Drug release and transdermal permeation studies in composite ceramic microdevices

Abstract

Transdermal drug administration represents an interesting strategy, avoiding first-pass hepatic metabolism and enzymatic degradation via the gastrointestinal route. Recently, microneedles (MN) have revealed the ability to deliver a variety of molecules to the skin, including drugs and vaccines. MN is an emerging technology that offers a minimally invasive and practically painless system for the patient. From metals to polymers, MN are fabricated with a wide variety of materials, although with some constraints regarding mechanical strength (limitations related to skin perforation). Additionally, the incorporation of drugs represents a challenge due to the effect on the material properties and the optimization of its release. In this context, the main objective of this dissertation was to assess the potential interest of incorporating an anti-inflammatory drug, diclofenac (DCF), in apatitic MN. For this purpose, different studies were carried out using, in a first stage, cylindrical samples with different compositions, based on a calcium phosphate cement (α-TCP) and citric acid to accelerate the cement setting reaction. Three different compositions were evaluated: i) base cement, ii) base cement added with chitosan and iii) base cement added with chitosan and genipin. Cylindrical samples containing DCF were evaluated in release tests at two pH (7.4 and 5.5), and the kinetics that best described the release profiles and the associated mechanism were determined. In parallel, drug content, stability and material characterization studies were carried out (phase quantification by Rietveld refinement method, porosity, compressive strength, Fourier transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy). It was demonstrated that the DCF release profiles obtained with the cylindrical samples were related to the composition as well as the porosity. From the results obtained on the drug content assays of the samples, it was found that although the amount of drug present in the samples decreased after the release assays, it did not release completely at the pre-determinated time. After the release tests, the structures of the cylindrical samples were again characterized, showing a smaller amount of α-TCP that turned into hydroxyapatite (HA) and the presence of DCF. Based on the results of the characterization in terms of mechanical properties (compressive strength) and the evaluation of in vitro release profiles and kinetics at two different pH values (7.4 and 5.5) the composition containing chitosan and genipin was selected to study the influence of the liquid-to-powder ratio (LPR = 0.33, 0.40 and 0.45 m/m) in these same parameters. With the variation of LPR, a selection was conducted again, based on the results of compressive strength and drug release profiles, to carry out the studies in MN with the chosen composition (LPR = 0.33 m/m). In MN with the selected composition (with chitosan and genipin, LPR = 0.33 m/m) and with two different quantities of DCF, 2.5 and 5 wt% (m/m), drug release and compressive strength assays were performed. The best composition was chosen based on drug release profiles and compressive strength results. With the selected composition incorporated with 5 wt% (m/m) of DCF, MN arrays with a rigid support were produced by micromoulding and studied for the drug permeation profile with in vitro drug permeation and retention studies in newborn pig skin and pig skin from the ear. In these assays the cession of the DCF from the MN was confirmed. Additionally, it was observed that the drug permeation results depend on the penetration of the MN into the skin and the thickness of the skin used in each assay. In summary, ceramic composite MN tested in this work have potential to be used for transdermal administration of DCF. However, further studies must be carried out, namely, obtaining a matrix of MN fixed on a flexible support that provides a better contact with the skin, preserving a certain perforation of the MN into the skin. It is also suggested to improve the permeation protocol when using MN in pig skin and perform a safety assessment of MN before in vivo testing.

A administração de fármacos através da via transdérmica representa uma estratégia interessante, evitando o metabolismo hepático de primeira passagem e a degradação enzimática gastrointestinal. Recentemente, as microagulhas (MN) revelaram a capacidade de veicular uma variedade de moléculas na pele, incluindo fármacos e vacinas. As MN são uma tecnologia em ascensão que oferece um sistema minimamente invasivo e praticamente indolor para o paciente. As MN têm sido fabricadas com uma grande variedade de materiais (metais, polímeros, cerâmicos), embora com algumas restrições quanto à resistência mecânica (limitações relacionadas com a capacidade de perfuração da pele). Adicionalmente, a incorporação de fármacos representa um desafio pelo efeito nas propriedades do material e otimização da sua libertação. Neste contexto, o principal objetivo desta dissertação consistiu na avaliação do potencial interesse da incorporação de um anti-inflamatório, diclofenac (DCF), em MN apatíticas. Para o efeito, realizaram-se diferentes estudos utilizando-se numa primeira etapa amostras cilíndricas com diferentes composições, tendo como base um cimento de fosfato de cálcio (α-TCP) e ácido cítrico. Avaliaram-se três composições diferentes: i) cimento base, ii) cimento base com quitosano e ainda iii) cimento base com quitosano e genipina. Estas composições foram avaliadas com e sem DCF. As amostras cilíndricas contendo DCF foram avaliadas em ensaios de libertação a dois valores diferentes de pH (7,4 e 5,5). Determinou-se a cinética que melhor descrevia os perfis de libertação do fármaco e qual o mecanismo associado. Paralelamente realizaram-se estudos de avaliação do teor de fármaco, de estabilidade e de caraterização dos materiais constituintes das amostras cilíndricas (quantificação de fases pelo método de refinamento de Rietveld, porosidade, resistência à compressão, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier e microscopia eletrónica de varrimento). Demonstrou-se que os resultados dos perfis de libertação de DCF obtidos com as amostras cilíndricas estavam relacionados com a composição e com a resultante porosidade. Dos resultados obtidos nos ensaios de avaliação do teor de fármaco das amostras, verificou-se que apesar da quantidade de DCF presente diminuir após os ensaios de libertação, este não se libertava na totalidade no tempo pré-estabelecido. Após os ensaios de libertação, as amostras cilíndricas foram caraterizadas novamente, apresentando menor quantidade de α-TCP que se transformou em hidroxiapatite (HA) e confirmando-se a presença de DCF. Com base nos resultados da caraterização em termos de propriedades mecânicas (resistência à compressão) e na avaliação dos perfis de libertação in vitro e cinética, a composição que contém quitosano e genipina foi selecionada para estudar a influência da razão líquido-pó (LPR = 0,33, 0,40 e 0,45 m/m) nestes mesmos parâmetros. Com a variação de LPR, fez-se novamente uma seleção com base nos resultados de resistência à compressão e perfis de libertação, para proceder aos estudos em MN com a composição escolhida (LPR = 0.33 m/m). Nas MN com a composição selecionada (com quitosano e genipina, LPR = 0.33 m/m) e com duas quantidades diferentes de DCF, 2,5 e 5 % (m/m), foram feitos ensaios de libertação de fármaco e resistência à compressão, para avaliar a influência da quantidade de fármaco nas MN. A melhor composição, foi escolhida com base nos perfis de libertação de DCF e resultados de resistência à compressão. Com a composição selecionada, contendo 5 % (m/m) de DCF, foram produzidas matrizes de MN de suporte rígido por micromoldagem que foram estudadas quanto ao perfil de cedência do fármaco em estudos in vitro de permeação e retenção de fármaco em pele de leitão e em pele de orelha de porco. Nestes ensaios, confirmou-se a cedência do DCF a partir das MN. Adicionalmente, observou-se que os resultados de permeação do fármaco dependem da penetração das MN na pele e da espessura da pele utilizada em cada ensaio. Em suma, as MN cerâmicas compósitos testadas neste trabalho apresentam potencial para serem utilizadas para administração transdérmica de DCF. No entanto, novos estudos devem ser realizados, nomeadamente, a obtenção de uma matriz de MN fixas a um suporte flexível que permita um melhor contato com a pele, mantendo uma adequada penetração das MN na pele. Sugere-se ainda melhorar o protocolo de permeação ao usar MN em pele de porco e realizar uma avaliação por métodos in vitro e in vivo da segurança das MN.