1 έως 20:1. Η ρύθμιση των στροφών γίνεται με ηλεκτρονικό τρόπο Σύστημα μετάδοσης και ελέγχου της θερμότητας Ο κύλινδρος του εκβολέα έχει δυνατότητα θέρμανσης και ψύξης. Η θερμότητα δίνεται συνήθως με ηλεκτρικές αντιστάσεις τοποθετημένες κατά μήκος του εξωτερικού μέρους εκβολέα, ενώ ο έλεγχος της θερμοκρασίας γίνεται με θερμοστοιχεία. Οι αντιστάσεις αλουμινίου επιτυγχάνουν θερμοκρασίες μέχρι C, ενώ του μπρούντζου μέχρι C. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν κεραμικές αντιστάσεις καθώς και να γίνει θέρμανση με επαγωγή. Οι πιο συνηθισμένοι εκβολείς έχουν τρεις ζώνες θέρμανσης, ενώ μπορεί να ξεπεράσουν και τις δέκα σε μεγάλους και ιδιαίτερα πολύπλοκους εκβολείς. Η θερμοκρασία καθορίζεται ανάλογα με το κατεργαζόμενο πολυμερές. Εάν είναι ημικρυσταλλικό τότε η μέγιστη θερμοκρασία εξώθησης δεν θα πρέπει να είναι κατά 50 0 C υψηλότερη του σημείου τήξεως του πολυμερούς. Εάν το πολυμερές είναι άμορφο τότε η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία δεν θα πρέπει να είναι C πάνω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης. Πολλές φορές η υπερθέρμανση σε μία ζώνη επέρχεται είτε από μη σχολαστικό καθαρισμό του κοχλία είτε από το μεγάλο μήκος (L) του κοχλία. Συνήθως για τους μονοκόχλιους εκβολής, οι οποίοι δεν διαθέτουν έξοδο πτητικών αερίων ο λόγος L/D είναι 25:1. Για τον επιτυχή έλεγχο της θερμοκρασίας και τη διατήρηση σταθερών συνθηκών θέρμανσης οι εκβολείς είναι εφοδιασμένοι με σύστημα ψύξης. Αυτό μπορεί να γίνει τόσο με την τροφοδοσία ψυχρού αέρα, νερού ή λαδιού. Η απότομη αύξηση της θερμοκρασίας στον κύλινδρο προέρχεται πολλές φορές από την κατεργασία πολυμερών με ιδιαίτερα υψηλό ιξώδες τήγματος ή από την υψηλή ταχύτητα περιστροφής του κοχλία Μήτρα εκβολής Η τελική διαμόρφωση του σχήματος του εξωθημένου τήγματος γίνεται στη μήτρα εκβολής του τήγματος, η οποία είναι τοποθετημένη στην έξοδο του εξωθητή. Πριν την μήτρα τοποθετείται ένα φίλτρο ή πλάκα με πολύ μικρές τρύπες οι οποίες κατακρατούν τυχόν επιμολύνσεις του πλαστικού 36

44 5.3.5 Κυρίως σώμα Το κυρίως σώμα του εξωθητή αποτελείται από τον κύλινδρο μέσα στον οποίο περιστρέφεται ο κοχλίας. Ο κύλινδρος είναι κατασκευασμένος από ανοξείδωτο χάλυβα με ιδιαίτερα χοντρά τοιχώματα ώστε να αντέχουν σε πιέσεις μέχρι και 350 bar. Η εσωτερική του επιφάνεια είναι ειδικά κατεργασμένη για να μη φθείρεται κατά τη διεργασία της εξώθησης. Μέσα στο κύλινδρο περιστρέφεται εφαρμοστά και με καθορισμένη ταχύτητα ο κοχλίας ο οποίος αποτελεί και την καρδιά του εκβολέα. Αποτελείται από μία μακριά ράβδο περιμετρικά της οποίας αναπτύσσονται πτερύγια ελικοειδούς διάταξης. Είναι φτιαγμένος από υλικό χαμηλότερης σκληρότητας και αντοχής από τον κύλινδρο αφού είναι προτιμότερο να φθείρεται αυτός και να αντικαθίσταται, παρά ο κύλινδρος. Ο ρόλος του για την επιτυχία της εξώθησης είναι σπουδαίος, καθώς ρυθμίζει την εισαγωγή του κονιοποιημένου μίγματος των συστατικών στον εξωθητή, την ανάμιξη και τη συμπίεση τους, καθώς και την προώθηση του ομοιογενούς τήγματος προς την έξοδο. Η διάμετρος του κοχλία εξωθητών εργαστηριακής κλίμακας κυμαίνεται από 6 έως 30 mm, ενώ στους εξωθητές βιομηχανικής κλίμακας μπορεί να ξεπεράσει τα 50 mm. Ο κοχλίας χαρακτηρίζεται από το λόγο του μήκους προς τη διάμετρό του (length/diameter ratio, L/D). Ο οποίος συνήθως για τα θερμοπλαστικά κυμαίνεται μεταξύ 20 και 35 ενώ για τα ελαστομερή από 4 έως 7. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κοχλία είναι καθοριστικά για το αποτέλεσμα της εξώθησης θερμού τήγματος (Σχήμα 11). Πιο συγκεκριμένα, το βήμα της έλικας του κοχλία, η απόσταση μεταξύ της εσωτερικής επιφάνειας του κυλίνδρου και της εξωτερικής ακτίνας της έλικας, καθώς και η γωνία που σχηματίζει η έλικα με την κάθετο στον επιμήκη άξονα του κοχλία καθορίζουν τις επιμέρους διεργασίες της μεταφοράς, ανάμειξης, συμπίεσης και τήξης του υλικού κατά τη διάβασή του στο εσωτερικό του κυλίνδρου, καθώς και την τελική προώθηση προς τη μήτρα εκβολής. 37

45 Εικόνα 11. Γεωμετρικά χαρακτηρίστηκα κοχλία Οι παραπάνω διεργασίες λαμβάνουν χώρα σε τρεις διακριτές επιμέρους περιοχές του κυλίνδρου τη ζώνη τροφοδοσίας, τη ζώνη τήξης και συμπίεσης και τη ζώνη εξώθησης του τελικού προϊόντος, οι οποίες αντιστοιχούν σε διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κοχλία. Εικόνα 12. Ζώνες κοχλία. Ζώνη τροφοδοσίας: Σκοπός της ζώνης τροφοδοσίας είναι η μεταφορά του υλικού από τη χοάνη στο εσωτερικό του κυλίνδρου, και αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη απόσταση του άξονα του κοχλία από το τοίχωμα του κυλίνδρου, ώστε να διευκολύνεται η ροή του υλικού και η προώθησή του στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Αποτελεί το μικρότερο σε μήκος τμήμα του κοχλία. Το πολυμερές έχοντας τη θερμοκρασία περιβάλλοντος διοχετεύεται από τη χοάνη τροφοδοσίας και παραλαμβάνεται από τον κοχλία καθώς αυτός 38

46 περιστρέφεται. Η θερμοκρασία της ζώνης αυτής είναι χαμηλότερη ή ελάχιστα υψηλότερη από τη θερμοκρασία τήξης του πολυμερούς. Στόχος της ζώνης αυτής είναι να μαλακώσει το πολυμερές ώστε να προωθηθεί με την κατάλληλη διάταξη των πτερυγίων του κοχλία στην επόμενη ζώνη. Ζώνη μετάβασης ή συμπίεσης: στη ζώνη αυτή η διάμετρος του άξονα του κοχλία είναι μεγαλύτερη και επομένως η ακτίνα της έλικας είναι μικρότερη, ώστε να ασκείται μεγαλύτερη συμπίεση στο υλικό το οποίο με τη βοήθεια της θέρμανσης αρχίζει να τήκεται. Η θερμοκρασία στη ζώνη αυτή είναι υψηλότερη κατά C από τη θερμοκρασία τήξης του πολυμερούς. Το πολυμερές εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας, αλλά και της πίεσης που αναπτύσσεται καθώς συνθλίβεται μεταξύ του κοχλία και του κυλίνδρου λιώνει και αρχίζει να ομογενοποιείται με τα διάφορα πρόσθετα. Η ζώνη δοσιμετρίας. Στην τελευταία ζώνη εξώθησης, το βήμα της έλικας του κοχλία είναι σταθερό, ενώ η ακτίνα της έλικας μικραίνει ακόμα περισσότερο, με σκοπό την ομοιόμορφη προώθηση του τήγματος στη μήτρα τελικής διαμόρφωσης. Το πολυμερές βρίσκεται πλέον σε τήγμα, έχει ολοκληρωθεί η ομογενοποίησή του και προωθείται προς την έξοδο του κυλίνδρου όπου βρίσκεται η μήτρα. Για να επιτευχθεί καλύτερη ανάμιξη του πολυμερούς και να αποφευχθεί η δημιουργία συσσωματωμάτων χρησιμοποιούνται επιπρόσθετα τμήματα στο κοχλία όπως κοιλότητες, ακίδες, κόγχες, μεταβλητού πάχους κ.ά. (εικόνα 13) 39

47 Εικόνα 13. τύποι κοχλιών της ζώνης ανάμιξης 5.4 Διπλοκόχλιοι εκβολής Οι δικόχλιοι εξωθητές είναι εξέλιξη του μονοκόχλιου και παρουσιάζουν ορισμένα πλεονεκτήματα, όπως ευκολότερη τροφοδοσία, καλύτερη ανάμειξη του υλικού, εξώθηση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και συντομότερος χρόνος ολοκλήρωσης της εξώθησης. Μπορούμε να τους διαχωρίσουμε ανάλογα με τη φορά που κινούνται οι κοχλίες σε ομόστροφους, αν κινούνται με την ίδια φορά ή ετερόστροφους αν κινούνται με αντίστροφη φορά. Επίσης μπορούν να διαχωριστούν ανάλογα με τον αν εφάπτονται οι δυο κοχλίες σε πλήρως, μερικώς ή μη εφαπτομενικούς. Συνήθως χρησιμοποιούνται οι εφαπτομενικοί κοχλίες λόγο της καλύτερης ανάμιξης και διασποράς που δίνουν, αν και οι μη εφαπτομενικοί κοχλίες μπορούν να έχουν διπλάσιο μήκος από τους εφαπτομενικούς εξαιτίας της έλλειψης τριβής μετάλλουμετάλλου. Στα πλεονεκτήματα των μονοκόχλιων εξωθητών θερμού τήγματος περιλαμβάνονται η μηχανική απλότητα και η δυνατότητα εξώθησης μικρών ποσοτήτων, το χαμηλότερο κόστος αγοράς και εγκατάστασης, καθώς και πιθανώς η δυνατότητα εξώθησης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες λόγω άσκησης υψηλότερων πιέσεων στον κύλινδρο εξώθησης. 40

48 Εικόνα 14. Ετερόστροφοι και ομόστροφοι κοχλίες. α) μη εφαπτομενικοί, β) μερικώς εφαπτομενικοί και γ) πλήρως εφαπτομενικοί. 6. Αρχές των βασικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν για το χαρακτηρισμό των στερεών διασπορών Για το χαρακτηρισμό των στερεών διασπορών που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της ανάμιξης τήγματος χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω μέθοδοι: Περίθλαση ακτίνων-χ (XRD). Φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourrier (FTIR). Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC). Ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM, TEM). 6.1 Περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) Εισαγωγή Το διάγραμμα περίθλασης ακτίνων- Χ (περιθλασιογράφημα) μιας καθαρής ουσίας αποτελεί ένα είδος δακτυλικού αποτυπώματός της. Το διάγραμμα περίθλασης λαμβάνεται όταν ακτίνες Χ (μήκος κύματος 0,5 έως 2,5 Å) αλληλεπιδράσουν με ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Περίπου το 95% όλων των στερεών υλικών μπορεί να χαρακτηριστεί κρυσταλλικό. Κάθε συστατικό δίνει πάντα το ίδιο διάγραμμα και σε 41

49 μίγμα διαφόρων συστατικών, το καθένα δίνει το αντίστοιχο διάγραμμα ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα. Η μέθοδος περίθλασης σκόνης λοιπόν είναι ιδανική για το χαρακτηρισμό και την ταυτοποίηση πολυκρυσταλλικών φάσεων. Σήμερα περίπου ανόργανα και οργανικά διαγράμματα περίθλασης κρυσταλλικών φάσεων απλών συστατικών έχουν συλλεχτεί και αποθηκευτεί ως πρότυπα. Η κύρια χρήση της περίθλασης σκόνης είναι η ταυτοποίηση των συστατικών σε ένα δείγμα. Επιπροσθέτως, το εμβαδόν κάτω από τις κορυφές σχετίζεται με την ποσότητα του κάθε συστατικού στο δείγμα. Μία στερεή ουσία μπορεί να χαρακτηριστεί ως: Άμορφη, όταν τα άτομα διευθετούνται με τυχαίο τρόπο στον χώρο, μία αταξία παρόμοια με αυτή που υπάρχει στα υγρά. Κρυσταλλική, όταν τα άτομα διευθετούνται με ένα συγκεκριμένο τρόπο στον χώρο, και χαρακτηρίζονται από έναν ελάχιστο στοιχειώδη όγκο ο οποίος με επανάληψη στις τρεις διαστάσεις μπορεί να περιγράψει τον κρύσταλλο. Αυτός ο ελάχιστος στοιχειώδης όγκος ονομάζεται κυψελίδα και οι διαστάσεις του περιγράφονται από τρεις άξονες a, b, c και τις γωνίες μεταξύ τους α, β, γ. Αρχή λειτουργίας Όταν μια δέσμη ακτίνων Χ πέσει επάνω σε έναν κρύσταλλο διεγείρει τα άτομα του. Τα κύματα που εκπέμπονται συμβάλλουν μεταξύ τους μόνο προς ορισμένες εκλεκτικές διευθύνσεις. Το φαινόμενο αυτό καλείται περίθλαση ακτίνων Χ από κρύσταλλο και σχετίζεται με την αλληλεπίδραση των ακτίνων Χ με την ύλη. Η περίθλαση συμβαίνει μόνον όταν η διαφορά της απόστασης που διανύουν δύο όμοια περιθλώμενα κύματα είναι ένας ακέραιος αριθμός του μήκους κύματος, έτσι ώστε τα δύο κύματα να βρίσκονται στην ίδια φάση. Στο εικόνα 15 οι οριζόντιες γραμμές αντιπροσωπεύουν οριζόντια επίπεδα με διεπιπεδική απόσταση d. Τα άτομα στα επίπεδα αυτά αντιπροσωπεύουν τα κέντρα σκέδασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. 42

50 Εικόνα 15. Σχηματική αναπαράσταση της περίθλαση των ακτινών-χ. Η συνολική διαφορά των διανυόμενων αποστάσεων για τις δύο ακτίνες που παρουσιάζονται στο σχήμα είναι ίση με 2d(sinθ). Συνεπώς η εξίσωση που περιγράφει τις συνθήκες κάτω από τις οποίες συμβαίνει η περίθλαση (γνωστή και ως Νόμος του Bragg) είναι: nλ = 2d(sinθ) όπου: n: η τάξη της ανάκλασης, λ: το μήκος κύματος της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας (nm), d: η ισαπόσταση των δικτυωτών επιπέδων (h k l) που προκαλούν την ανάκλαση (m), θ: η γωνία Bragg. Στον νόμο του Bragg η τάξη της ανάκλασης μπορεί να πάρει τις τιμές ενός ακέραιου αριθμού. Από φυσικής άποψης η εξίσωση εκφράζει το γεγονός ότι για να είναι παρατηρήσιμα τα αντίστοιχα μέγιστα ακτινοβολίας περίθλασης, οι ποσότητες λ, d, και θ πρέπει να έχουν τέτοιες τιμές ώστε εάν αντικατασταθούν στην παραπάνω εξίσωση να δίνουν ακέραιες τιμές στο n. Συνεπώς, η εξίσωση Bragg εκφράζει τη 43

51 συνθήκη που πρέπει να πληρούται για να προκύψει ανάκλαση, με τον ακέραιο αριθμό n να συμβολίζει την τάξη της ανάκλασης. Η περίθλαση ακτίνων Χ βρίσκει εφαρμογές σε μονοκρυσταλλικά υλικά ή σε πολυκρυσταλλικά συστήματα. Στην πολυκρυσταλλική περίθλαση είναι σημαντικό το δείγμα να έχει λεία επίπεδη επιφάνεια, έτσι ώστε να εκτεθούν στην προσπίπτουσα ακτινοβολία όλοι οι δυνατοί προσανατολισμοί του κρυστάλλου Για το λόγο αυτό το δείγμα σχεδόν πάντα λειοτριβείται πριν την ανάλυση. Ένα περιθλασίμετρο αποτελείται από μια πηγή, μια διάταξη περιορισμού του μήκους κύματος της εισερχόμενης ακτινοβολίας, ένα χώρο τοποθέτησης του δείγματος, έναν ανιχνευτή και ένα σύστημα επεξεργασίας του σήματος. Εικόνα 16. Διάγραμμα πειραματικής διάταξης και σήμα ανιχνευτή 6.2 Φασματοσκοπία Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FT-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.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). 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 44

52 άτομα πάλλονται και περιστρέφονται, ενώ παρατηρούνται και διάφορες άλλες μοριακές δονήσεις. Η ποσότητα ενέργειας που περιλαμβάνει ένα μόριο είναι κβαντισμένη. Δηλαδή, ένα μόριο μπορεί να επιμηκύνεται, να κάμπτεται ή να πάλλεται, σε συγκεκριμένες συχνότητες που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα ενεργειακά επίπεδα. Στην πραγματικότητα, οι δεσμοί συνεχώς δονούνται και κάμπτονται, με συνέπεια το μήκος τους να αυξάνεται και να μειώνεται. 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. 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. Τα δονητικά φάσματα λαμβάνονται με ένα φασματοφωτόμετρο FT-IR. Αυτό έχει ως βάση λειτουργίας το συμβολόμετρο Michelson, το οποίο χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί ένα συμβολογράφημα. Μαθηματική επεξεργασία του συμβολογραφήματος (μετασχηματισμός Fourier) δίνει το φάσμα απορρόφησης IR. Το συμβολόμετρο (interferometer) δύο δεσμών, αρχικά σχεδίασε ο Michelson το Ακολούθησαν πολλά άλλα συμβολόμετρα δύο δεσμών μετά απ αυτό, τα οποία μπορεί να είναι χρήσιμα για μερικές ιδιαίτερες εφαρμογές. Ωστόσο, η αρχή λειτουργίας των συμβολόμετρων δύο δεσμών είναι παρόμοια. Το συμβολόμετρο Michelson είναι μια διάταξη κατόπτρων που χωρίζει μια δέσμη ακτινοβολίας σε δύο δέσμες και τις επανασυνθέτει, αφού πρώτα ακολουθήσουν ξεχωριστές διαδρομές που διαφέρουν στο μήκος. Οι μεταβολές της έντασης της επαλληλίας των δύο δεσμών ακτινοβολίας, ως συνάρτηση της διαφοράς των οπτικών διαδρομών καταγράφονται από έναν ανιχνευτή. 45

53 Εικόνα 17. Σχηματικό διάγραμμα του συμβολόμετρου Michelson Η ακτινοβολία που παράγεται από την πηγή IR προσπίπτει στον διαχωριστή δέσμης, ο οποίος διαιρεί την ακτινοβολία σε δύο ίσα μέρη αποστέλλοντας το ένα τμήμα στο κάτοπτρο Μ1 και το άλλο μισό στο Μ2. Η ανακλώμενη ακτινοβολία προσπίπτει πάνω στο σταθερό καθρέπτη, ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση L από το διαχωριστή. Η δέσμη ανακλάται και επιστρέφει στο διαχωριστή. Το δεύτερο κλάσμα της IR ακτινοβολίας που διαπερνά τον διαχωριστή, αφού διανύσει απόσταση (L+d), ανακλάται από τον κινούμενο καθρέπτη και επανέρχεται στον διαχωριστή. Έτσι, η διαφορά των δύο οπτικών διαδρομών είναι δ=2d. Οι δύο ανακλώμενες δέσμες, όταν επιστρέψουν στο διαχωριστή, συμβάλουν έχοντας διανύσει διαφορετικό οπτικό δρόμο. Σε ένα φασματοφωτόμετρο FT-IR η πηγή εκπέμπει ένα συνεχές φάσμα. Κατά την έξοδο από το συμβολόμετρο έχουμε επαλληλία των διαφόρων φασματικών συνιστωσών των επιμέρους δεσμών. Το τελικό αποτέλεσμα προκύπτει από το άθροισμα των επιμέρους εντάσεων ακτινοβολίας που αντιστοιχούν σε κάθε φασματική περιοχή. Το τελικό αποτέλεσμα προκύπτει από το άθροισμα των επιμέρους εντάσεων ακτινοβολίας που αντιστοιχούν σε κάθε φασματική περιοχή. Έτσι για μηδενική διαφορά οπτικού δρόμου όλες οι φασματικές συνιστώσες είναι σε φάση και η συνολική ένταση ακτινοβολίας είναι μέγιστη. Καθώς αυξάνεται η διαφορά οπτικού δρόμου ΔL η επαλληλία για κάθε φασματική συνιστώσα οδηγεί σε 46

54 μέγιστο η ελάχιστο ανάλογα με τον λόγο ΔL/λ. Έτσι η συνολική ένταση μειώνεται ή αυξάνεται με όλο και μικρότερο πλάτος διαμόρφωσης. Μετά από μια μέγιστη διαφορά οπτικού δρόμου δεν υπάρχει πια κανένας συσχετισμός φάσης μεταξύ των διαφόρων φασματικών συνιστωσών και η συνολική ένταση είναι πια σταθερή και ανεξάρτητη από την διαφορά οπτικού δρόμου. 6.3 Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) 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 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 ( Ο C / min), του βάρους του δείγματος και της ειδικής θερμότητάς του. Η περιοχή θερμοκρασιών στα συνήθη όργανα κυμαίνεται μεταξύ -100 και 600 Ο C, Για τις θερμοκρασίες κάτω του περιβάλλοντος απαιτείται ειδικό ψυκτικό μηχάνημα ή λουτρό υγρού αέρα (subambient bath), ενώ για θερμοκρασίες πάνω από 600 Ο C, επειδή το σημείο τήξης του αλουμινίου, από το οποίο είναι συνήθως κατασκευασμένα τα καψίδια, είναι 658,5 Ο C, χρησιμοποιούνται ειδικά καψίδια από χαλκό, χρυσό ή ακόμα και γραφίτη. 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) 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. 47

55 δ) Τμήμα ελέγχου, το οποίο περιλαμβάνει την οθόνη και το πληκτρολόγιο του ηλεκτρονικού υπολογιστή καθώς και τα κουμπιά για την ισοστάθμιση του οργάνου. Οι διάφορες συσκευές δύνανται να λειτουργούν κατά δύο τρόπους, με την αρχή της εξισορρόπησης ισχύος ή της ροής θερμότητας. Με την αρχή της εξισορρόπησης ισχύος, το δείγμα και το υλικό αναφοράς βρίσκονται σε ξεχωριστό ατομικό θερμιδόμετρο, με το δικό του στοιχείο θέρμανσης το καθένα. Όταν μία εξώθερμη ή μία ενδόθερμη μεταβολή πραγματοποιείται στο δείγμα, ισχύς ή ενέργεια εφαρμόζεται ή αφαιρείται από τα θερμιδόμετρα, ώστε να εξισορροπηθεί η μεταβολή ενέργειας που συμβαίνει στο δείγμα. Το σύστημα διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης εξισορρόπησης ενέργειας παραμένει σε θερμικά μηδενική κατάσταση συνεχώς. Το ποσό της ισχύος που απαιτείται για να παραμείνει το σύστημα σε συνθήκες ισορροπίας είναι απ ευθείας ανάλογο της μεταβολής ενέργειας που πραγματοποιείται στο δείγμα. Έτσι, παρέχεται μια πραγματική μέτρηση των θερμικών ιδιοτήτων του δείγματος. Εικόνα 18. φυσικές και χημικές μεταβολές οι οποίες συνοδεύονται από απορρόφηση ή αποβολή θερμότητας και μπορούν να μελετηθούν με την τεχνική DSC. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα διαφορικά θερμιδόμετρα σάρωσης ροής θερμότητας, το δείγμα και η ουσία αναφοράς βρίσκονται σε έναν φούρνο. Τα θερμοζεύγη μετρούν τη διαφορική θερμοκρασία μεταξύ του δείγματος και της ουσίας αναφοράς. Σε τέτοιες συσκευές μετριέται άμεσα η διαφορά θερμοκρασίας. Η μετατροπή της διαφοράς θερμοκρασίας σε ροή ενέργειας γίνεται μέσα από 48

56 μαθηματική εξίσωση και έτσι η προσέγγιση είναι έμμεση σε σχέση με αυτή των συσκευών εξισορρόπησης ισχύος. 6.4 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 προσπίπτον σημείο των αρχικών ηλεκτρονίων, εκπέμπονται δευτερογενή ηλεκτρόνια, επιπροσθέτως πολλών άλλων αλληλεπιδράσεων της δέσμης των ηλεκτρονίων με το δείγμα, όπως φαίνεται στο εικόνα 19.. Εικόνα 19. 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 49

57 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 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, όπως παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα, μαζί με μερικές μορφολογικές λεπτομέρειες των υλικών. 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. Εξαιτίας της αλληλεπίδρασης της αρχικής δέσμης ηλεκτρονίων και του δείγματος, ένας αριθμός και άλλων σημάτων, εκτός της εκπομπής δευτεροταγών ηλεκτρονίων, είναι δυνατό να εμφανιστούν, και να αποφέρουν συγκεκριμένες πληροφορίες για το δείγμα. 6.4 Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης Η Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης, γνωστή ως High Performance Liquid Chromatography (ΗPLC), αποτελεί εξέλιξη της κλασικής χρωματογραφίας στήλης. Αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1970 και η ταχύτατη εδραίωσή της στο χώρο της ενόργανης ανάλυσης βασίστηκε στην ανακάλυψη νέων υλικών πλήρωσης, καθώς και στην ευκολία που παρείχαν οι συνδεδεμένοι σε σειρά ανιχνευτές. Ουσιαστικά αποτελεί εξέλιξη της κλασικής χρωματογραφίας με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούνται μικρόκοκκα υλικά πλήρωσης των στηλών, οπότε και αναπτύσσονται μεγάλες πιέσεις. Στο τέλος της δεκαετίας αναπτύχτηκε η υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης αντίστροφης φάσης η οποία έλυσε ολοκληρωτικά το πρόβλημα διαχωρισμού παρόμοιων συστατικών. Στη δεκαετία του 1980 εμφανίστηκαν νέες τεχνικές οι οποίες βελτίωσαν το διαχωρισμό, την ανίχνευση, τον ποιοτικό και τον ποσοτικό διαχωρισμό των ενώσεων, ενώ παράλληλα η ανάπτυξη των υπολογιστών διευκόλυνε ουσιαστικά την αυτοματοποίηση της συγκεκριμένης τεχνικής. Η HPLC είναι μια δυναμική διεργασία προσρόφησης (adsorption). Tα προς 50

58 ανάλυση μόρια, κατά την κίνησή τους μέσω του πορώδους υλικού πλήρωσης της στήλης τείνουν να αλληλεπιδράσουν με θέσεις της προσροφητικής επιφάνειας, ενώ ο διαχωρισμός των συστατικών ενός μείγματος βασίζεται στη διαφορετική κατανομή τους ανάμεσα στη στατική και την κινητή φάση. Η πιο συνηθισμένη μορφή HPLC στη φαρμακευτική ανάλυση σκευασμάτων είναι η HPLC αντίστροφης φάσης (RP). Στη χρωματογραφία αντίστροφης φάσης η κινητή φάση είναι πιο πολική από τη στατική. Συνήθως η στατική φάση αποτελείται από υδρογονάνθρακες (C8 και C18) χημικά συνδεδεμένους με το υπόστρωμα, ενώ η κινητή φάση αποτελείται από μείγμα οργανικών διαλυτών με νερό. Μεταξύ των μορίων του προσδιοριζόμενου συστατικού και της κινητής φάσης αναπτύσσονται ασθενείς μη εκλεκτικές αλληλεπιδράσεις van der Waals. Οι προσδιοριζόμενες ενώσεις διαχωρίζονται με βάση το βαθμό της υδρόφοβης αλληλεπίδρασής τους με τη στατική φάση, και έτσι όσο πιο πολικό είναι κάποιο μόριο τόσο πιο γρήγορα εκλούεται από τη χρωματογραφική στήλη. Τα συνηθέστερα υλικά πλήρωσης στην RP-HPLC έχουν ως βάση την πηκτή του διοξειδίου του πυριτίου με ελεύθερες σιλανολικές (-SiOH) και σιλοξανικές ομάδες (-Si-O-Si). Η κατεργασία της πηκτής του διοξειδίου του πυριτίου με οργανοχλωροσιλάνια και οργανο-αλκοξυ-σιλάνια οδηγεί στην εισαγωγή διαφόρων ομάδων, όπως όκτυλο- (-C8), δεκαόκτυλο- (-C18), φαίνυλο- (-Ph), κύανο- (-CN) και άλλων αλκυλοάζωτο-ομάδων (R-N+(CH3)). Στη δεσμευμένη πηκτή του SiO2 επιτυγχάνεται μεγαλύτερη προσρόφηση των ενώσεων και συνήθως καλύτερος διαχωρισμός. Οργανολογία Μία απλή διάταξη ενός συστήματος HPLC αποτελείται από τα εξής μέρη: 1) τις φιάλες αποθήκευσης των διαλυτών, 2) την αντλία υψηλής πίεσης, 3) το σύστημα εισαγωγής του δείγματος. 4) τη χρωματογραφική στήλη, 5) τον ανιχνευτή και 6) τη μονάδα επεξεργασίας και καταγραφής των δεδομένων. 51

59 Εικόνα 20. Σχηματική διάταξη υγρής χρωματογραφίας υψηλής πίεσης. Επιπλέον μπορούν να προστεθούν και άλλα τμήματα, βελτιώνοντας την απόδοση της τεχνικής όπως είναι: Το σύστημα εισαγωγής του δείγματος μπορεί να αποτελείται από βαλβίδα σταθερού όγκου για έγχυση του δείγματος ή από αυτόματο δειγματολήπτη. Η χρωματογραφική στήλη μπορεί να βρίσκεται σε ειδικό θερμοστατούμενο φούρνο, εξασφαλίζοντας μεγαλύτερη επαναληψιμότητα στις μετρήσεις. Στον πρώτο ανιχνευτή μπορεί να συνδεθεί σε σειρά και δεύτερος ανιχνευτής. Με τη σύνδεση και δεύτερης χρωματογραφικής στήλης σε σειρά επιτυγχάνεται καλύτερος διαχωρισμός, ενώ με μια προστήλη αμέσως πριν τη χρωματογραφική στήλη αυξάνεται ο χρόνος ζωής της τελευταίας. 52

60 Μέρος ΙΙ: Πειραματικό 53

61 7. Υλικά που χρησιμοποιήθηκαν- μέθοδοι παρασκευής Παρασκευή δυαδικών και τριαδικών συστημάτων στερεών διασπορών Φελοδιπίνης και PVP/PEG, SOLUPLUS, KOLLIDON Για την παρασκευή των δυαδικών και τριαδικών συστημάτων στερεών διασπορών Φελοδιπίνης PVP/PEG, Φελοδιπίνης-SOLUPLUS και Φελοδιπίνης- KOLLIDON χρησιμοποιήθηκε κρυσταλλική Φελοδιπίνη με καθαρότητα 99,59 % η οποία χορηγήθηκε ευγενικά από την εταιρεία Pharmathen ABEE. 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%. Η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG) ήταν της εταιρίας Clariant (Germany) με μοριακό βάρος 400 g/mol (όπως υπολογίστηκε με βάση τις ακραίες υδροξυλικές ομάδες) και περιεκτικότητα σε υγρασία μικρότερη από 0.5%. Το SOLUPLUS προμηθεύτηκε από την εταιρία BASF, με θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης 70 ο C και μοριακό βάρος Το Kollidon SR ήταν της εταιρίας BASF, με k-value και Τ g 35 ο C. Όλα τα υπόλοιπα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν στις αναλυτικές μεθόδους, ήταν ίδιας καθαρότητας. 8. Παρασκευή μιγμάτων στερεής διασποράς Τα δυαδικά και τριαδικά συστήματα στερεών διασπορών Φελοδιπίνης που παρασκευάστηκαν φαίνονται παρακάτω. Για την παρασκευή τους χρησιμοποιήθηκε η τεχνική ανάμιξης τήγματος και ειδική συσκευή η οποία φαίνεται στην εικόνα 21. Αυτή αποτελείται από μία θερμαινόμενη κεφαλή ανάμιξης συνολικής φόρτωσης υλικού περίπου γραμμαρίων, ανάλογα με την πυκνότητα των υλικών. Η κεφαλή αποτελείται από 3 θερμαινόμενες ανοξείδωτες πλάκες από τις οποίες οι δύο αποσπώνται πλήρως ενώ στην σταθερή πλάκα βρίσκονται 2 κοχλίες. Η ενδιάμεση πλάκα φέρει 2 εσοχές μέσα στις οποίες γίνεται η ανάμιξη και ομογενοποίηση των υλικών με την περιστροφή των δύο κοχλιών. Για τον σκοπό αυτό οι κοχλίες έχουν ειδική διάταξη και περιστρέφονται με διαφορετική ταχύτητα. Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη τεχνική η δραστική ουσία Φελοδιπίνη και το αντίστοιχο έκδοχο, επακριβώς ζυγισμένα, προστίθενται από το πάνω μέρος της κεφαλής, γίνεται το κλείσιμο της μήτρας και αναμιγνύονται τα υλικά μηχανικά με συγκεκριμένη 54

62 ταχύτητα περιστροφής των κοχλιών. Η τήξη του μίγματος πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία 130 ο C για 10min και 30 rpm. Τα δείγματα μετά την απομάκρυνση από την συσκευή και την στερεοποίηση του τήγματος κονιοποιήθηκαν με άλεση και παρέμειναν σε ξηραντήρα στους 25 ο C έως την μελέτη τους. Εικόνα 21 Συσκευή ανάμιξης τήγματος η οποία χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή των συστημάτων στερεών διασπορών. Για την παρασκευή των στερεών διασπορών με τη φελοδιπίνη χρησιμοποιήθηκαν τα εξής πολυμερή: PVP/PEG 80/20 w/w, soluplus και kollidon. Για τα μίγματα φελοδιπίνης - PVP/PEG 80/20 w/w ζυγίστηκαν συνολικά 11g φαρμάκου και πολυμερούς, έτσι ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή αναλογία. Τα δείγματα που προέκυψαν είναι τα παρακάτω: PVP/PEG 80/20- φελοδιπίνη 95-5% w/w PVP/PEG 80/20- φελοδιπίνη 90-10% w/w 55

63 PVP/PEG 80/20- φελοδιπίνη 80-20% w/w PVP/PEG 80/20- φελοδιπίνη 70-30% w/w Για τα μίγματα φελοδιπίνης με soluplus και kollidon το τελικό βάρος ήταν 10g και προέκυψαν τα παρακάτω δείγματα: soluplus φελοδιπίνη 95-5% w/w soluplus φελοδιπίνη 90-10% w/w soluplus φελοδιπίνη 80-20% w/w soluplus φελοδιπίνη 70-30% w/w kollidon φελοδιπίνη 95-5% w/w kollidon φελοδιπίνη 90-10% w/w kollidon φελοδιπίνη 80-20% w/w kollidon φελοδιπίνη 70-30% w/w Χρόνος ανάμιξης: 10min Θερμοκρασία ανάμιξης: 130 o C Στροφές 30 rpm. 9. Μελέτη και χαρακτηρισμός των συστημάτων στερεών διασπορών Η μελέτη των συστημάτων αυτών πραγματοποιήθηκε με την χρήση των τεχνικών φασμάτων υπερύθρου - Fourier Transformation-Infrared Spectroscopy, Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης - Differential Scanning Calorimetry, περίθλασης ακτίνων Χ - Wide Angle X-Ray Diffractometry, και Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης- Scanning Electron Microscopy, 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 56

64 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 πιθανή παρουσία νανοκρυστάλλων της δραστικής. Τέλος, μελετήθηκε η in vitro απελευθέρωση της δραστικής ουσίας. Ο χαρακτηρισμός των συστημάτων στερεών διασπορών έγινε με τις μεθόδους που αναφέρθηκαν όπως αναλυτικά περιγράφεται παρακάτω. 9.1 Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης 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. Εικόνα 22. Όργανο διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης. 57

65 Για κάθε μέτρηση χρησιμοποιήθηκε 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 στους 0 o C με γρήγορη ψύξη και πραγματοποιείται μια δεύτερη σάρωση έως τους 170 o C χρησιμοποιώντας την ίδια ταχύτητα θέρμανσης. 9.2 Προσδιορισμός της φυσικής κατάστασης με χρήση περίθλασης ακτίνων- Χ Η λήψη φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ χρησιμοποιείται για την αναγνώριση των κρυσταλλικών ιδιοτήτων (δομή και αλλαγές) των καθαρών υλικών και των συστημάτων διασποράς. Η μελέτη με χρήση ακτίνων περίθλασης-χ πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου, στην περιοχή 2θ από 5 έως 50, χρησιμοποιώντας περιθλασίμετρο τύπου (Mini Flex II XRD Rigaku Co). Εικόνα 23. Περιθλασίμετρο ακτίνων- Χ. 9.3 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 58

66 υπερύθρου, ως φάσμα απορρόφησης, λαμβάνεται στην περιοχή από 450 έως 4000 cm -1 με ανάλυση 4 cm -1 και με 15 επαναλαμβανόμενες σαρώσεις. Εικόνα 24. Φασματοφωτόμετρο FT-IR 9.4 Λήψη μικροφωτογραφιών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης 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. 59

67 Εικόνα 25. Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο SEM τύπου Jeol (JMS-840) 9.5 In vitro αποδέσμευση της δραστικής ουσίας 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 προστίθενται σε καψάκια σκληρής ζελατίνης, στους καλαθίσκους, και με την σειρά τους αυτοί στα δοχεία. Ως μέσο διαλυτοποίησης χρησιμοποιήθηκαν 500ml ρυθμιστικού διαλύματος ph=1,2 για τις 2 πρώτες ώρες και ph=6,8 για τις υπόλοιπες με 2% επιφανειοδραστικό TWEEN 20 στους 37±1 o C. H συσκευή ρυθμίστηκε στις 100rpm. Σε προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα, δείγμα 5ml απομακρύνεται περνάει από φίλτρο (Millex-GV 0.22μm,Millipore) και αναλύεται ποσοτικά για την περιεκτικότητά του σε δραστική. Ο όγκος που παραλαμβάνεται ως δείγμα αντικαθίσταται από νέα ποσότητα του μέσου διάλυσης. Η αποδέσμευση μετρήθηκε 60

68 με μέθοδο υγρής χρωματογραφίας. Τα αποτελέσματα αποτελούν τις μέσες τιμές από τρία ξεχωριστά πειράματα. Εικόνα 26. Συσκευή διαλυτοποίησης-προσομοίωσης γαστρεντερικού σωλήνα. 9.6 Υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (ΗPLC) για τον προσδιορισμό της δραστικής που απελευθερώθηκε Ο προσδιορισμός της περιεκτικότητας σε δραστική των δειγμάτων, που λήφθηκαν μετά από παραμονή των δειγμάτων στη συσκευή διαλυτοποίησης για 24 61

69 ώρες, έγινε με συσκευή shimatzu HPLC 20A. Η ανάλυση έγινε με διαδικασία αντίστροφης φάσης με κατάλληλη στήλη C 18 στα 237nm. ΗPLC). Εικόνα 27. Συσκευή υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης (Shimatzu 62

70 Μέρος ΙΙΙ: Αποτελέσματα και συζήτηση 63

71 Heat flow (Endo Up) 10. Φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των συστημάτων στερεής διασποράς και φαρμακοτεχνικές ιδιότητες 10.1 Θερμική ανάλυση Η θερμική ανάλυση όλων των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν έγινε με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Σε όλες τις περιπτώσεις των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν απουσιάζει πλήρως η κορυφή τήξης της δραστικής ουσίας γεγονός που καταδεικνύει πως η δραστική ουσία φελοδιπίνη βρίσκεται σε άμορφη κατάσταση. Στο σχήμα 1 φαίνονται τα θερμογράμματα DSC για την καθαρή φελοδιπίνη, το soluplus και τις στερεές διασπορές Soluplus- φελοδιπίνη 95-5%, 90-10%, 80-20%, 70-30% w/w o C 55.2 o C 58 o C 64.7 o C 72 o C 78.5 o C Temperature ( o C) Soluplus Felo 5 wt% Felo 10 wt% Felo 20 wt% Felo 30 wt% Felodipine Σχήμα 1. Θερμογράμματα DSC της φελοδιπίνης, του soluplus και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/soluplus σε διάφορες αναλογίες. Η απουσία οποιασδήποτε κορυφής στο soluplus καθώς και στις στερεές διασπορές soluplus- φελοδιπίνης δείχνει ότι είναι άμορφα. Η φελοδιπίνη εμφανίζει θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Τ g ) στους 45,4 o C, ενώ το soluplus στους 78,5 o C. Τα συστήματα soluplus-φελοδιπίνης εμφανίζουν θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης μεταξύ των δυο αυτών τιμών, η οποία αυξάνεται καθώς αυξάνουμε την 64

72 Heat Flow (Endo Up) περιεκτικότητα σε soluplus, ξεκινώντας από τους 55,2 o C για τη στερεή διασπορά φελοδιπίνης/soluplus 30/70 και φτάνοντας στους 72 o C για τη διασπορά φελοδιπίνης/ soluplus 5/95. Τέτοιες μετατοπίσεις σε δυαδικά συστήματα αποτελούν ένδειξη μοριακών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δύο συστατικών και εμφάνιση μίας και μόνο θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης δείχνει ότι η φελοδιπίνη είναι πλήρως αναμίξιμη με το πολυμερές soluplus. Από την βιβλιογραφία αλλά και από προκαταρκτικές μελέτες είναι γνωστό ότι η φελοδιπίνη μπορεί να παρασκευαστεί πλήρως άμορφη μετά από απότομη ψύξη του τήγματός της σε υγρό άζωτο. Επίσης έχει αναφερθεί ότι η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης της φελοδιπίνης εξαρτάται από την θερμική της κατεργασία αλλά και την ταχύτητα ψύξης. Παρόμοια είναι και τα αποτελέσματα τα οποία λαμβάνονται από τη μελέτη των τριαδικών συστημάτων PVP-PEG-φελοδιπίνη (σχήμα 2). 60 o C o C 53.9 o C 52.4 o C 49 o C o C PVP/PEG Felo 5 wt% Felo 10 wt% Felo 20 wt% Felo 30 wt% Felodipine Temperature ( o C) Σχήμα 2. Θερμογράμματα DSC φελοδιπίνης, PVP-PEG και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/pvp-peg σε διάφορες αναλογίες. Όπως παρατηρήσαμε και παραπάνω η φελοδιπίνη παρουσιάζεται ως άμορφη στα θερμογράμματα DSC λόγω της απότομης ψύξης που υφίσταται. Από το σχήμα 2 το μίγμα PVP-PEG παρουσιάζεται επίσης άμορφο κάτι φυσικά που αναμενόταν αφού 65

73 Heat flow (Endo Up) η PVP και η PEG είναι υγρό. Για τον λόγο αυτό η PEG δρα ως πλαστικοποιητής και μειώνει σημαντικά τη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης της PVP. Έτσι ενώ η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης της καθαρής PVP είναι περίπου ο C αυτή μειώνεται στους 60 o C στο μίγμα PVP-PEG το οποίο περιέχει 20% κ.β. PEG. Όταν στο σύστημα αυτό προστίθεται φελοδιπίνη οι στερεές διασπορές φελοδιπίνης/pvp- PEG εμφανίζουν θερμοκρασίες υαλώδους μετάβασης ενδιάμεσες των θερμοκρασιών των καθαρών συστατικών, οι οποίες εξαρτώνται όμως άμεσα από τις περιεκτικότητες αυτών. Για περιεκτικότητα σε φελοδιπίνη 5% w/w η θερμοκρασία Τ g είναι 55,8 o C, ενώ για περιεκτικότητα 30% w/w η θερμοκρασία Τ g είναι 49 o C. Παρόμοια αμορφοποίηση του φαρμάκου λαμβάνει χώρα όταν αυτό αναμιγνύεται με το πολυμερικό υλικό kollidon SR. Όπως παρατηρούμε στο σχήμα 3 η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης της φελοδιπίνης είναι 45,4 o C, του kollidon είναι 45,2 o C ενώ στις στερεές διασπορές φελοδιπίνης/kollidon η θερμοκρασία Τ g παρατηρείται λίγο αυξημένη σε σχέση με τα δύο αυτά μεμονωμένα συστατικά και δεν υπάρχει εξάρτηση της περιεκτικότητας με τη μεταβολή της Τ g. Kollidon Felo 5 wt% Felo 10 wt% Felo 20 wt% Felo 30 wt% Felodipine 45.2 o C 46.2 o C 46.2 o C 46.4 o C 45.5 o C 45.4 o C Temperature ( o C) Σχήμα 3. Θερμογράμματα DSC της φελοδιπίνης, του kollidon και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/kollidon σε διάφορες αναλογίες. 66

74 Intensity (cps) 10.2 XRD Για να επιβεβαιώσουμε τα αποτελέσματα του DSC και να αποκλείσουμε το ενδεχόμενο ύπαρξης του φαρμάκου σε κρυσταλλική φάση στις στερεές διασπορές τα συστήματα αυτά μελετήθηκαν με περίθλαση ακτίνων-x και τα αποτελέσματα δίνονται στα σχήμα 4. Αυτό έγινε αφού πολλές φορές κατά τη θέρμανση των φαρμάκων σε μία πολυμερική μήτρα είναι δυνατόν το φάρμακο, παρόλο που βρίσκεται σε κρυσταλλική κατάσταση, να διαλυθεί στο τήγμα του πολυμερούς και να μην εμφανιστεί η θερμοκρασία τήξης του. Felodipine Soluplus Fel/Sol 5/95 Fel/Sol 10/90 Fel/Sol 20/80 Fel/Sol 30/ theta (deg) Σχήμα 4. Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων- Χ της καθαρής φελοδιπίνης, του soluplus και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ soluplus Από τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων- Χ φαίνεται χαρακτηριστικά ότι η φελοδιπίνη είναι κρυσταλλική και εμφανίζει χαρακτηριστικές κορυφές ενώ το soluplus είναι άμορφο παρουσιάζοντας μόνο δύο ευρείες κορυφές, χαρακτηριστικές 67

75 Intensity (cps) ενός άμορφου υλικού. Οι στερεές διασπορές φελοδιπίνης/soluplus 5/95, 10/90, 20/80 και 30/70 % w/w εμφανίζουν επίσης δύο ευρείες κορυφές. Σε κανένα από τα ακτινογραφήματα δεν παρατηρείται κάποια από τις κορυφές της φελοδιπίνης γεγονός που συνηγορεί με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, ότι τα δείγματα των στερεών διασπορών που προέκυψαν με την χρήση της μεθόδου τήγματος με την κεφαλή ανάμιξης, τείνουν να εμφανίζουν άμορφο χαρακτήρα για την δραστική ουσία φελοδιπίνη. Felodipine PVPPEG Fel/PVPPEG 5/95 Fel/PVPPEG 10/90 Fel/PVPPEG 20/80 Fel/PVPPEG 30/ theta (deg) Σχήμα 5. Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων- Χ της καθαρής φελοδιπίνης, του PVP- PEG και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ PVP-PEG. Όπως παρατηρούμε στο σχήμα 5 το PVP-PEG όπως και τα συστήματα στερεών διασπορών φελοδιπίνης/pvp-peg 5/95, 10/90, 20/80 και 30/70 % w/w εμφανίζουν εξίσου μόνο δύο ευρείες κορυφές. Καμία χαρακτηριστική κορυφή της φελοδιπίνης δεν παρατηρήθηκε στα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/pvp-peg. 68

76 Intensity (cps) Felodipine Kollidone Fel/Kol 5/95 Fel/Kol 10/90 Fel/Kol 20/80 Fel/Kol 30/ theta (deg) Σχήμα 6. Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων- Χ της καθαρής φελοδιπίνης, του Kollidon και των στερεών διασπορών φελοδιπίνης/ Kollidon. Από τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων- Χ του σχήματος 6 παρατηρούμε ότι το Kollidon είναι άμορφο όπως επίσης και οι στερεές διασπορές φελοδιπίνης/ Kollidon 5/95, 10/90, 20/80 και 30/70 και εμφανίζουν δύο ευρείες κορυφές. Κατά συνέπεια και με την παραπάνω τεχνική της περίθλασης ακτίνων- Χ επιβεβαιώθηκε ότι τα συστήματα στερεής διασποράς φελοδιπίνης/ soluplus, φελοδιπίνης/ PVP-PEG, Φελοδιπίνης/ Kollidon είναι εντελώς άμορφα Μελέτη συστημάτων με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) είναι μια τεχνική που μπορεί να δώσει πληροφορίες για τη μορφή των κρυστάλλων και το μέγεθος των σωματιδίων των καθαρών ενώσεων, καθώς επίσης και τη μορφολογία τους στις στερεές διασπορές. Επιπλέον, μπορεί να απεικονίσει με ακρίβεια την τοπογραφία της επιφάνειας, χωρίς όμως την αποκάλυψη της τρισδιάστατης δομής αφού δεν υπάρχει η δυνατότητα διείσδυσης στο εσωτερικό του δείγματος. Προκειμένου να ερευνηθεί η 69

77 μορφολογία των υλικών και για να προσδιοριστούν αυτά τα μεγέθη, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Από τα προηγούμενα πειράματα, διαπιστώθηκε ότι σε όλα τα συστήματα στερεής διασποράς που μελετήσαμε η δραστική ουσία βρίσκεται σε άμορφη κατάσταση και όχι σε κρυσταλλική. Οι δραστικές στις άμορφες στερεές διασπορές μπορούν να εμφανίζονται σε δύο καταστάσεις: μοριακά διασκορπισμένες, που είναι και το πιο επιθυμητό δεδομένου ότι μπορεί να επιτευχθεί το υψηλότερο ποσοστό διάλυσης ή σε νανοδιασπορά με μεγέθη σωματιδίων μικρότερα από 1μm. Οι δύο καταστάσεις (μοριακής διασποράς και νανοδιασποράς) είναι δύσκολο να χαρακτηριστούν ή να διαφοροποιηθούν με τις συμβατικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν. Κατά συνέπεια προκειμένου να καθοριστεί η μορφολογία των στερεών διασπορών μας χρησιμοποιήθηκε η τεχνική SEM. Εικόνα 28. Μικρογραφία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των δειγμάτων στερεής διασποράς PVP/PEG μετά από άλεση. 70

78 Από την μικροφωτογραφία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης όπως αύτη πάρθηκε μακροσκοπικά, μπορούμε να αναγνωρίσουμε την πολυμερική μήτρα που χρησιμοποιήθηκε χωρίς όμως να διακρίνονται πουθενά κρύσταλλοι της δραστικής που χρησιμοποιήθηκε. Μεγαλώνοντας την ανάλυση στην λήψη των φωτογραφιών παρατηρούμε στην επιφάνεια των πολυμερικών τμημάτων σφαιρικά σωματίδια να προεξέχουν από την πολυμερική μήτρα με μέγεθος μικρότερο από 1μm (εικόνα 29). Η στοιχειακή ανάλυση που πραγματοποιήθηκε σε αυτούς αποδεικνύει πως περιέχουν σε μεγάλο βαθμό χλώριο, στοιχείο που βρίσκεται στην χημική δομή της δραστικής ουσίας που χρησιμοποιούμε (Φελοδιπίνη). Άρα αντιλαμβανόμαστε πως με την χρήση της κεφαλής ανάμιξης τήγματος ως μέσο παρασκευής στερεών διασπορών για την Φελοδιπίνη επιτεύχθηκε η δημιουργία συστημάτων διασποράς στις οποίες η Φελοδιπίνη χάνει σχεδόν ολοκληρωτικά την κρυσταλλική της δομή. Μάλιστα η απώλεια της κρυσταλλικής δομής επιτυγχάνεται σε τέτοιο βαθμό ώστε να μην είναι δυνατή η ανίχνευσή της πιθανής ύπαρξης κρυσταλλικότητας με τις κλασικές μεθόδους χαρακτηρισμού των συστημάτων διασποράς όπως η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης και η κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ. Μάλιστα από την Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης αποδεικνύεται ότι παρόλο που η φελοδιπίνη σχηματίζει πλήρως αναμίξιμα συστήματα με το πολυμερές, αυτή δεν διασπείρεται σε μοριακό επίπεδο αλλά σε συσσωματώματα μεγέθους μικρότερο από 1 μm. Άρα συνειρμικά από μια τέτοια διαδικασία αναμένεται και η βελτίωση της διαλυτότητας της δραστικής όπως αυτή θα αποδειχθεί παρακάτω και στα πειράματα της in vitro απελευθέρωσής της. Με την χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας επιτεύχθηκε κάτι ακόμα αρκετά σημαντικό. Αποδεικνύεται πως η μέθοδος αυτή μπορεί συμπληρωματικά να χρησιμοποιηθεί στον χαρακτηρισμό των στερεών διασπορών καθώς υπερτερεί σε σχέση με το DSC και το XRD στην ικανότητα ανίχνευσης της πιθανής κρυσταλλικής δομής της δραστικής. Εν τέλει με την χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μπορούμε να έχουμε μια σαφή απάντηση για το αν η μέθοδος που χρησιμοποιήσαμε για την παρασκευή των δειγμάτων οδηγεί στον σχηματισμό μοριακών διασπορών ή νανοδιασπορών της δραστικής ουσίας στην πολυμερική μήτρα. Παρόμοια είναι τα αποτελέσματα και για τις υπόλοιπες πολυμερικές μήτρες. 71

79 Εικόνα 29. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, λήψη επιφάνειας πολυμερικής μήτρας. Σχήμα 7. Στοιχειακή ανάλυση πολυμερικών τμημάτων. 72