Nanostructured granules for controlled delivery of dexamethasone

Abstract

A Drug Delivery System (DDS) may provide the precise transportation of the medical drug inside the patient’s body, directly to the pathological area or alternatively it may be also locally administrated. Once at the site of interest, the ideal DDS is expected to release the drug in a sustained manner according to the specific needs of the patient. As compared to other routes of drug administration, an appropriately designed DDS which active components are conveniently targeted should also ensure the desired in situ treatment without harmful effects of the drug over healthy tissues. The inorganic part of the human bone is mainly composed by hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2) (HAP). Chitosan (CH), a natural polymer, is a linear glucose based polysaccharide. These two compounds are non-toxic, biodegradable and highly biocompatible and hence widely used for various biomedical applications (DDS, tissue engineering, implants, etc.). Moreover, some unique features including the amphiphilicity and good mucoadhesive properties of chitosan together with the ability of HAP to adsorb and then release different chemical species make these compounds challenging materials for DDS design. The present work addresses the combination of HAP and CH with a drug model aimed at engineering a DDS with a controlled drug release. Dexamethasone (DEX) is the drug model here selected. DEX is a corticosteroid with anti-inflammatory, antineoplastic and immunosuppressant effects, which is used for the treatment of various diseases like endocrine, dermatologic and neoplastic disorders and cancer among others. In the present research, composite granules with different ratios of HAP and CH components were produced by spray drying aqueous suspension of HAP, chitosan and DEX. To reduce polymer swelling, Glutaraldehyde (GA) was used to cross-link CH. Granules were also produced by a double spray drying technique, which so far has not been yet reported in the literature. The morphology and crystal phase composition of the produced granules were evaluated by scanning electron microscopy (SEM), N2 adsorption using the BET isotherm (BET), and X-ray diffraction (XRD). The obtained results showed that the variation of (HAP/CH) ratio affected the morphology of the granules as when that ratio increases the granules morphology changes from spherical with rough surface to a shape with concavities and smooth surface. Regarding the granules obtained by double spray drying, their morphological characteristics indicated that a core-shell structure was obtained. The drug release experiments were carried out by immersing the DEX loaded granules into phosphate buffer solution (PBS), kept at 37 °C under constant stirring. Aliquots of PBS were withdrawn after different times and their drug content evaluated by UV-Vis spectroscopy at λ= 241,5 nm. The results showed that granules with different composition could display different drug release patterns: HAP/CH granules cross-linked with GA (0,2 wt %) exhibit a more sustained drug release than granules with the same HAP/CH ratio without modification; as for double spray dried granules, a characteristic profile with a double plateau was observed, in line with a core-shell structure. Attempting to elucidate the mechanisms underlying DEX release, different mathematical models were compared with the measured release profiles. It was found that Peppas-Sahlin and Weibull equations are appropriate models for predicting the drug release from the produced granules. In conclusion, the cross-linking and morphology engineering (core-shell structure) via double spray drying allowed improving DEX release profile of HAP/CH DDSs.

Um sistema de libertação de fármacos (DDS) pode transportar de forma precisa o fármaco para o sítio alvo,,i.e., directamente para a zona patológica ou ser administrado localmente. Uma vez no local de interesse, o DDS deve libertar o fármaco de forma controlada, de acordo com as necessidades específicas do paciente, garantindo in situ o tratamento desejado, sem efeitos nocivos sobre os tecidos saudáveis. A parte inorgânica do osso humano é composta principalmente por hidroxiapatite (Ca10(PO4)6(OH)2) (HAP). O quitosano (CH), um polímero natural e abundante. Para além de altamente biocompatíveis estes dois compostos são biodegradáveis, podendo ser utilizados em várias aplicações biomédicas (DDS, engenharia de tecidos, implantes, etc.). Além disso, as características de anfifilicidade e as boas propriedades mucoadesivas do quitosano, somadas à capacidade da HAP para absorver diferentes espécies químicas fazem destes compostos materiais desafiantes para um projecto de DDS. O presente trabalho aborda a combinação de HAP com CH para produção de um DDS. A dexametasona (DEX), que é um corticosteróide com acção anti-inflamatória, anti-neoplásica e efeitos imunossupressores, foi o fármaco modelo seleccionado. Neste trabalho produziram-se grânulos compósitos, com diferentes proporções de HAP e CH, por atomização de suspensões aquosas de HAP, quitosano e DEX. Utilizou-se glutaraldeído (GA) para reticular o CH e procedeu-se também à dupla atomização dos grânulos, uma técnica ainda não reportada na literatura. Os ensaios de libertação do fármaco foram efectuados por imersão dos grânulos carregadas com DEX em solução de fosfato tampão mantida a 37 ° C e sob agitação constante. Alíquotas de PBS foram retiradas após diferentes períodos de tempo e a sua concentração de fármaco avaliada por UV-Vis a λ = 241,5 nm. As características morfológicas e a composição de fases cristalinas dos grânulos atomizados foram avaliadas por micróscopia eletrónica de varrimento (SEM), por adsorção de N2 usando a isotérmica de BET e por difração de raios-X (XRD). Os resultados obtidos mostraram que a variação da razão (HAP / CH) afectou a morfologia dos grânulos: quando a razão aumenta a morfologia dos grânulos evolui de esférica e rugosa para lisa e com concavidades. Por outro lado as características morfológicas dos grânulos duplamente atomizados indicam uma estrutura core-shell. No que se refere aos resultados de libertação de DEX, verificou-se que grânulos de composição diferente evidenciam perfis de libertação distintos: os grânulos reticulados com GA (0,2 %) apresentam uma curva de libertação mais lenta do que a observada para os grânulos com igual razão HAP/CH mas não modificados; quanto aos grânulos com dupla atomização, estes apresentam um padrão de libertação característico, com duplo patamar, em linha com a referida estrutura core-shell. Na tentativa de elucidar os mecanismos subjacentes à libertação de DEX, compararam-se os perfis medidos com diferentes modelos matemáticos. Verificou-se que o padrão de libertação da DEX pode ser adequadamente descrito pela equação de Peppas-Sahlin e de Weibull. Em conclusão, a reticulação e a engenharia de morfologia (estrutura core-shell) pela via da dupla atomização permitiram melhorar o perfil de libertação de DEX do DDS à base de grânulos compósitos de HAP/CH.