The controlled parenteral drug delivery of drugs is advantageous due to lower fluctuations of drug plasma concentrations and reduced injection frequency, resulting in an improved safety and efficacy of the drug product for the patient. The incomparable biodegradability and biocompatibility of poly(lactide-co glycolide) (PLGA) and the feasibility of controlling the drug release over days up to several months explains its common use as the polymeric matrix for such controlled parenteral drug delivery systems. Solid implants and microparticles represent common PLGA controlled drug delivery systems. In contrast to implants, microparticles can be administered without surgery, thus increasing the patient’s compliance. The preparation methods, however, require high effort in terms of process development and control. There are two most common methods for the microparticle preparation: The organic phase separation method and the solvent evaporation method. The aim of this work was to study in detail the parameters which affect these processes at every stage to improve their robustness and to solve associated limitations.
The microparticle preparation process by organic phase separation was investigated in detail with the objective of improving the process robustness (Chapter 3.1). The preparation method mainly consists of three steps: First, the drug is dissolved, dispersed or emulsified in a polymer solution (i.e. PLGA in methylene chloride). To this, a non-solvent (e.g. polydimethylsiloxane) is added to induce a liquid-liquid phase separation, resulting in a polymer-rich (dispersed) and polymer-poor (continuous) phase. The polymer-rich (coacervate) droplets are then hardened in silicon oils (e.g. octamethylcyclotetrasiloxane) or alkanes (e.g. hexane or heptane) by methylene chloride extraction. The formation of a stable coacervate phase is the core of the microparticle forming process, which is mainly characterized by the non-solvent concentration in the ternary mixture. The concentration of the non-solvent required to meet the stability window of coacervate droplets, where no sticking occurs, is commonly determined by optical microscopy. This study showed a lack of reproducibility of the conventional method due to occurrence of solvent evaporation, unstirred state, and a subjective evaluation of the microscopical appearance which lead to results highly dependent on the sample preparation and/or the operator. To improve the method reliability, additional macroscopical investigations of the polymer-poor and polymer-rich phase and coacervate resuspendability as a function of the non-solvent concentration have been suggested, since both indicate the limits of the stability window. A novel in situ method which allowed for the determination of the stability window under simulated process conditions was investigated. The closed, miniaturized system was equipped with an overhead stirrer, temperature control, camera (visualization probe) and an LED plus photosensor for real time transmission measurement. With the in situ method, the stability window was broader which was confirmed by the successful preparation of microparticles at non-solvent concentrations which were previously considered unfeasible based on the conventional stability window determination. Higher non-solvent concentrations were found in general to be advantageous to obtain a stable coacervate, leading to decreased collision frequency and coalescence efficiency. Increased mean theoretical distance between the coacervate droplets from 8 µm to 71 µm and 112 µm were calculated for 20, 40 and 45 % polydimethylsiloxane used. The theoretical calculations were confirmed by measurement of the actual distances between droplets obtained from the in situ appearances, and the transmissivity of the coacervate emulsion. Thus, by increasing the polydimethylsiloxane concentration from 36 % to 51 %, the stability of the emulsion was improved by factor 2.4 and 4.1 for 6 % and 3 % PLGA concentration, respectively. Finally, the dependencies of coacervate phase formation on temperature, polymer concentration and non-solvent addition rate could be established by applying the novel in situ method. To improve the drug distribution of water-soluble drugs within the polymer matrix, a primary W/O-emulsion is commonly applied. The smaller the droplets of the primary emulsion, the lower the initial drug release from drug-loaded microparticles. Key parameters were identified influencing the droplet size distribution of the primary emulsion. To obtain small droplet sizes, reduced solid content of the aqueous phase, increased stirring efficiency, and increased solid content of the organic phase should be considered. The effect of the hardening bath on the methylene chloride extraction was also investigated. With increasing methylene chloride affinity to the hardening agent and increasing hardening bath temperature, the methylene chloride extraction speed increased, thus shortening the hardening time. Furthermore, the common step-wise transferal of the coacervate phase to the hardening phase is critical. With progressing transfer, the emulsion volume decreases, causing changes in stirring geometry and, thus, droplet sizes. The influence on the homogeneity of the batch is expected to increase with scale-up. Thus, a continuous production set-up for the coacervate phase by static mixing was developed and investigated. The particle size could be controlled by polymer concentration and total flow rate, while it was independent of the phase ratio between PLGA solution and non-solvent, and of the drug loading. A scale-up by factor 10 did not influence critical quality attributes of microparticles and thus demonstrated the suitability of the novel continuous coacervate production method.
A drawback of the microparticle preparation process by organic phase separation is the risk of volatile (methylene chloride, octamethylcyclotetrasiloxane) and non-volatile (polydimethylsiloxane) residual solvents, the monitoring of which is of high importance in process development and control due to the inherent toxicity for the patient, as well as the possible influence on critical quality attributes of the product. Gas chromatography (GC) is recommended for the quantification of residual volatile solvents in pharmaceutical products, but no method is currently available for the simultaneous quantification of the non-volatile silicon oil polydimethylsiloxane in presence of the volatile silicon oil octamethylcyclotetrasiloxane. An H-NMR method was successfully developed and validated to simultaneously quantify volatile and non-volatile organic solvents and silicon oils appearing as residual solvents in microparticles prepared by organic phase separation (Chapter 3.2). Accuracy, precision, specificity, linearity, range, limit of detection and quantitation and robustness were investigated and agreed with validation requirements. The H NMR method was less sensitive regarding the methylene chloride-, but more sensitive regarding the octamethylcyclotetrasiloxane-quantification compared to the compendial headspace gas chromatography. Additionally, with H-NMR it was possible to quantify volatile and non-volatile compounds simultaneously, at lower sample preparation effort and material consumption than with the compendial method. The method suitability is expected to apply for all excipients being soluble in deuterated solvents used for analysis, provided that obtained peaks do not overlap. Furthermore, the sample preparation for H NMR measurement was simpler and less prone to systematical mistakes. The measurement by standard addition, needed for GC, increased the sample preparation steps, thus increasing the effort in terms of time and costs and increasing the number of sources for mistakes. Due to the sample preparation based on weight (H NMR) and not on volume (GC), a lower influence is expected for the processing of volatile organic compounds.
With the H-NMR method, the influence of formulation and process parameters on residual solvents in PLGA microparticles prepared by organic phase separation was studied (Chapter 3.3). Microparticles were prepared by using the volatile methylene chloride as the organic solvent, the non-volatile silicon oil polydimethylsiloxane as the non-solvent and the volatile silicon oil octamethylcyclotetrasiloxane or heptane as the hardening agent. In particular, investigations on the simultaneous appearance of two silicon oils in PLGA drug delivery forms have, up to now, not been extensively discussed in the scientific literature. Methylene chloride and polydimethylsiloxane residuals were reduced by decreasing the polymer concentration, increasing the hardening agent volume and increasing the hardening time, while they were increased by incorporation of a hydrophilic model drug. Additionally, methylene chloride residuals could be reduced by optimized drying conditions (vacuum, long drying times and drying temperature close to Tg). While methylene chloride residuals were independent of the hardening agent (octamethylcyclotetrasiloxane or heptane) and the polydimethylsiloxane addition rate, polydimethylsiloxane could be reduced by using octamethylcyclotetrasiloxane instead of heptane as the hardening agent and by decreasing the polydimethylsiloxane addition rate. Methylene chloride and polydimethylsiloxane residuals were independent of the coacervation temperature. Octamethylcyclotetrasiloxane residuals were also independent of the coacervation temperature. However, for the other parameters octamethylcyclotetrasiloxane behaved contrary to methylene chloride and polydimethylsiloxane. Residuals were reduced by increasing the drug loading, and increased by decreasing the polymer concentration, increasing the hardening agent volume and increasing the hardening time. Despite its volatility, octamethylcyclotetrasiloxane could not be decreased even under severe drying conditions. Nevertheless, it was superior compared to heptane due to an improved polydimethylsiloxane extraction and significantly lower residuals in the microparticles. Methylene chloride and polydimethylsiloxane are influenceable by comparable formulation and process parameters at the expense of octamethylcyclotetrasiloxane residuals, which were, however, acceptable for all investigated conditions showing residual levels of NMT 1 %.
For the preparation of microparticles by solvent evaporation, a drug-containing PLGA solution in methylene chloride is emulsified in an aqueous phase with a stabilizer. Methylene chloride is then evaporated to solidify microparticles. This method is advantageous due to lower organic solvent consumption, easier set-up and process control compared to the phase separation method, but drugs may diffuse out to the aqueous phase, causing low encapsulation efficiencies and high burst. Faster polymer precipitation by accelerated methylene chloride removal helps to solve these problems. Commonly, this is achieved by increasing the aqueous phase volume; however, large volumes are often unfavorable in industrial processes. To accelerate the methylene chloride removal while maintaining the aqueous phase volume at a minimum, the preparation temperature was increased above the methylene chloride boiling point, and the influence of increased temperature on drug-loaded microparticles was studied (Chapter 3.4). Interestingly, emulsified methylene chloride in a 1 % poly(vinyl alcohol) (PVA) solution showed a metastable, superheated state above its boiling point (39.6 °C) until a limit of superheat was reached, referring to the temperature where instant methylene chloride vaporization occurs. Thus, methylene chloride evaporation was slower than expected around its actual boiling point, and boiling was delayed to a 2 fold higher temperature (74-79 °C) compared to the pure solvent. Addition of a polymer to the dispersed phase further increased the limit of superheat to 84 °C, which was unfavorable for an accelerated methylene chloride removal. To test the influence of the solvent evaporation at elevated temperatures, PLGA microparticles were prepared at 25 °C, 55 °C, 75 °C and 95 °C and investigated in terms of particle size, appearance, encapsulation efficiency, residual solvents and drug release. The used model drug was soluble in methylene chloride. By increasing the temperature, the process time decreased from 12 hrs (25°C) to less than 1 min (95°C) independent of the drug loading. The particle size was only affected above the limit of superheat. Increasing the temperature to 95 °C decreased the particle size significantly by factors 15, 10 and 9 for 0, 10 and 30 % drug-loading due to an explosive methylene chloride vaporization sufficient for a droplet disruption. The encapsulation efficiency was first decreased at temperatures above the polymer Tg (45-50 °C). However, a further temperature increase to 95 °C fastened the methylene chloride removal to such an extent that accelerated polymer precipitation caused encapsulation efficiency to raise again. Residual solvents as well as the surface morphology were independent of the preparation temperature for all drug loadings. However, inner porosity depended on the preparation temperature. Increasing the temperature to 55 °C and 75 °C led to the formation of inner pores due to an expansion of gaseous bubbles which could not escape from the polymer matrix. In contrast to this, particles prepared at 95 °C were dense without inner voids. Drug release from the 10 % drug-loaded formulations was comparable for the formulations prepared at 25 °C, 55 °C and 75 °C, while for the formulation prepared at 95 °C the initial drug release was faster. However, drug release was completed within about 60 d for all preparation temperatures. Drug release from the 30 % drug loaded formulations was completed within 10-12 d for all preparation temperatures and was independent of PLGA hydrolysis. Results demonstrated that microparticles could be prepared at increased process temperatures, but that the accelerated methylene chloride removal is impeded by the presence of a metastable state and the limit of superheat, which influences critical quality attributes of the microparticles.
In conclusion, key formulation and process parameters affecting attributes of PLGA microparticles prepared by a phase separation method were identified, which are expected to improve the process robustness in future studies. Additionally, a novel analytical method was developed giving new insights on the effect of formulation and process parameters on residual solvent levels in these microparticles. Particularly, volatile and non-volatile silicon oils could be studied simultaneously. Furthermore, the methylene chloride removal rate during the preparation of microparticles by solvent evaporation increased with increasing temperature, but the energy needed to evaporate methylene chloride was much higher than expected due to the presence of a limit of superheat of the emulsion. Results contributed to the understanding of solvent evaporation process, potentially serving as the basis for future process optimization approaches by accelerated methylene chloride removal.
Die kontrollierte parenterale Arzneimittelabgabe von Arzneimittelsubstanzen ist aufgrund geringer Schwankungen der Arzneimittelplasmakonzentrationen und einer verringerten Injektionsfrequenz vorteilhaft, was zu einer verbesserten Sicherheit und Wirksamkeit des Arzneimittels für den Patienten führt. Die unvergleichliche biologische Abbaubarkeit und Biokompatibilität von Poly(lactid-co-glycolid) (PLGA) und die Machbarkeit der Kontrolle der Arzneimittelfreisetzung über Tage bis zu mehreren Monaten erklärt seine häufige Verwendung als Polymermatrix für solche kontrollierten parenteralen Arzneimittelabgabesysteme. Feste Implantate und Mikropartikel stellen übliche PLGA-basierte kontrollierte Arzneimittelabgabesysteme dar. Im Gegensatz zu Implantaten können Mikropartikel ohne Operation verabreicht werden, wodurch die Compliance des Patienten erhöht wird. Die Vorbereitungsmethoden erfordern jedoch einen hohen Aufwand in Bezug auf die Prozessentwicklung und -steuerung. Es gibt zwei gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Mikropartikeln: das Verfahren zur Trennung der organischen Phase und das Verfahren zur Verdampfung des Lösungsmittels. Ziel dieser Arbeit war es, die Parameter, die diese Prozesse in jeder Phase beeinflussen, detailliert zu untersuchen, um ihre Robustheit zu verbessern und die damit verbundenen Einschränkungen zu lösen. Der Prozess der Herstellung von Mikropartikeln pro organischer Phasentrennung wurde eingehend untersucht, um die Robustheit des Prozesses zu verbessern (Kapitel 3.1). Das Herstellungsverfahren besteht hauptsächlich aus drei Schritten: Zunächst wird der Arzneistoff in einer Polymerlösung (z. B. PLGA in Methylenchlorid) gelöst, dispergiert oder emulgiert. Dazu wird ein Nichtlösungsmittel (z. B. Polydimethylsiloxan) gegeben, um eine Flüssig-Flüssig-Phasentrennung zu induzieren, was zu einer polymerreichen (dispergierten) und polymerarmen (kontinuierlichen) Phase führt. Die polymerreichen (Koazervat-) Tröpfchen werden dann durch Methylenchlorid-Extraktion in Silikonölen (z. B. Octamethylcyclotetrasiloxan) oder Alkanen (z. B. Hexan oder Heptan) gehärtet. Die Bildung eines stabilen Koazervats ist der Kern des Mikropartikelbildungsprozesses, der hauptsächlich durch die Nichtlösungsmittelkonzentration im ternären Gemisch gekennzeichnet ist. Die Konzentration des Nichtlösungsmittels, die erforderlich ist, um das Stabilitätsfenster von Koazervattropfen zu erreichen, bei denen keine Agglomeration auftritt, wird üblicherweise durch optische Mikroskopie bestimmt. Diese Studie zeigte einen Mangel an Reproduzierbarkeit des herkömmlichen Verfahrens aufgrund des Auftretens von Lösungsmittelverdampfung, ungerührtem Zustand und einer subjektiven Bewertung des mikroskopischen Erscheinungsbilds, was zu Ergebnissen führte, die stark von der Probenvorbereitung und / oder dem Operator abhängen. Um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu verbessern, wurden zusätzliche makroskopische Untersuchungen der polymerarmen und polymerreichen Phase und der Koazervatresuspendierbarkeit als Funktion der Nichtlösungsmittelkonzentration vorgeschlagen, da beide die Grenzen des Stabilitätsfensters aufzeigen. Eine neuartige In-situ-Methode, mit der das Stabilitätsfenster unter simulierten Prozessbedingungen bestimmt werden konnte, wurde untersucht. Das geschlossene, miniaturisierte System war mit einem Überkopfrührer, einer Temperaturkontrolle, einer Kamera (Visualisierungssonde) und einem LED plus Photosensor zur Echtzeit-Transmissionsmessung ausgestattet. Mit der In-situ-Methode wurde ein breiteres Stabilitätsfenster gefunden, das durch die erfolgreiche Herstellung von Mikropartikeln bei Nichtlösungsmittelkonzentrationen bestätigt wurde, die zuvor aufgrund der herkömmlichen Bestimmung des Stabilitätsfensters als nicht durchführbar angesehen wurden. Höhere Nichtlösungsmittelkonzentrationen erwiesen sich im Allgemeinen als vorteilhaft, um ein stabiles Koazervat zu erhalten, da sie zu einer verringerten Kollisionsfrequenz und einer Koaleszenzeffizienz führen. Die mittleren theoretischen Abstände zwischen den Koazervattropfen wurden von 8 µm auf 71 µm und 112 µm für 20, 40 und 45 % Polydimethylsiloxane erhöht. Die theoretischen Berechnungen wurden durch Messung der tatsächlichen Abstände zwischen Tröpfchen, die aus den In-situ-Beobachtungen erhalten wurden, und der Transmission der Koazervatemulsion bestätigt. Durch Erhöhen der Polydimethylsiloxane-Konzentration von 36 % auf 51 % wurde die Stabilität der Emulsion für 6 % bzw. 3 % Polymer um den Faktor 2,4 und 4,1 verbessert. Schließlich konnten die Abhängigkeiten der Koazervatphasenbildung von Temperatur, Polymerkonzentration und Nichtlösungsmittel-Zugabegeschwindigkeit durch Anwendung des neuen In-situ-Verfahrens ermittelt werden. Um die Arzneimittelverteilung wasserlöslicher Arzneistoffe innerhalb der Polymermatrix zu verbessern, wird üblicherweise eine primäre W/O-Emulsion angewendet. Je kleiner die Tröpfchen der primären Emulsion sind, desto geringer ist die anfängliche Arzneimittelfreisetzung aus mit Arzneimitteln beladenen Mikropartikeln. Es wurden Schlüsselparameter identifiziert, die die Tröpfchengrößenverteilung der Primäremulsion beeinflussen. Um kleine Tröpfchengrößen zu erhalten, sollten ein verringerter Feststoffgehalt der wässrigen Phase, eine erhöhte Rühreffizienz und ein erhöhter Feststoffgehalt der organischen Phase in Betracht gezogen werden. Der Einfluss des Härtebades auf die Methylenchlorid-Extraktion wurde ebenfalls untersucht. Mit zunehmender Methylenchlorid-Affinität zum Extraktionsmittel und zunehmender Härtebadtemperatur wurde die Methylenchlorid-Extraktionsgeschwindigkeit erhöht, wodurch die Härtezeit verkürzt wurde. Darüber hinaus ist der übliche schrittweise Transfer der Koazervatphase in das Härtebad kritisch. Mit fortschreitendem Transfer nimmt das Volumen der verbleibenden Emulsion ab, was zu Änderungen der Rührgeometrie und damit der Tröpfchengröße führt. Es wird erwartet, dass der Einfluss auf die Homogenität der erhaltenen Charge mit dem Scale-up zunimmt. Daher wurde ein kontinuierlicher Produktionsaufbau für die Koazervatphasenherstellung mithilfe eines statischen Mischers entwickelt und untersucht. Die Partikelgröße konnte durch die Polymerkonzentration und die Gesamtflussrate gesteuert werden, während sie unabhängig vom Phasenverhältnis zwischen Polymerlösung und Nichtlösungsmittel und von der Wirkstoffbeladung war. Ein Scale-up um Faktor 10 hatte keinen Einfluss auf die kritischen Qualitätsmerkmale von Mikropartikeln und demonstrierte somit die Eignung des neuartigen kontinuierlichen Koazervat-Produktionsverfahrens.
Ein Nachteil des Mikropartikelherstellungsprozesses mithilfe der organischen Phasenseparation ist das Risiko von flüchtigen (Methylenchlorid, Octamethylcyclotetrasiloxane) und nichtflüchtigen (Polydimethylsiloxane) Restlösungsmitteln, deren Überwachung aufgrund der inhärenten Toxizität für den Patienten sowie der möglichen Auswirkungen auf kritische Qualitätsmerkmale des Produkts für die Prozessentwicklung und -kontrolle von großer Bedeutung ist. Die Gaschromatographie (GC) wird für die Quantifizierung von flüchtigen Restlösungsmitteln in pharmazeutischen Produkten empfohlen. Derzeit ist jedoch keine Methode zur gleichzeitigen Quantifizierung des nichtflüchtigen Silikonöls-Polydimethylsiloxane in Gegenwart des flüchtigen Silikonöls-octamethylcyclotetrasiloxane verfügbar. Eine neuartige H-NMR-Methode wurde erfolgreich entwickelt und validiert, um gleichzeitig flüchtige und nichtflüchtige organische Lösungsmittel und Silikonöle zu quantifizieren, die als Restlösungsmittel in durch organische Phasenseparation hergestellten Mikropartikeln auftreten (Kapitel 3.2). Genauigkeit, Präzision, Spezifität, Linearität, Messbereich, Nachweis- und Bestimmungsgrenze sowie Robustheit wurden in Übereinstimmung mit den Validierungsanforderungen untersucht. Das neuartige H-NMR-Verfahren war in Bezug auf die Methylenchlorid-Quantifizierung weniger empfindlich, in Bezug auf die octamethylcyclotetrasiloxane-Quantifizierung jedoch empfindlicher als die Headspace-Gaschromatographie gemäß Arzneibuch. Zusätzlich war es mit H-NMR möglich, flüchtige und nichtflüchtige Verbindungen gleichzeitig zu quantifizieren, bei weniger umfangreichem Probenvorbereitungsaufwand und geringerem Materialverbrauch als mit der Vergleichsmethode. Es wird erwartet, dass die Eignung des Verfahrens für alle Hilfsstoffe gilt, die in deuterierten Lösungsmitteln löslich sind, die für die Analyse verwendet werden, vorausgesetzt, die erhaltenen Peaks interferieren nicht. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Probenvorbereitung für die H-NMR-Messung weniger umfangreich und weniger anfällig für systematische Fehler ist. Die für die GC erforderliche Messung mithilfe des Standardadditionsverfahrens erhöhte die Probenvorbereitungsschritte, wodurch der Aufwand in Bezug auf Zeit und Kosten sowie die Anzahl der Fehlerquellen erhöht wurde. Aufgrund der Probenvorbereitung nach Gewicht (H-NMR) und nicht nach Volumen (GC) wird für die Verarbeitung flüchtiger organischer Verbindungen ein geringeres Risiko erwartet.
Mit der neuen H-NMR-Methode wurde der Einfluss von Formulierungs- und Prozessparametern auf Lösungsmittelreste in PLGA-basierten Mikropartikeln untersucht, die mithilfe der organischen Phasenseparation hergestellt wurden (Kapitel 3.3). Mikropartikel wurden unter Verwendung des flüchtigen Methylenchlorids als organisches Lösungsmittel, des nichtflüchtigen Silikonöls Polydimethylsiloxan als Nichtlösungsmittel und des flüchtigen Silikonöls Octamethylcyclotetrasiloxan oder Heptan als Extraktionsmittel hergestellt. Untersuchungen zum gleichzeitigen Auftreten von zwei Silikonölen in PLGA-basierten Arzneimittelformen wurden in der wissenschaftlichen Literatur bisher nicht ausführlich diskutiert. Methylenchlorid- und Polydimethylsiloxane-Rückstände wurden durch Verringern der Polymerkonzentration, Erhöhen des Härtungsmittelvolumens und Erhöhen der Härtezeit reduziert, während sie durch das Vorhandensein einer hydrophilen Modellarzneimittelsubstanz erhöht wurden. Zusätzlich konnten Methylenchlorid-Rückstände durch optimierte Trocknungsbedingungen (Vakuum, lange Trocknungszeiten und Trocknungstemperatur nahe Tg) reduziert werden. Während Methylenchlorid-Rückstände unabhängig vom Härtungsmittel (Octamethylcyclotetrasiloxane oder Heptan) und der Polydimethylsiloxane-Zugaberate waren, konnte Polydimethylsiloxane durch Verwendung von Octamethylcyclotetrasiloxane anstelle von Heptan als Extraktionsmittel und durch Verringern der Polydimethylsiloxane-Zugaberate reduziert werden. Methylenchlorid- und Polydimethylsiloxane-Rückstände waren unabhängig von der Koazervationstemperatur. Octamethylcyclotetrasiloxane-Rückstände waren ebenfalls unabhängig von der Koazervationstemperatur. Bei den anderen Parametern verhielt sich Octamethylcyclotetrasiloxane gegensätzlich zu Methylenchlorid und Polydimethylsiloxane. Die Rückstände wurden durch Erhöhen der Arzneimittelbeladung verringert, während sie durch Verringern der Polymerkonzentration, Erhöhen des Härtungsmittelvolumens und Verlängerung der Härtungszeit erhöht wurden. Trotz seiner Flüchtigkeit konnte Octamethylcyclotetrasiloxane selbst unter extremen Trocknungsbedingungen nicht verringert werden. Trotzdem war es im Vergleich zu Heptan aufgrund einer verbesserten Polydimethylsiloxane-Extraktion und signifikant geringerer Rückstände in den Mikropartikeln überlegen. Methylenchlorid und Polydimethylsiloxane können so durch vergleichbare Formulierungs- und Prozessparameter auf Kosten von Octamethylcyclotetrasiloxane-Rückständen beeinflusst werden, die jedoch für alle untersuchten Bedingungen mit einem Restgehalt von weniger als 1 % akzeptabel waren.
Zur Herstellung von Mikropartikeln mithilfe der Lösungsmittelverdampfungsmethode wird eine arzneimittelhaltige Polymerlösung in Methylenchlorid in einer wässrigen Phase mit einem Stabilisator emulgiert. Methylenchlorid wird dann verdampft, um die Mikropartikel zu verfestigen. Dieses Verfahren ist aufgrund des geringeren Lösungsmittelverbrauchs, des einfacheren Aufbaus und der besseren Prozesskontrolle im Vergleich zum Phasenseparationsverfahren vorteilhaft; jedoch können Arzneimittel in die wässrige Phase diffundieren, was geringe Verkapselungseffizienzen und einen hohen Burst verursacht. Eine schnellere Polymerpräzipitation durch beschleunigte Methylenchlorid-Entfernung hilft, diese Probleme zu lösen. Üblicherweise wird dies durch Erhöhen des Volumens der wässrigen Phase erreicht. Große Volumina sind jedoch in industriellen Prozessen oft unerwünscht. Um die Methylenchlorid-Entfernung zu beschleunigen und gleichzeitig das Volumen der wässrigen Phase auf einem Minimum zu halten, wurde die Herstellungstemperatur über den Methylenchlorid-Siedepunkt erhöht und der Einfluss einer erhöhten Temperatur auf arzneimittelbeladene Mikropartikel untersucht (Kapitel 3.4). Interessanterweise zeigte emulgiertes Methylenchlorid in einer 1%-igen Polyvinylalkohol (PVA)-Lösung durch das Auftreten von Siedeverzug einen metastabilen Zustand über seinem Siedepunkt (39,6 °C), bis ein „Limit of Superheat“ erreicht wurde, welches die Temperatur darstellt, bei der eine sofortige Methylenchlorid-Verdampfung auftritt. Somit war die Methylenchlorid-Verdampfung am tatsächlichen Siedepunkt deutlich langsamer als erwartet, und der Siedepunkt in der Emulsion wurde auf eine etwa 2-fach höhere Temperatur (74-79ºC) im Vergleich zu dem reinen Lösungsmittel verlagert. Die Zugabe eines Polymers zu der dispergierten Phase erhöhte das „Limit of Superheat“ weiter auf etwa 84ºC, was für eine beschleunigte Methylenchlorid-Entfernung ungünstig war. Um den Einfluss der Lösungsmittelverdampfung bei erhöhten Temperaturen zu testen, wurden PLGA- Mikropartikel bei 25°C, 55°C, 75°C und 95°C hergestellt und hinsichtlich Partikelgröße, Aussehen, Verkapselungseffizienz, Restlösungsmittel und Arzneimittelfreisetzung untersucht. Die verwendete Modellarzneimittelsubstanz war in Methylenchlorid löslich. Durch Erhöhen der Temperatur wurde die Prozesszeit unabhängig von der Wirkstoffbeladung von etwa 12 Stunden (25°C) auf weniger als 1 Minute (95° C) verringert. Die Partikelgröße wurde nur oberhalb des „Limit of Superheat“ beeinflusst: Durch Erhöhen der Temperatur auf 95°C wurde die Partikelgröße aufgrund einer explosiven Methylenchlorid-Verdampfung, ausreichend für das Zerreißen von Tropfen, um die Faktoren 15, 10 und 9 für 0, 10 und 30 % Wirkstoffbeladung signifikant verringert. Die Verkapselungseffizienz wurde bei Temperaturen oberhalb der Polymer-Tg (45-50ºC) zunächst verringert. Ein weiterer Temperaturanstieg auf 95°C beschleunigte jedoch die Methylenchlorid-Entfernung in einem solchen Ausmaß, dass eine beschleunigte Polymerpräzipitation dazu führte, dass die Verkapselungseffizienz wieder anstieg. Restlösungsmittel sowie die Oberflächenmorphologie waren für alle Arzneimittelbeladungen unabhängig von der Herstellungstemperatur. Die innere Porosität hing jedoch von der Herstellungstemperatur ab. Das Erhöhen der Temperatur auf 55°C und 75°C führte zur Bildung innerer Poren aufgrund einer Expansion von Gasblasen, die nicht aus der Polymermatrix entweichen konnten. Im Gegensatz dazu zeigten die bei 95 ° C hergestellte Partikel keine inneren Hohlräume. Die Arzneimittelfreisetzung aus den mit 10 % Arzneistoff-beladenen Formulierungen war für die bei 25°C, 55°C und 75°C hergestellten Formulierungen vergleichbar, während für die bei 95°C hergestellte Formulierung die anfängliche Arzneimittelfreisetzung schneller war. Die Arzneimittelfreisetzung war jedoch für alle Herstellungstemperaturen innerhalb von etwa 60 Tagen abgeschlossen. Die Arzneimittelfreisetzung aus den mit 30 % Arzneistoff-beladenen Formulierungen war für alle Herstellungstemperaturen innerhalb von 10 bis 12 Tagen abgeschlossen und unabhängig von der PLGA-Hydrolyse. Die Ergebnisse zeigten, dass Mikropartikel bei erhöhten Prozesstemperaturen hergestellt werden konnten, die beschleunigte Methylenchlorid-Entfernung jedoch durch das Vorhandensein eines metastabilen Zustands und des „Limit of Superheat“ behindert wird, was sich auf die kritischen Qualitätsmerkmale der Mikropartikel auswirkt.
Zusammenfassend wurden wichtige Formulierungs- und Prozessparameter identifiziert, die die Eigenschaften von PLGA-basierten Mikropartikeln beeinflussen, die durch ein Phasentrennungsverfahren hergestellt wurden und die die Prozessrobustheit in zukünftigen Studien verbessern sollen. Zusätzlich wurde eine neuartige Analysemethode entwickelt, die neue Erkenntnisse über die Auswirkung von Formulierungs- und Prozessparametern auf den Restlösemittelgehalt in Mikropartikeln lieferte. Insbesondere konnten flüchtige und nichtflüchtige Silikonöle gleichzeitig untersucht werden. Darüber hinaus konnte die Methylenchlorid-Entfernungsrate während der Herstellung von Mikropartikeln per Lösungsmittelverdampfungsmethode mit zunehmender Temperatur erhöht werden. Die zum Verdampfen von Methylenchlorid erforderliche Energie war jedoch aufgrund des Auftretens eines Siedeverzugs der Emulsion deutlich höher als erwartet. Die Ergebnisse trugen zum Verständnis des Lösungsmittelverdampfungsprozesses bei und könnten als Grundlage für zukünftige Ansätze zur Prozessoptimierung durch beschleunigte Methylenchlorid-Entfernung dienen.
