Novel Sustainable Excipients: Enhanced Encapsulation Strategies Leveraging High Dosage Respiratory Drug Delivery Systems

Abstract

A formulação de pós secos por pulverização para aplicações farmacêuticas baseia-se frequentemente no(s) ingrediente(s) ativo(s) do medicamento combinado(s) com excipiente(s) tradicional(ais), que podem ter limitações em termos de suscetibilidade e biocompatibilidade. Os produtos derivados do polímero de interesse para este trabalho, como as nanofibrilas (NFs) e o polímero A, sendo biomateriais renováveis e biodegradáveis, oferecem vantagens potenciais como excipientes substitutos que estão a ser aplicados em várias plataformas de administração de medicamentos. Estes derivados superam as limitações inerentes à polímero, tais como a insolubilidade em água e na maioria dos solventes orgânicos, no entanto, a incorporação de NFs ou do polímero A em formulações de fármacos apresenta desafios relacionados com as suas caraterísticas físicas, compatibilidade com os componentes e o potencial de aglomeração durante a secagem. Esta tese de mestrado teve como objetivo investigar a técnica mais adequada para produzir e incorporar NFs e um polímero A em formulações secas por pulverização, utilizando um açúcar A como modelo de API. Foram testadas várias condições operacionais durante a síntese de NFs, incluindo uma etapa de dispersão e/ou micronização para promover a dispersão e a quebra das fibrilas. Uma combinação de dois tipos de tratamentos demonstrou um grande potencial para dispersar e reduzir o comprimento das NFs, resultando numa suspensão com comprimentos homogéneos de NF. As condições de secagem por pulverização (SD) foram otimizadas para este material e foram obtidas micropartículas esféricas porosas de NF com um tamanho médio de partícula de aproximadamente 51,7 µm e excelentes propriedades aerodinâmicas (ED = 95,4%; FPFED = 86%). Os resultados de FTIR confirmaram a presença dos grupos funcionais caraterísticos do polímero A, indicando o seu potencial para encapsulação adicional de APIs. As micropartículas de polímero A carregadas com açúcar A foram obtidas variando o rácio açúcar A/polímero A numa mistura de solvente 80:20 w/w solvente A-água. Este rácio influenciou significativamente não só a morfologia, mas também as propriedades aerodinâmicas das micropartículas. Além disso, a cinética de secagem, juntamente com a relação açúcar A/polímero A, afetou grandemente a estabilidade da formulação.

The formulation of spray-dried powders for pharmaceutical applications often relies on active drug ingredient(s) combined with traditional excipient(s), which may have limitations in terms of sustaina-bility and biocompatibility. Polymer derivatives, such as polymer nanofibrils (NFs) and polymer A, being renewable and biodegradable biomaterials, offer potential advantages as substitute excipients being applied in several drug delivery platforms. These derivatives overcome the inherent limitations of polymer, such as insolubility in water and most organic solvents. However, incorporating NFs and polymer A into drug formulations presents challenges related to their physical characteristics, compat-ibility with components, and the potential for agglomeration during drying. This master thesis aimed to investigate the most suitable technique to produce and incorporate NFs and polymer A in spray dried formulations, using sugar A as API model. Several operational conditions were tested during the syn-thesis of NFs, including a dispersion and/or micronization step to promote dispersion and breakage of the fibrils. A combination of two different treatments demonstrated great potential for both dispersing and reducing the length of NFs, resulting in a suspension with homogeneous NF lengths. Spray-drying (SD) conditions were optimized for this material and porous spherical NF microparticles were achieved with a volume median particle size of approximately 51.7 µm and excellent aerodynamic properties (ED = 95.4%; FPFED = 86%). FTIR results confirmed the presence of the characteristic functional groups of polymer A, indicating their potential for further encapsulation of APIs. Sugar A-loaded polymer A microparticles were obtained by varying the sugar A/ polymer A ratio in an 80:20 w/w solvent A-water solvent mixture. This ratio significantly influenced not only morphology but also the aerodynamic properties of the microparticles. Moreover, drying kinetics during SD, along with the blend ratio (Sugar A:Polymer A), greatly affected the formulation stability.