Transdermal systems based on lactic acid for active principles delivery

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaAo longo dos últimos anos a administração por via transdérmica tem sido foco de estudo intensivo das áreas farmacêutica e biomédica, procurando resolver limitações de outras vias de administração. Os sistemas transdérmicos permitem a libertação de quantidades terapêuticas de forma localizada e prolongada, com vantagens no controlo dos níveis do princípio ativo no plasma sanguíneo. Contudo neste processo há que ultrapassar a barreira imposta pela pele, o que pode exigir a utilização de promotores de permeação.O ácido lático (AL) e os seus copolímeros vêm a ser considerados como materiais muito atrativos para as áreas biomédica e farmacêutica, por serem biodegradáveis, biocompatíveis e estáveis. Recentemente tem-se investigado a produção de adesivos cirúrgicos fotopolimerizáveis e de filmes para sistemas transdérmicos. Às redes poliméricas destes filmes podem ser adicionados princípios ativos controlando-se os perfis de libertação em função da estrutura dos materiais, do teor de gel e hidrofilicidade, bem como da concentração inicial de fármaco. Apesar de já existirem no mercado sistemas de administração transdérmica de fármacos, não se conhecem produtos, nem estudos, que envolvam a libertação de proteínas. A investigação da produção de filmes de base ácido lático com vista a administração de albumina de soro bovino (BSA) constituiu o objetivo deste estudo. Com base nos protocolos experimentais disponíveis para a produção de filmes de base ácido lático para a administração de ibuprofeno, selecionaram-se novos co-monómeros: PEG 400, pentaeritritol (mPET), dipentaeritritol (diPET) e tripentaeritritol (triPET), e sintetizaram-se oligómeros por policondensação. A funcionalização dos oligómeros por reação com o Laromer® LR 9000 (LAR), em diferentes proporções estequiométricas, assegurou a reticulação. Após adição de Irgacure® 2959 e exposição a irradiação UV, entre 60 e 90 segundos, obtiveram-se filmes flexíveis e resistentes entre outras propriedades requeridas, reunindo condições para avaliar o seu desempenho como sistemas de libertação. A proporção de LAR utilizada teve influência nas propriedades.A incorporação de proteína nos filmes decorreu durante o processo de produção, por adição de uma solução aquosa de BSA aos géis funcionalizados. As outras etapas de produção não foram alteradas. A concentração teórica de BSA nos filmes foi de 1, 3 e 6% (m/m). Em geral, as propriedades físicas dos filmes com BSA foram semelhantes às dos filmes base com tempos de reticulação de 90 e 120 segundos.Os materiais produzidos foram caracterizados para validação das propriedades para administração de princípios ativos. Os filmes eram ligeiramente hidrofílicos, dependendo do co-monómero utilizado e da quantidade de LAR, sendo o filme AL-PEG 400 (1:1) o mais hidrofílico e o AL-triPET (1:3) o mais hidrofóbico. A análise da estabilidade térmica de todos os materiais revelou que, de modo geral, o aprisionamento de BSA diminuiu a estabilidade térmica dos filmes. A temperatura de transição vítrea é negativa antecipando que as condições de utilização previstas não alterem o comportamento dos materiais. Após incubação em solução de PBS, os filmes mostraram alguma instabilidade hidrolítica, 40 % em média, em consonância com o co-monómero, quantidade de LAR utilizada e o grau de reticulação, relacionado com a capacidade de absorção de água. Esta capacidade de degradação não afeta a aplicação desejada, tendo em conta a duração prevista para a administração da proteína, 8 horas. Os valores da energia de superfície dos filmes base são inferiores à da pele permitindo uma boa adesão e um bom desempenho mecânico dos materiais.Os estudos da cinética de libertação de BSA in vitro, decorreram por duas técnicas: incubação e em célula de difusão de Franz, à temperatura de 37 °C. O meio coletor foi uma solução de PBS. Todos os filmes apresentaram velocidades de libertação elevadas nas primeiras horas, superiores nos testes por incubação em virtude de maior área de transferência. O filme AL-PEG 400 (1:1) confirmou o melhor desempenho, antecipado na análise das suas propriedades. De entre os materiais com 3 % (m/m) de BSA, o AL-diPET (1:2) mostrou ser o mais promissor. Para o mesmo material verificou-se que maiores carregamentos originaram melhores libertações. No entanto, apesar de a evolução de massa da BSA libertada seguir o perfil esperado, os valores atingidos foram superiores à BSA aprisionada, evidenciando que outros compostos poderão estar a interferir na análise das soluções coletoras. Estudos preliminares da influência de parâmetros do processo sobre a atividade da BSA em solução aquosa permitiram prever que o aquecimento até 50 °C e a exposição a radiação UV até 5 minutos não degradem a proteína. Já a adição de acetona ou a diminuição do pH, comprometeram a sua atividade por desnaturação.Over the last few years transdermal administration has been the focus of intensive study by the pharmaceutical and biomedical fields, in order to overcome limitations of other administration routes. Transdermal systems enable the release of therapeutic amounts in a localized and prolonged form with advantages in controlling levels of the active principles in the blood plasma. However in this process the barrier imposed by the skin must be overcome which may require the use of permeation promoters.Lactic acid (AL) and its copolymers are ranked as very attractive materials for the biomedical industry as they are biodegradable, biocompatible and stable. Recently, the production of photocrosslinkable surgical adhesives and films to be used in transdermal patches has been under study. Active principles may be added to these polymer networks and the drug release profiles will depend on the structure of the materials, the gel content and hydrophilicity, as well as on the initial drug concentration. Although there are many transdermal drug delivery systems already available, these do not include systems for protein administration. The aim of this study was to investigate the production of lactic acid base films for the administration of bovine serum albumin (BSA).Based on the experimental protocols already available for the production of lactic acid based films for the delivery of ibuprofen, new co-monomers were selected: PEG 400, pentaerythritol (mPET), dipentaerythritol (diPET) and tripentaerythritol (triPET) and new oligomers were synthesized by polycondensation. Functionalization of the oligomers, which ensured crosslinking, occurred by reaction with Laromer® LR 9000 (LAR), in different stoichiometric ratios. Irgacure® 2959, a photoinitiator, allowed crosslinking after UV irradiation between 60 and 90 seconds. The films obtained were flexible and resistant, among other properties, supporting their assessment as drug delivery system. The amount of LAR used influenced the final properties.Protein entrapment in the films occurred during the production process by addition of an aqueous solution of BSA to the functionalized gels. All other production steps remained unchanged. The target concentration of BSA in the films was 1, 3 and 6% (w/w). In general, the properties of the films with BSA were similar to those of the original films and the time of crosslinking was 90 to 120 seconds.The materials produced were characterized and assessed for the administration of active principles. The films showed a mild hydrophilicity, depending on the co-monomer used and the amount of LAR, with AL-PEG 400 (1:1) film being the most hydrophilic and the AL-triPET (1:3) the most hydrophobic. Analysis of the thermal stability of all materials revealed that the entrapment of BSA decreased the thermal stability of the films. The glass transition temperature is negative anticipating that the intended use will not change materials properties. Upon incubation in PBS solution the films revealed some hydrolytic instability, 40 % on average, consistent with the degree of crosslinking, co-monomer and amount of LAR used, properties related to the swelling capacity. This will not endanger the delivery of the protein, expected to last for 8 hours. The surface energy of films were lower than that of skin, allowing anticipating a good adhesion and a good mechanical performance of the materials.In vitro BSA release studies were performed by incubation and in a Franz diffusion cell, at 37 ° C. All films showed fast initial release rates, which were higher in the incubation tests, due to the larger mass transfer area. The best release rates were obtained with AL-PEG 400 (1:1) film. Among the films with the same target BSA concentration, the AL-diPET film (1:2) was the most promising. When, for the same material, different active loads were assessed, larger active principle loads led to higher delivery rates. However, although the BSA concentration followed the expected profile, the release values achieved are much higher than the entrapped BSA, evidencing that other compounds may be interfering in the release analysis. Studies of degradation of BSA when subjected to various conditions allowed to check that heating BSA solutions to 50 ° C and exposing to UV radiation for up to 5 minutes did not cause protein degradation. Nevertheless, already, the addition of acetone, or the decrease in pH, compromised its activity, denaturing the protein