Insights into the swelling process and drug release mechanisms from cross-linked pectin/high amylose starch matrices

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Síntese e caracterização de hidrogéis nanoestruturados contendo nanoargila e zeólita com potencialidade de aplicação em sistemas de liberação controlada de fármacos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Polymeric Nanoparticles as Oral Delivery Systems for Encapsulation and Release of Polyphenolic Compounds: Impact on Quercetin Antioxidant Activity & Bioaccessibility

A delivery system containing polymeric (Eudragit) nanoparticles has been developed for encapsulation and controlled release of bioactive flavonoids (quercetin). Nanoparticles were fabricated using a solvent displacement method. Particle size, morphology, and charge were measured by light scattering, electron microscopy and zeta-potential. Encapsulation efficiency (EE) and release profiles were determined using electrochemical methods. Molecular interactions within the particle matrix were characterized by X-ray diffraction, differential scanning calorimetry, and infrared spectroscopy. Antioxidant properties of free and encapsulated quercetin were analyzed by TBARS and fluorescence spectroscopy. Bioaccessibility of quercetin was evaluated using an in vitro digestion model. Relatively small (d a parts per thousand aEuro parts per thousand 370 nm) anionic polymeric nanoparticles were formed containing quercetin in a non-crystalline form (EE a parts per thousand aEuro parts per thousand 67 %). The main interaction between quercetin and Eudragit was hydrogen bonding. Encapsulated quercetin remained stable during 6 months storage and maintained its antioxidant activity. Quercetin bioaccessibility within simulated small intestinal conditions was improved by encapsulation. The knowledge obtained from this study will facilitate the rational design and fabrication of polymeric nanoparticles as oral delivery systems for encapsulation, protection, and release of bioactive compounds.

Sustained-release formulations for compounds underlying intestinal drug efflux

ZusammenfassungDie Sekretion von Arzneistoffen aus Darmzellen zurück ins Darmlumen, die durch intestinale Transporter wie P-Glykoprotein (P-GP) vermittelt wird, stellt eine bekannte Quelle für unvollständige und variable Bioverfügbarkeiten und für Interaktionen mit anderen Arzneimitteln und Nahrungsbestandteilen dar. Dennoch liegen bisher keine Veröffentlichungen vor, die sich mit daraus resultierenden Konsequenzen für die Entwicklung neuer peroraler Darreichungsformen befassen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, deutlich zu machen, dass dem Auftreten von intestinalen Sekretionsphänomenen bei der Entwicklung von Retardarzneimitteln Rechnung getragen werden muss.Dazu wurden effektive Permeabilitäten für den Modellarzneistoff Talinolol in unterschiedlichen Darmabschnitten anhand eines Rattendarmperfusionsmodells bestimmt.Des weiteren wurde eine Retardformulierung für den Modellarzneistoff Talinolol entwickelt. Dabei wurde gezeigt, dass die Verwendung unterschiedlicher Puffer als Wirkstofffreisetzungmedien zur Ausbildung unterschiedlicher Talinolol-Kristallstrukturen führt.Die neu entwickelten Retardmatrixtabletten wurden mit Hilfe des Pharmakokinetik-Computersoftwareprogrammes Gastro Plus® evaluiert. Das Zusammenspiel von verlangsamter Wirkstofffreigabe aus der Arzneiform und intestinaler Sekretion führte zu einer deutlich verringerten Bioverfügbarkeit der Modellsubstanz Talinolol aus der Retardformulierung im Vergleich zu schnellfreisetzenden Arzneiformen.Daher sollte der Einfluß intestinaler sekretorischer Transporter wie P-GP bei der Entwicklung von Retardarzneiformen unbedingt berücksichtigt werden.

Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.

Effects of local continuous release of brain derived neurotrophic factor (BDNF) on peripheral nerve regeneration in a rat model

The purpose of this study was to evaluate the effect of continuously released BDNF on peripheral nerve regeneration in a rat model. Initial in vitro evaluation of calcium alginate prolonged-release-capsules (PRC) proved a consistent release of BDNF for a minimum of 8 weeks. In vivo, a worst case scenario was created by surgical removal of a 20-mm section of the sciatic nerve of the rat. Twenty-four autologous fascia tubes were filled with calcium alginate spheres and sutured to the epineurium of both nerve ends. The animals were divided into 3 groups. In group 1, the fascial tube contained plain calcium alginate spheres. In groups 2 and 3, the fascial tube contained calcium alginate spheres with BDNF alone or BDNF stabilized with bovine serum albumin, respectively. The autocannibalization of the operated extremity was clinically assessed and documented in 12 additional rats. The regeneration was evaluated histologically at 4 weeks and 10 weeks in a blinded manner. The length of nerve fibers and the numbers of axons formed in the tube was measured. Over a 10-week period, axons have grown significantly faster in groups 2 and 3 with continuously released BDNF compared to the control. The rats treated with BDNF (groups 2 and 3) demonstrated significantly less autocannibalization than the control group (group 1). These results suggest that BDNF may not only stimulate faster peripheral nerve regeneration provided there is an ideal, biodegradable continuous delivery system but that it significantly reduces the neuropathic pain in the rat model.

R-type Ca2+ currents evoke transmitter release at a rat central synapse

Voltage-dependent Ca2+ currents evoke synaptic transmitter release. Of six types of Ca2+ channels, L-, N-, P-, Q-, R-, and T-type, only N- and P/Q-type channels have been pharmacologically identified to mediate action-potential-evoked transmitter release in the mammalian central nervous system. We tested whether Ca2+ channels other than N- and P/Q-type control transmitter release in a calyx-type synapse of the rat medial nucleus of the trapezoid body. Simultaneous recordings of presynaptic Ca2+ influx and the excitatory postsynaptic current evoked by a single action potential were made at single synapses. The R-type channel, a high-voltage-activated Ca2+ channel resistant to L-, N-, and P/Q-type channel blockers, contributed 26% of the total Ca2+ influx during a presynaptic action potential. This Ca2+ current evoked transmitter release sufficiently large to initiate an action potential in the postsynaptic neuron. The R-type current controlled release with a lower efficacy than other types of Ca2+ currents. Activation of metabotropic glutamate receptors and γ-aminobutyric acid type B receptors inhibited the R-type current. Because a significant fraction of presynaptic Ca2+ channels remains unidentified in many other central synapses, the R-type current also could contribute to evoked transmitter release in these synapses.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

3D culture of bone-derived cells immobilised in alginate following light-triggered gelation

Photoreactive liposomes have been exploited as a means of developing 3D tissue constructs. Liposomes formulated using the photosensitive lipid 1,2-bis(4-(n-butyl)phenylazo-4′-phenylbutyroyl)phosphatidylcholine (Bis Azo PC), which undergoes conformational change on stimulation with long wavelength ultraviolet light, were prepared with entrapped CaCl2 before being incorporated into a 4% alginate solution. It was shown that stimulation of the photosensitive lipid using a light emitting diode (LED) (peak emission at 385 nm, dose equivalent to 9 mJ/cm2) caused the release of liposome-entrapped CaCl2, resulting in cross-linking of the alginate solution and immobilisation of bone-derived cells over a range of seeding densities, approximately 97% of which remained viable for periods of up to 14 days in culture. Entrapment volumes of a variety of liposome types were evaluated and interdigitating fusion vesicles were identified as having the highest payload (24%), however the inclusion of cholesterol as a means of shifting Bis Azo PC sensitivity into the visible light wavelengths resulted in an approximately 10-fold reduction in calcium entrapment. This application of light-sensitised liposomes offers the potential to create complex tissue engineering substrates containing cells immobilised in precise locations, in contrast with substrates onto which cells are seeded post-production. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Hydrogel formulation for enhanced regeneration in cell transplantation

Myocardial cell transplantation can compensate for the loss of necrotic cardiomyocytes. The objective of this research study was to reformulate the hydrogel with concentrations of growth factors, such as Leukemia Inhibitory Factor (LIF), Hepatocyte Growth Factor (HGF), and Interleukin-6 (IL-6). A controlled delivery system of PEO-PPO-PEO was formulated for release of a single growth factor and of multiple growth factors. Cytotoxicity and proliferation assay for single growth factors starting with 4000 skeletal myoblasts yielded their highest proliferation at 4 days with HGF (25,500 cells) and LIF (42,000 cells), while IL-6 (115,000 cells) generated its highest proliferation at 5 days. Combination of LIF and IL-6 resulted in highest proliferation at day 2 (220,000 cells), HGF and LIF (108,000 cells), and HGF and IL-6 (80,000 cells) both at 5 days. Viability at 37°C was maintained during the five days at 98-99%. The formulation was successful in myotube formation while maintaining a high purity of myoblasts in culture. The new formulation induced controlled release of growth factors and skeletal myoblasts delivery under favorable conditions while increasing the proliferation of myoblasts.

Développement d’une lentille cornéenne médicamentée

L’utilisation de lentilles cornéennes peut servir à améliorer le profil d’administration d’un principe actif dans les yeux. Avec une efficacité d’administration de 5% par l’utilisation de gouttes, on comprend rapidement que l’administration oculaire doit être améliorée. Cette faible administration a donné naissance à plusieurs tentatives visant à fabriquer des lentilles cornéennes médicamentées. Cependant, à cause de multiples raisons, aucune de ces tentatives n’a actuellement été mise sur le marché. Nous proposons dans cette étude, une possible amélioration des systèmes établis par le développement d’une lentille cornéenne à base de 2-(hydroxyéthyle)méthacrylate (HEMA), dans laquelle des microgels, à base de poly N-isopropylacrylamide (pNIPAM) thermosensible encapsulant un principe actif, seront incorporé. Nous avons donc débuté par développer une méthode analytique sensible par HPCL-MS/MS capable de quantifier plusieurs molécules à la fois. La méthode résultante a été validée selon les différents critères de la FDA et l’ICH en démontrant des limites de quantifications et de détections suffisamment basses, autant dans des fluides simulés que dans les tissus d’yeux de lapins. La méthode a été validée pour sept médicaments ophtalmiques : Pilocarpine, lidocaïne, proparacaïne, atropine, acétonide de triamcinolone, timolol et prednisolone. Nous avons ensuite fait la synthèse des microgels chargés négativement à base de NIPAM et d’acide méthacrylique (MAA). Nous avons encapsulé une molécule modèle dans des particules ayant une taille entre 200 et 600 nm dépendant de la composition ainsi qu’un potentiel zêta variant en fonction de la température. L’encapsulation de la rhodamine 6G (R6G) dans les microgels a été possible jusqu’à un chargement (DL%) de 38%. L’utilisation des isothermes de Langmuir a permis de montrer que l’encapsulation était principalement le résultat d’interactions électrostatiques entre les MAA et la R6G. Des cinétiques de libérations ont été effectuées à partir d’hydrogels d’acrylamide chargés en microgels encapsulant la R6G. Il a été trouvé que la libération des hydrogels chargés en microgels s’effectuait majoritairement selon l’affinité au microgel et sur une période d’environ 4-24 heures. La libération à partir de ces systèmes a été comparée à des formules d’hydrogels contenant des liposomes ou des nanogels de chitosan. Ces trois derniers (liposomes, microgels et nanogels) ont présenté des résultats prometteurs pour différentes applications avec différents profils de libérations. Enfin, nous avons transposé le modèle développé avec les gels d’acrylamide pour fabriquer des lentilles de contact de 260 à 340 µm d’épaisseur à base de pHEMA contenant les microgels avec une molécule encapsulée devant être administrée dans les yeux. Nous avons modifié la composition de l’hydrogel en incorporant un polymère linéaire, la polyvinylpyrrolidone (PVP). L’obtention d’hydrogels partiellement interpénétrés améliore la rétention d’eau dans les lentilles cornéennes. L’encapsulation dans les microgels chargés négativement a donné de meilleurs rendements avec la lidocaïne et cette dernière a été libérée de la lentille de pHEMA en totalité en approximativement 2 heures qu’elle soit ou non encapsulée dans des microgels. Ainsi dans cette étude pilote, l’impact des microgels n’a pas pu être déterminé et, de ce fait, nécessitera des études approfondies sur la structure et les propriétés de la lentille qui a été développée. En utilisant des modèles de libération plus représentatifs de la physiologie de l’œil, nous pourrions conclure avec plus de certitude concernant l’efficacité d’un tel système d’administration et s’il est possible de l’optimiser.

STUDIES OF FUNCTIONALIZED NANOPARTICLES FOR SMART SELF-ASSEMBLY AND AS CONTROLLED DRUG DELIVERY

This dissertation is related to the studies of functionalized nanoparticles for self-assembly and as controlled drug delivery system. The whole topic is composed of two parts. In the first part, the research was conducted to design and synthesize a new type of ionic peptide-functionalized copolymer conjugates for self-assembly into nanoparticle fibers and 3D scaffolds with the ability of multi-drug loading and governing the release rate of each drug for tissue engineering. The self-assembly study confirmed that such peptide-functionalized amphiphilic copolymers underwent different self-assembly behavior. The bigger nanoparticles were more easily assembled into nanoparticle fibers and 3D scaffolds with larger pore size, while the smaller nanoparticle underwent faster self-assembly to form more compact 3D scaffolds with smaller porosity but more stable structure. Controlled release studies confirmed the ability of governing simultaneous release of different model drugs with independent release rate from a same scaffold. Cytotoxicity tests showed that all synthesized peptides, copolymers and peptide-copolymer conjugates were biocompatible with SW-620 cell lines and NIH3T3 cell lines. This new type of self-assembled scaffolds combined the advantages of peptide nanofibers and versatile controlled release of polymeric nanoparticles to achieve simultaneous multi-drug loading and controlled release of each drug, uniform distribution and flexibility of hydrogel scaffolds. The investigations in second part were first to design and synthesize organic biocide-loaded nanoparticles for low-leaching wood preservation using a cost-effective one-pot method to synthesize amphiphilic chitosan-g-PMMA nanoparticles loading with ~25-28 wt.% of the fungicide tebuconazole with particle size of ~100 nm diameter by FESEM. FESEM analysis confirmed efficient penetration of nanoparticles throughout the treated wooden stake with dimension of 19 × 19 × 455 mm^3. Leaching studies showed that biocide introduced into sapwood via nanoparticles leached only ~9% compared with the amount leached from tebuconazole solution-treated control, while soil jar tests showed that the nanoparticle-treated wood blocks were effectively protected from biological decay tested against G. trabeum, a brown rot fungus. Copper oxide nanoparticles with and without polymer stabilizers were also investigated to use as inorganic wood preservatives to clarify the factor affecting copper leaching from treated wood. Copper oxide nanoparticles with uniform diameters of ~10 nm and ~50 nm were prepared, and the leachates from southern pine sapwood treated with these nanoparticles were analyzed. It was found by TEM and EDS analysis that significant numbers of nanoparticles leached from the treated wood. The 50 nm nanoparticles leached slightly less than a soluble copper salt control, but 10 nm nanoparticles leached substantially more than the control. The effect of polymer stabilizers on nanoparticle leaching was also investigated. Results showed that polymer stabilizers increased leaching. The trends showed that nanoparticle size was a major factor in copper leaching.