Menthol-beladene Lipidnanopartikel für Consumer-Care: Entwicklung & optimierte Charakterisierung

Abstract

Menthol findet aufgrund seines angenehmen Geschmacks, Kühleffekts und Geruchs breite Verwendung. Da Menthol eine sehr geringe Wasserlöslichkeit aufweist, ist eine herkömmliche flüssige Formulierung mit Menthol nur möglich, wenn es in Öl oder in Ethanol gelöst ist. Eine solche Formulierung eignet sich jedoch nicht für Kinder oder für Menschen, die Ethanol vermeiden. Außerdem können Formulierungen, die Menthol in hohen Konzentrationen enthalten, die Schleimhaut reizen. Aus diesen Gründen war das erste Ziel dieser Arbeit die Entwicklung einer leicht anwendbaren, flüssigen Formulierung ohne Ethanol, welche eine verlängerte Freisetzung von Menthol ermöglicht, um Reizungen zu vermeiden. Als Trägersystem wurden nanostrukturierte Lipidträger (NLC) ausgewählt. Die optimale Zusammensetzung der Lipid-Nanopartikel wurde durch ein Lipid-Screening mittels DSC und durch ein Tensid-Screening mittels Kontaktwinkelbestimmung ermittelt. Die entwickelten Formulierungen wurden unter Verwendung einer Heißhochdruckhomogenisierung hergestellt. Ein systematischer Vergleich der Produktionsparameter ergab, dass der optimale Herstellungsprozess mit drei Homogenisierungszyklen bei einem Druck von 500 bar und mittels Creme-Schmelzverfahren erfolgt. Dieses Verfahren führt zu stabilen Lipidnanopartikeln im Submikrometerbereich mit enger Partikelgrößenverteilung und mit ZP-Werten über -40 mV. Die Partikel blieben auch nach Langzeitlagerung (über 1 Jahr) und Versprühen stabil. Die Ergebnisse der membranfreien in vitro-Freisetzungsstudie und der in vivo- Freisetzungsstudie zeigten eine verlängerte Freisetzung von Menthol im Vergleich zu herkömmlichen mentholhaltigen Mundspülungen. Das Kristallisationsverhalten der entwickelten Lipidnanopartikel ist durch eine geringe Menge der niedrigschmelzenden Modifikation gekennzeichnet. Daher kann eine Instabilität während der Lagerung aufgrund der polymorphen Transformation ausgeschlossen werden. Das sanfte Herstellungsverfahren bei einer niedrigeren Temperatur kann die Wirksamkeit der Verkapselung von Wirkstoffen mit einem relativ hohen Dampfdruck wie z.B. Menthol erhöhen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden ausgewählte Prozesse der Entwicklung, Charakterisierung und Lagerung von Lipidnanopartikeln systematisch untersucht und optimiert. Für das Lipid- Screening wurden die herkömmliche DSC-Methode, die mikroskopische Methode und eine neu entwickelte Suppositorien-Methode verglichen. Die Mikroskop- und die Suppositorien-Methode erwiesen sich als einfache und effiziente Methoden zur Vorhersage der physikalischen Stabilität von Lipidnanopartikel-Dispersionen. Bzgl. dem Tensid-Screening via Goniometer wurde gezeigt, dass der Kontaktwinkel stark von der Probenvorbereitung abhängt. Für die Partikelgrößenanalyse durch Laserdiffraktometrie wurde festgestellt, dass es andere, bisher unbekannte Fehlerquellen gibt, z.B. das Instrument für die Probenahme, die Rührgeschwindigkeit und die Verwendung von Beschallung. Diese Fehlerquellen können zu falschen Ergebnissen führen, nach ihrem vollständigen Verständnis aber auch vorteilig zur Vorhersage der Probenstabilität zu einem sehr frühen Entwicklungszustand genutzt werden. Bei der dynamischen Differenzkalorimetrie wurde gezeigt, dass die DSC-Ergebnisse durch den Wassergehalt der Probe beeinflusst werden. Daher sollte für die Bestimmung der Enthalpien eine auf den Lipidgehalt basierende Berechnung erfolgen. Für den in vitro Occlusionstest nach de Vringer wurde gezeigt, dass der Test in einer üblichen Klimakammer kostengünstig durchgeführt werden kann, indem eine gesättigte Lösung von Natriumbromid verwendet wird, die indirekt die Feuchtigkeit reguliert. Abschließend wurde gezeigt, dass auch die primären Verpackungsmaterialien und die Lagertemperatur die physikalische und chemische Stabilität der verpackten Produkte beeinflussen. Wenn langfristige physikalische Stabilitätstests durchgeführt werden, sollte Glas Typ 1 verwendet werden. Für kurzfristige physikalische Stabilitätstests können weniger kostspielige Materialien, z.B. HDPE oder PP verwendet werden.

Menthol is widely used because of its minty taste, cooling effect and pleasant odour. Since menthol has very low water solubility, a liquid formulation is only possible, if it is dissolved in oily medium or in ethanol. However, such a formulation is not suitable for children or for people, who avoid ethanol. Additionally, formulations containing menthol in high concentrations could irritate the mucous membrane. For these reasons the aim of the first part of this work was to develop an easy to apply, liquid formulation without ethanol and prolonged release of menthol to avoid irritation. As carriers systems for menthol nanostructured lipid carriers (NLC) were selected. With the objective of being used in consumer care products the optimal composition of the lipid nanoparticles were determined by a lipid screening using the DSC method and with a surfactant screening by using contact angle determination. The developed formulations were produced by using hot high-pressure homogenization. A systematic comparison of the production parameters revealed that the best production process included three homogenization cycles at a pressure of 500 bar and a cream melting process. This process leads to stable solid particles in the submicron range with narrow particle size distribution and with ZP-values higher than -40 mV. The particles remain stable after long term storage (over 1 year) and after spraying with a noozle. The results of both, a membrane-free in vitro release study and an in vivo release study, indicate a prolonged release of menthol compared with conventional menthol- containing mouthwash. The crystallization behavior of the lipid nanoparticles in the developed formulation is characterized by a small amount of the low- melting modification. Hence instability during storage due to the polymorphic transformation can be excluded. The gentle production method at a lower temperature can improve the encapsulation efficacy of materials with relatively high vapour pressure, e.g. such as menthol In the second part of the work selected processes for the development, characterization, and storage of the lipid particles were systematically studied and optimized The lipid screening method was optimized by comparing the conventional DSC method, and a microscopic method and the newly developed “suppository” method. The microscope and the suppository method were shown to be an easy and efficient method for predicting the physical stability of lipid nanoparticle dispersions. With regard to the surfactant screening via goniometer it was shown that the contact angle results strongly depend on the method used for the sample preparation. For the particle size analysis by laser diffractometry it was found that there are other, previously unknown pitfalls, e.g. instrument for sampling, the stirring speed and the use of sonication. The pitfalls can lead to uncorrect results, but can be used – if understood – to predict the stability of the samples at a very early state of the development Within the scope of differential scanning calorimetry it was shown that the DSC results are influenced by the water content of a sample. Therefore, for the calculation of enthalpies, methods based on lipid content only should be preferred. For the in vitro Occlusion test after de Vringer, it has been shown that the test can be cost-effectively performed in a usual climate chamber by using a saturated solution of sodium bromide which regulates indirectly the humidity. Finally, it was shown that the primary packaging materials and the storage temperature affect the physical and chemical stability of the packaged products. If long-term physical stability tests are performed only glass type 1 type packaging material should be used. For short term-physical stability tests less costly materials, e.g. HDPE or PP can be used.