Optimization of Silicone Elastomer Formulations for Two Controlled Release Drug Delivery Products
Känkänen, Voitto (2015)
Känkänen, Voitto
2015
Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-08-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201507291443
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201507291443
Tiivistelmä
The goal of controlled release (CR) is to improve the spatial and temporal presentation of an active pharmaceutical ingredient (API) in the body. It can, for example, reduce the systemic side effects of a drug, facilitate its absorption to the body and improve patient compliance and convenience.
Polymers play an essential role in CR technology. Silicone polymers have been used as biomaterials for decades thanks to their biocompatibility and biostability and they have also found their place in controlled release applications. Elastomer materials are usually compounded with large amounts of fillers to improve their properties. The most common filler for silicone elastomers is amorphous silica (silicon dioxide), which is mainly used to improve the mechanical properties of the material.
In this work, the effect of silica concentration of a silicone elastomer on the drug release rate from two diffusion-controlled drug delivery devices is studied. The elastomer material acts as a diffusion-controlling membrane in these two products. The goals of this thesis work were, firstly, to find a material composition that could be used for the two products and, secondly, to create a simple empirical model that could be used to predict drug release rates from the products. The performance of this material was also compared with materials that were currently in use.
The specimen manufacturing process consisted of typical elastomer processing, such as mixing, extrusion and heat vulcanization as well as product-specific assembly methods. Through material and specimen characterization and in vitro release rate analysis, suitable material compositions were found and successful statistical models created, explaining up to 97% of variance in drug release rate, depending on the studied time point and API. For one of the two active ingredients studied, it was found that the storage time between manufacturing and use must be controlled due to different diffusional properties of the API. This thesis acted as a step towards the introduction of these materials into product manufacturing. Kontrolloidulla lääkeannostelulla (Controlled Release Drug Delivery) pyritään lääkeaineen annostelupaikan, -ajan ja -nopeuden optimointiin. Sen avulla voidaan muun muassa vähentää lääkkeen systeemisiä sivuvaikutuksia, parantaa lääkkeen imeytymistä elimistöön ja edistää potilaiden hoitomyöntyvyyttä.
Polymeerit ovat hyvin keskeisessä osassa kontrolloidun lääkeannostelun tekniikassa. Silikonipolymeerejä on käytetty laajalti biomateriaaleina jo kymmeniä vuosia niiden biokompatibiliteetin ja biostabiilisuuden ansiosta ja niitä on hyödynnetty myös kontrolloidun lääkeannostelun sovelluksissa. Kuten elastomeerimateriaaleihin yleisesti, myös silikonielastomeereihin sekoitetaan merkittäviä määriä täyteaineita materiaalin ominaisuuksien parantamiseksi. Silikonielastomeereilla yleisin käytetty täyteaine on amorfinen silika (piidioksidi), jota käytetään pääasiassa materiaalin mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi.
Tässä työssä tutkittiin silikonielastomeerin silikapitoisuuden vaikutusta lääkeaineen vapautumisnopeuteen kahdesta eri tuotteesta, joissa materiaali toimii diffuusiota kontrolloivana membraanina. Lisäksi materiaalia verrattiin jo käytössä oleviin silikonielastomeereihin. Työn tavoitteena oli yhtäältä löytää materiaalikoostumus, joka mahdollistaisi materiaalin käyttämisen molemmissa valmisteissa ja toisaalta luoda yksinkertainen empiirinen malli, joka kuvaisi materiaalin täyteainepitoisuuden vaikutusta tuotespesifiseen lääkeaineen vapautumisnopeuteen.
Näytteenvalmistuksessa käytettiin tyypillisiä elastomeerien prosessointimenetelmiä, kuten sekoitusta, ekstruusiota ja lämpövulkanointia sekä tuotteille ominaisia kokoonpanomenetelmiä. Materiaalien karakterisoinnin ja tuotenäytteiden in vitro vapautumisnopeusanalyysien avulla löydettiin käyttökelpoinen materiaalikoostumus molemmille tuotteille. Lisäksi toisella tuotteista havaittiin, että tuotteiden varastointiaikaa ennen käyttöä on kontrolloitava kyseisen lääkeaineen diffuusio-ominaisuuksien vuoksi. Vapautumisnopeutta mallinnettiin onnistuneesti lineaarisella regressiolla täyteainepitoisuuden sekä tuotteen dimensioita kuvaavan tekijän funktiona. Mallit pystyivät käytetystä lääkeaineesta ja aikapisteestä riippuen selittämään jopa 97 % vapautumisnopeuden varianssista. Työ toimi askeleena kohti materiaalien käyttöönottoa.
Polymers play an essential role in CR technology. Silicone polymers have been used as biomaterials for decades thanks to their biocompatibility and biostability and they have also found their place in controlled release applications. Elastomer materials are usually compounded with large amounts of fillers to improve their properties. The most common filler for silicone elastomers is amorphous silica (silicon dioxide), which is mainly used to improve the mechanical properties of the material.
In this work, the effect of silica concentration of a silicone elastomer on the drug release rate from two diffusion-controlled drug delivery devices is studied. The elastomer material acts as a diffusion-controlling membrane in these two products. The goals of this thesis work were, firstly, to find a material composition that could be used for the two products and, secondly, to create a simple empirical model that could be used to predict drug release rates from the products. The performance of this material was also compared with materials that were currently in use.
The specimen manufacturing process consisted of typical elastomer processing, such as mixing, extrusion and heat vulcanization as well as product-specific assembly methods. Through material and specimen characterization and in vitro release rate analysis, suitable material compositions were found and successful statistical models created, explaining up to 97% of variance in drug release rate, depending on the studied time point and API. For one of the two active ingredients studied, it was found that the storage time between manufacturing and use must be controlled due to different diffusional properties of the API. This thesis acted as a step towards the introduction of these materials into product manufacturing.
Polymeerit ovat hyvin keskeisessä osassa kontrolloidun lääkeannostelun tekniikassa. Silikonipolymeerejä on käytetty laajalti biomateriaaleina jo kymmeniä vuosia niiden biokompatibiliteetin ja biostabiilisuuden ansiosta ja niitä on hyödynnetty myös kontrolloidun lääkeannostelun sovelluksissa. Kuten elastomeerimateriaaleihin yleisesti, myös silikonielastomeereihin sekoitetaan merkittäviä määriä täyteaineita materiaalin ominaisuuksien parantamiseksi. Silikonielastomeereilla yleisin käytetty täyteaine on amorfinen silika (piidioksidi), jota käytetään pääasiassa materiaalin mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi.
Tässä työssä tutkittiin silikonielastomeerin silikapitoisuuden vaikutusta lääkeaineen vapautumisnopeuteen kahdesta eri tuotteesta, joissa materiaali toimii diffuusiota kontrolloivana membraanina. Lisäksi materiaalia verrattiin jo käytössä oleviin silikonielastomeereihin. Työn tavoitteena oli yhtäältä löytää materiaalikoostumus, joka mahdollistaisi materiaalin käyttämisen molemmissa valmisteissa ja toisaalta luoda yksinkertainen empiirinen malli, joka kuvaisi materiaalin täyteainepitoisuuden vaikutusta tuotespesifiseen lääkeaineen vapautumisnopeuteen.
Näytteenvalmistuksessa käytettiin tyypillisiä elastomeerien prosessointimenetelmiä, kuten sekoitusta, ekstruusiota ja lämpövulkanointia sekä tuotteille ominaisia kokoonpanomenetelmiä. Materiaalien karakterisoinnin ja tuotenäytteiden in vitro vapautumisnopeusanalyysien avulla löydettiin käyttökelpoinen materiaalikoostumus molemmille tuotteille. Lisäksi toisella tuotteista havaittiin, että tuotteiden varastointiaikaa ennen käyttöä on kontrolloitava kyseisen lääkeaineen diffuusio-ominaisuuksien vuoksi. Vapautumisnopeutta mallinnettiin onnistuneesti lineaarisella regressiolla täyteainepitoisuuden sekä tuotteen dimensioita kuvaavan tekijän funktiona. Mallit pystyivät käytetystä lääkeaineesta ja aikapisteestä riippuen selittämään jopa 97 % vapautumisnopeuden varianssista. Työ toimi askeleena kohti materiaalien käyttöönottoa.