Solvent removal from biodegradable microparticles prepared by solvent extraction/evaporation methods

Abstract

Biodegradable poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) microparticles enable the controlled parenteral administration of drugs. Commonly used microencapsulation methods require the dissolution of PLGA in organic solvents. The removal of these solvents during the manufacturing process is essential to obtain solid microparticles. In addition, a low residual solvent content must be achieved in the final product to ensure storage stability and patient safety. In this dissertation the solvent removal during the preparation of microparticles with the O/W solvent extraction/evaporation method was investigated. In this method, an organic (O) phase containing drug, PLGA and organic solvent (dichloromethane or ethyl acetate) was emulsified in an aqueous polyvinyl alcohol solution (W) by a classical batch process or by microfluidic flow focusing. The effect of various formulation and process parameters was investigated in order to optimize the properties of PLGA microparticles with regard to minimal residual solvent levels at high drug loadings and encapsulation efficiencies and optimal drug release profiles. The initial removal of organic solvent had a great effect on the properties of the microparticles and is usually controlled by two steps, the solvent dissolving in the continuous aqueous phase and the solvent evaporation rate. One-step dilution and continuous diafiltration were investigated to control the initial solvent extraction. The latter replaced the normally required large-volume manufacturing equipment and the O/W emulsion transfer. Accelerated extraction of the PLGA solvent dichloromethane shortened the process time until the microparticles were solidified and thus collectable. Increasing the diafiltration rate increased the particle size, porosity and drug loading of the microparticles. The encapsulation efficiency of risperidone was significantly increased from 62 % to up to 80 % in PLGA 503H microparticles and from 27 % to up to 75 % in PLGA 753S microparticles. A slower and more uniform solidification of the end-capped and higher lactide content PLGA 753S was identified as the reason for the increased drug loss without diafiltration. The residual dichloromethane content was not affected by diafiltration, but decreased by increasing the temperature, because the final solvent removal was limited by the diffusivity within the PLGA phase. Accelerated solvent extraction by diafiltration did not affect the in-vitro release of risperidone from both PLGA 503H and PLGA 753S microparticles. The effect of diafiltration on the extent of dexamethasone burst release depended on the drug loading. Increased porosity enhanced percolation if a large amount of undissolved drug crystals was present in the PLGA matrix. By increasing the process temperature during diafiltration, the unwanted burst release could be reduced because of a reduced microparticle porosity. Due to its complete miscibility with water, methanol as a co-solvent was extracted significantly faster than dichloromethane from the dispersed phase. Increasing the methanol content above 2.5 % (w/w) resulted in an increased porosity, drug loss and burst release. The final dichloromethane extraction was faster, although methanol had already been completely extracted from the PLGA-phase. The residual dichloromethane content after 24 h was reduced from 2.4 % (w/w) (without methanol) to below 0.5 % (w/w) if ≥ 2.5 % (w/w) methanol were used as a co-solvent. The resulting porosity did not explain this, because, if caused by diafiltration, it had no effect on the residual solvent content. Therefore, the effect of alcohols in the continuous phase on the solvent extraction was investigated further. The final removal of the residual solvent from the microparticles was performed by wet extraction and secondary drying methods. With decreasing residual solvent content, the solvent removal became significantly slower as the diffusivity in the PLGA matrix decreased due to a decreasing plasticizing effect and free volume. A higher molecular weight and end-capping of PLGA increased the residual solvent content due to an increasing affinity for dichloromethane, viscosity and droplet/particle size. Increasing the lipophilicity of PLGA with a higher lactide content did not increase the residual dichloromethane content because a slower droplet solidification facilitated the final solvent extraction. The removal of residual dichloromethane was more efficient with alcoholic wet extraction, followed by aqueous wet extraction at elevated temperature and vacuum drying of the microparticles. Aqueous wet extraction reduced the residual dichloromethane content of risperidone-loaded PLGA 503H microparticles to 2.43 % (w/w) (20 °C) and 0.03 % (w/w) (35 °C) in 24 h. The elevated temperature promoted the risperidone-caused degradation of PLGA resulting in visible microparticle erosion and a decrease of risperidone encapsulation efficiency from 88 % to 75 %. Early filtration and subsequent vacuum drying of the solidified microparticles prevented this unwanted erosion of microparticles and drug loss. The residual dichloromethane content in filtered PLGA 503H microparticles was only reduced from about 5 % (w/w) to 4.34 % (w/w) (20 °C) and 3.20 % (w/w) (35 °C) after 18 h vacuum drying because of the missing plasticizing effect of water. Redispersing filtered wet microparticles in alcoholic media improved the residual dichloromethane extraction. The potential of different extractants was explained by the Gordon-Taylor equation and Hansen solubility parameters. Short-chain monohydric alcohols decreased the glass transition temperature of PLGA more than polyhydric alcohols, water or dichloromethane. Ethanol had the greatest plasticizing effect of all investigated solvents. A higher chain length of monohydric alcohols increased the affinity to PLGA and thus the solvent absorption, but also the tendency of agglomeration of the microparticles. Extraction in methanol: or ethanol:water mixtures efficiently reduced the residual dichloromethane content from 4 - 7 % (w/w) to 0.5 - 2.3 % (w/w) within 1 h and 0.08 - 0.18 % (w/w) within 6 h. Increasing the alcohol content and temperature promoted microparticle aggregation and drug loss. An alcohol vapor-assisted fluidized bed drying process for microparticles was developed to avoid the loss of encapsulated drug and thus utilize the potential of alcoholic extraction of the solvent residues from the microparticles. By regulating the alcohol concentration and the temperature of the purge gas, the alcohol absorption and the residual solvent and alcohol removal were controlled. Methanol proved to be particularly efficient in the developed setup due to its high volatility, molecular mobility and PLGA-affinity. The absorbed methanol was easily removed by alcohol-free fluidized bed or vacuum drying. While alcohol-free fluidized bed drying decreased the residual dichloromethane content only from about 7 % (w/w) to 6.4 % (w/w) (18 °C) or 0.7 % (w/w) (45 °C) within 24 h, 140 mg/L methanol vapor in the purge gas decreased the residual dichloromethane content to 0.11 % (w/w) in 2 h and removed it completely within 6 h. Methanol vapor also removed efficiently residual ethyl acetate from the microparticles (0.11 % (w/w) after 6 h), which is an alternative PLGA solvent to dichloromethane. Encapsulated risperidone increased the methanol absorption and thus contributed to microparticle plasticization. A high initial residual water content, which favored microparticle aggregation, was completely removed in less than 1 h by alcohol-free fluidized bed drying, which enabled the subsequent alcohol vapor-assisted removal of the residual organic solvent. Alcohol vapor-assisted fluidized bed drying was introduced as a promising alternative to established residual solvent removal methods, accelerating microparticle preparation without negatively affecting drug loading or release profile. A continuous process for the preparation of monodisperse PLGA microparticles by microfluidic flow-focusing was developed as an alternative to the discontinuous preparation by the classical batch process. For methodological reasons, smaller O/W phase ratios (1:2 - 1:8) were used compared to the batch process (≥ 1:20). The resulting limited initial solvent extraction resulted in a low risperidone encapsulation efficiency of only 19 - 21 % at a theoretical drug loading of 30 %. The buffering of the continuous phase to alkaline pH increased encapsulation efficiency up to 93 % but led to a change in the microfluidic droplet formation and thus microparticle size. This could be counteracted by reducing the total flow rate and the amount of stabilizer in the continuous phase. The in-vitro release of risperidone was delayed from microparticles prepared by microfluidic compared to similar-sized polydisperse microparticles prepared by the batch process probably because of a more homogeneous drug distribution within the PLGA-matrix. A continuous dilution-based solvent extraction process was developed, and the effect on droplet shrinkage examined with flow microscopy. A phase ratio of at least 1:100 after dilution and a sufficient extraction time (75 s at 1:100 and 15 s at 1:500) were necessary to shrink the droplets to the particle size of the final microparticles. Increasing the temperature or adding methanol to the continuous phase improved the dichloromethane extraction but impaired the process stability due to the formation of gas bubbles or sticking of droplets/particles. A tangential flow filtration (TFF) process was developed to separate the dichloromethane-enriched continuous phase from the microparticles. In conclusion, the effect of various formulation and process parameters on the removal of solvents in extraction/evaporation methods and on critical properties of the final microparticles such as drug loading and drug release was investigated. Methods were developed which accelerate both the initial and final removal of the organic solvents, thus shortening the total process time. In addition, high encapsulation efficiencies and desirable drug release profiles (e.g., low burst release) were achieved. This research contributes to know-how in the manufacturing of biodegradable PLGA microparticles by the solvent extraction/evaporation method through a detailed investigation of various single and combined solvent removal processes and their effects on the resulting properties of PLGA microparticles.

Bioabbaubare Poly(lactid-co-glycolid) (PLGA) Mikropartikel ermöglichen die kontrollierte parenterale Gabe von Arzneistoffen. Die üblicherweise verwendeten Mikroverkapslungsverfahren erfordern das Auflösen von PLGA in organischen Lösungsmitteln. Die Entfernung dieser Lösungsmittel während des Herstellungsprozesses ist essenziell, um ausgehärtete Mikropartikel zu erhalten. Darüber hinaus muss ein niedriger Restlösungsmittelgehalt im Endprodukt erreicht werden, um Lagerstabilität und Patientensicherheit zu gewährleisten. In dieser Dissertation wurde die Lösungsmittelentfernung während der Mikropartikelherstellung mit der O/W Lösungsmittelextraktions/-verdampfungsmethode untersucht. In dieser Methode wurde eine organische (O) Phase aus Arzneistoff, PLGA und Lösungsmittel (Dichlormethan oder Ethylacetat) zunächst in einem klassischen Batchprozess oder durch mikrofluidische Flussfokussierung in eine wässrige Polyvinylalkohollösung (W) emulgiert. Der Einfluss verschiedener Formulierungs- und Prozessparametern wurde untersucht, um die Eigenschaften von PLGA-Mikropartikeln im Hinblick auf minimale Restlösungsmittelmengen bei hohen Wirkstoffbeladungen und Verkapselungseffizienzen sowie optimale Wirkstofffreisetzungsprofile zu optimieren. Die initiale Entfernung von organischem Lösungsmittel hat großen Einfluss auf die Eigenschaften der resultierenden Mikropartikel und ist in der Regel durch zwei Schritte gesteuert: das Lösen des Lösungsmittels in der kontinuierlichen wässrigen Phase und die Verdampfungsrate des Lösungsmittels. Eine einstufige Verdünnung und Diafiltration wurden zur Steuerung der initialen Lösungsmittelextraktion untersucht. Letzteres ersetzte das üblicherweise notwendige großvolumige Herstellungsequipment und den O/W-Emulsionstransfer. Die beschleunigte Extraktion des PLGA-Lösungsmittels Dichlormethan verkürzte die Prozesszeit, bis die Mikropartikel verfestigt und damit abtrennbar waren. Die Erhöhung der Diafiltrationsrate erhöhte die Partikelgröße, die Porosität und die Arzneistoffbeladung der Mikropartikel. Die Verkapslungseffizienz von Risperidon wurde erheblich erhöht, von 62 % auf bis zu 80 % in PLGA 503H Mikropartikeln bzw. von 27 % auf bis zu 75 % in PLGA 753S Mikropartikeln. Eine langsamere Verfestigung von Mikropartikeln aus PLGA 753S mit veresterten Endgruppen und erhöhtem Lactidgehalt wurde als Grund für den erhöhten Arzneistoffverlust ohne Diafiltration identifiziert. Der Restgehalt an Dichlormethan wurde nicht durch Diafiltration, sondern nur durch die Erhöhung der Temperatur gesenkt, da die finale Lösungsmittelentfernung durch die Diffusivität innerhalb der PLGA-Phase limitiert war. Die beschleunigte Lösungsmittelextraktion durch Diafiltration hatte keinen Einfluss auf die in-vitro-Freisetzung von Risperidon sowohl aus PLGA 503H als auch aus PLGA 753S Mikropartikeln. Der Freisetzungsburst von Dexamethason nahm je nach Arzneistoffbeladung ab oder zu. Eine durch die schnelle Lösungsmittelextraktion erhöhte Porosität verstärkte die Perkolation ungelöster Arzneistoffkristalle bei hoher Arzneistoffbeladung. Durch eine Erhöhung der Prozesstemperatur während der Diafiltration konnte der unerwünschte Freisetzungsbursts aufgrund einer geringeren Porosität der Mikropartikel reduziert werden. Aufgrund seiner vollständigen Mischbarkeit mit Wasser wurde das Co-Lösungsmittel Methanol schneller als Dichlormethan extrahiert. Die Erhöhung des Methanolanteils über 2,5 % (m/m) führte zu einer zunehmenden Mikropartikelporosität, sinkenden Dexamethasonbeladung und einer Erhöhung des Freisetzungsbursts. Die finale Dichlormethanextraktion verlief schneller, obwohl Methanol bereits vollständig aus der PLGA-Phase extrahiert war. Der Restdichlormethangehalt nach 24 h wurde von 2,4 % (m/m) (ohne Methanol) auf unter 0,5 % (m/m) gesenkt, wenn mindestens 2,5 % (m/m) Methanol als Co-Lösungsmittel verwendet wurden. Die resultierende Porosität erklärte dies nicht hinreichend, da sie, sofern durch Diafiltration verursacht, keinen Einfluss auf den Restlösungsmittelgehalt hatte. Daher wurde der Effekt von Alkoholen in der kontinuierlichen Phase auf die Lösungsmittelextraktion weiter untersucht. Die finale Entfernung von Lösungsmittelrückständen aus den Mikropartikeln wurde mit Nassextraktions- und sekundären Trocknungsmethoden durchgeführt. Mit einem sinkendem Restlösungsmittelgehalt wurde die Lösungsmittelentfernung deutlich langsamer, da die Diffusivität in der PLGA-Matrix aufgrund eines sinkenden weichmachenden Effektes und freien Volumens abnahm. Die Erhöhung des Molekulargewichtes und die Endgruppenveresterung von PLGA führten zu einer leichten Erhöhung des Restlösungsmittelgehaltes, aufgrund der ansteigenden Affinität für Dichlormethan, Viskosität und Tröpfchen/Partikelgröße. Die Erhöhung der Lipophilie von PLGA durch einen höheren Lactidgehalt erhöhte den Restdichlormethangehalt nicht, da eine langsamere Tröpfchenverfestigung die finale Lösungsmittelextraktion erleichterte. Die Entfernung von Restdichlormethan war effizienter mit alkoholischer Nassextraktion, gefolgt von wässriger Nassextraktion bei erhöhter Temperatur und Vakuumtrocknung der Mikropartikel. Durch die wässrige Nassextraktion wurde der Restdichlormethangehalt von Risperidonbeladenen Mikropartikeln aus PLGA 503H auf 2,43 % (m/m) (20 °C) bzw. 0,03 % (m/m) (35 °C) in 24 h reduziert. Die erhöhte Temperatur verstärkte den durch Risperidon verursachten Abbau von PLGA, was zu einer sichtbaren Mikropartikelerosion und der Senkung der Verkapslungseffizienz von 88 % auf 75 % führte. Eine frühzeitige Filtration und anschließende Vakuumtrocknung der verfestigten Mikropartikel verhinderte diese unerwünschte Erosion der Mikropartikel und den Verlust von Wirkstoffen. Der Restdichlormethangehalt in PLGA 503H Mikropartikeln wurde nach 18 h Vakuumtrocknung jedoch nur von etwa 5 % (m/m) auf 4,34 % (m/m) (20 °C) bzw. 3,20 % (m/m) (35 °C) gesenkt, da die weichmachende Wirkung des Wassers fehlt. Das Redispergieren von abfiltrierten, nassen Mikropartikeln in alkoholischen Medien verbesserte die Restdichlormethanextraktion. Das Potenzial verschiedener Extraktionsmittel wurde mit der Gordon-Taylor-Gleichung und den Hansen-Löslichkeitsparametern erklärt. Kurzkettige einwertige Alkohole senkten die Glasübergangstemperatur von PLGA stärker als mehrwertige Alkohole, Wasser oder Dichlormethan. Ethanol hatte von allen untersuchten Lösungsmitteln die stärkste weichmachende Wirkung. Eine höhere Kettenlänge der einwertigen Alkohole erhöhte die Affinität zu PLGA und damit die Lösungsmittelabsorption, aber auch die Tendenz zur Agglomeration der Mikropartikel. Die Extraktion in Methanol: oder Ethanol:Wasser-Gemischen reduzierte den Restgehalt an Dichlormethan effizient von 4 - 7 % (m/m) auf 0,5 - 2,3 % (m/m) innerhalb von 1 h und auf 0,08 - 0,18 % (m/m) innerhalb von 6 h. Die Erhöhung des Alkoholgehaltes und der Temperatur führte vermehrt zu einer Aggregation der Mikropartikel und einem Verlust des verkapselten Arzneistoffes. Ein Alkoholdampfunterstütztes Wirbelschichttrocknungsverfahren für Mikropartikel wurde entwickelt, um den Verlust von verkapseltem Arzneistoff zu vermeiden und so das Potenzial der alkoholischen Extraktion von Lösungsmittelrückständen aus Mikropartikeln zu nutzen. Durch Regulierung der Alkoholkonzentration und der Temperatur des Spülgases konnten die Alkoholabsorption und die Lösungsmittel- und Alkoholentfernung gesteuert werden. Methanol erwies sich in der entwickelten Versuchsanordnung aufgrund seiner hohen Volatilität, molekularen Mobilität und PLGA-Affinität als besonders effektiv und konnte mittels alkoholfreier Wirbelschicht- oder Vakuumtrocknung leicht wieder entfernt werden. Während die alkoholfreie Wirbelschichttrocknung den Restdichlormethangehalt innerhalb von 24 h nur von etwa 7 % (m/m) auf 6,4 % (m/m) (18 °C) bzw. 0,7 % (m/m) (45 °C) senkte, reduzierten 140 mg/L Methanoldampf im Spülgas das Restdichlormethan auf 0.11 % (m/m) in 2 h und entfernten es vollständig in 6 h. Methanoldampf entfernte ebenfalls effizient Restethylacetat aus den Mikropartikeln (0,11 % (w/w) nach 6 Stunden), welches ein alternatives PLGA-Lösungsmittel zu Dichlormethan ist. Verkapseltes Risperidon erhöhte die Methanolabsorption der Mikropartikel und trug so zum Erweichen dieser bei. Ein hoher anfänglicher Restwassergehalt, der die Aggregation begünstigte, wurde durch eine alkoholfreie Wirbelschichttrocknung in unter 1 h vollständig entfernt, dies ermöglichte die anschließende alkoholdampfunterstützte Entfernung des organischen Restlösungsmittels ohne Mikropartikelaggregation. Die alkoholdampfunterstützte Wirbelschichttrocknung wurde als vielversprechende Alternative zu den etablierten Verfahren zur Entfernung von Lösungsmittelrückständen eingeführt, wodurch die Zeit zur Mikropartikelherstellung verkürzt wird, ohne die Arzneistoffbeladung oder das Freisetzungsprofil negativ zu beeinflussen. Ein kontinuierlicher Prozess zur Herstellung von monodispersen PLGA-Mikropartikeln mittels mikrofluidischer Flussfokussierung wurde als Alternative zur diskontinuierlichen Herstellung im Batchprozess entwickelt. Methodisch bedingt kamen dabei kleinere O/W-Phasenverhältnisse (1:2 - 1:8) zum Einsatz, verglichen mit dem Rührprozess (≥ 1:20). Die daraus resultierende begrenzte initiale Lösungsmittelextraktion und die langsamere Verfestigung der PLGA-Phase führten zu einer geringen Risperidonverkapslungseffizienz von nur 19 - 21 %, bei einer theoretischen Arzneistoffbeladung von 30 %. Die Pufferung der kontinuierlichen Phase auf einen alkalischen pH-Wert führte zu einer Erhöhung der Verkapslungseffizienz auf bis zu 93 %, aber auch der Änderung der mikrofluidischen Tröpfchenbildung und damit der Mikropartikelgröße. Dem konnte durch eine Reduzierung der Gesamtdurchflussrate und der Stabilisatorkonzentration in der kontinuierlichen Phase entgegengewirkt werden. Die in-vitro Freisetzung von Risperidon erfolgte verzögert aus mikrofluidisch hergestellten Mikropartikeln, verglichen mit ähnlich großen polydispersen Mikropartikeln, die im Batchprozess hergestellt wurden, wahrscheinlich wegen einer homogeneren Arzneistoffverteilung in der PLGA-Matrix. Es wurde ein kontinuierliches, auf Verdünnung basierendes Lösungsmittelextraktionsverfahren entwickelt und die Auswirkung auf die Tröpfchenschrumpfung mittels Durchflussmikroskopie untersucht. Ein Phasenverhältnis von mindestens 1:100 nach der Verdünnung und eine ausreichend lange Extraktionszeit (75 s bei 1:100 und 15 s bei 1:500) waren nötig, damit die Tröpfchen auf die Größe der finalen Mikropartikel schrumpften. Die Erhöhung der Temperatur oder der Zusatz von Methanol zur kontinuierlichen Phase verbesserte die Dichlormethanextraktion, beeinträchtigen jedoch die Prozessstabilität durch die Bildung von Gasblasen oder das Verkleben von Tröpfchen/Partikeln. Es wurde ein Tangentialflussfiltrations (TFF) -Prozess entwickelt, um die mit Dichlormethan angereicherte kontinuierliche Phase von den ausgehärteten Mikropartikeln abzutrennen. Insgesamt wurden die Auswirkungen verschiedener Formulierung- und Prozessparameter auf die Lösungsmittelentfernung in Extraktions-/Verdampfungsverfahren und auf die kritischen Eigenschaften der fertigen Mikropartikel wie die Arzneistoffbeladung und -freisetzung untersucht. Es wurden Verfahren entwickelt, die sowohl die initiale als auch die finale Entfernung von organischen Lösungsmitteln beschleunigen und damit die Gesamtprozesszeit verkürzen. Darüber hinaus wurden hohe Verkapselungseffizienzen und wünschenswerte Arzneistofffreisetzungsprofile (z.B. geringe Burst-Freisetzung) erzielt. Diese Forschungsarbeit trägt zum Know-how bei der Herstellung biologisch abbaubarer PLGA-Mikropartikel durch die Lösungsmittelextraktions-/Verdampfungsmethode bei, indem verschiedene einzelne und kombinierte Lösungsmittelentfernungsverfahren und ihre Auswirkungen auf die resultierenden Eigenschaften der PLGA-Mikropartikel eingehend untersucht werden.