Polymer microsphere formulation techniques for drug delivery applications

Abstract

Biodegradable polymer microspheres enable sustained and controlled release of drugs in the body. Many processing parameters influence microsphere properties such as encapsulation efficiency and drug release. There is still lack of research on the microsphere formulation techniques and the processing parameters influencing them. Therefore, in this work, two microsphere formulation methods with different processing parameters were investigated. In this study, the microspheres were prepared from biodegradable poly(lactide-co-glycolide acid) (PLGA) polymer. The microspheres were formulated using the emulsification/solvent evaporation method and the microfluidic method. Both single and double emulsions were prepared using these methods. The studied processing parameters included different polymer concentrations, stirring speed, model compound loads, solvents, and molecular weights of the polymer. Encapsulation efficiency was investigated by encapsulating two model compounds (fluorescein isothiocyanate (FITC) dextran and coumarin 6). In vitro release studies were performed on the microspheres, to study the release of FITC dextran for over 100 days. The results showed that it was possible to encapsulate the model compounds with high encapsulation efficiencies (>90%). FITC dextran encapsulated more efficiently in double emulsion microspheres compared to single emulsion microspheres. The burst i.e., the release of the model compounds during the first incubation day, was higher for single emulsion microspheres compared to double emulsion microspheres. The microfluidic method was unsuccessful in the encapsulation of FITC dextran. Coumarin 6 was encapsulated by the microfluidic process, but the encapsulation efficiency was only half of the encapsulation efficiency achieved by the emulsification/solvent evaporation method. The single emulsion microspheres prepared by microfluidics were more monodisperse than those prepared by the emulsification method.

Biohajoavat polymeerimikropartikkelit mahdollistavat lääkeaineen pitkäaikaisen ja kontrolloidun vapautumisen elimistössä. Monet prosessiparametrit vaikuttavat mikropartikkeleiden ominaisuuksiin, kuten kapselointitehokkuuteen ja lääkeaineen vapautumiseen. Mikropartikkeleiden valmistusmenetelmistä ja niihin vaikuttavista prosessiparametreistä ei ole vielä tarpeeksi tutkimustietoa. Siksi tässä työssä tutkittiin kahta mikropartikkeleiden valmistusmenetelmää erilaisin prosessiparametrein. Mikropartikkelit valmistettiin biohajoavasta polylaktidi-polyglykolidi (PLGA) -kopolymeeristä. Mikropartikkeleita valmistettiin sekä perinteisellä emulsio/liuottimen haihdutus -menetelmällä, että mikrofluidistisella menetelmällä. Molemmilla menetelmillä valmistettiin sekä yksittäis- että kaksoisemulsioita. Prosessiparametrit, joita tutkittiin, olivat muun muassa polymeerikonsentraatio, sekoitusnopeus, malliaineen konsentraatio, käytetty liuotin ja polymeerin moolimassa. Kapselointitehokkuutta tutkittiin kapseloimalla kahta malliainetta (Fluoreseiini-isotiosyanaatti (FITC) dekstraani ja coumarin 6). Mikropartikkeleille suoritettiin vapautumistutkimukset, jossa FITC dekstraanin vapautumista tutkittiin yli 100 päivän ajan. Tulokset osoittivat, että malliaineet oli mahdollista kapseloida korkein kapselointitehokkuuksin (>90 %). Malliaine kapseloitui tehokkaammin kaksoisemulsiopartikkeleihin kuin yksittäisemulsiopartikkeleihin. Burst eli ensimmäisen päivän aikana tapahtunut malliaineen vapautuminen oli suurempaa yksittäisemulsiopartikkeleilla kuin kaksoisemulsiopartikkeleilla. Mikrofluidistiikalla ei onnistuttu kapseloimaan FITC dekstraania. Coumarin 6 kapseloitui mikrofluidistisella prosessilla, mutta kapselointitehokkuus oli noin puolet siitä, mitä emulsiomenetelmällä saavutettiin. Mikrofluidistiikalla valmistetut yksittäisemulsiopartikkelit olivat tasalaatuisempia kuin emulsiomenetelmällä valmistetut.