Gelatin nanoparticles & nanocrystals for dermal delivery

Abstract

Several parameters of the classical two-step desolvation technique including the starting gelatin concentration, the precipitation time, the pH value, the desolvation temperature and the desolvating agent were optimized. Ultrafine GNPs were successfully produced by the modified two-step desolvation technique. The preparation temperature can be lowered to 40◦C, which facilitates the application of GNPs as carriers for proteins and peptides. The in vitro characterization results showed that GNPs possess spherical conformation with a mean particle size of 56 ± 4 nm. A good compatibility of GNPs with different gels was observed, as the particle size and PI remained stable after incorporation into a variety of gels over one month. The results of the long term stability test indicated Euxyl® PE 9010 to be an optimal preservative for GNPs based dermal formulations. Ultrafine GNPs were produced by the modified two-step desolvation technique developed in the preceding chapter while traditional GNPs were produced via the classical desolvation method. Lysozyme loading was performed at different production steps of GNPs. Limited increase in particle size was observed when drug loading was performed at the second desolvation step or after formation of particles. Whereas for both ultrafine and traditional GNPs, the first desolvation step was demonstrated to be an inappropriate choice for drug loading as noticeable increase in particle size was observed. The results of the in vitro characterization demonstrated ultrafine GNPs to be a more promising delivery system for dermal application of enzymes. Compared to traditional GNPs, ultrafine GNPs possess smaller particle size, higher drug loading capacity, faster drug release and preserved biological activity of lysozyme. A fast drug release was observed when drug loading was performed after the formation of GNPs, as lysozyme molecules were mainly adsorbed onto the particle surface. A biphasic pattern of drug release was observed when drug loading was performed prior to the formation of particles. The initial burst is due to desorption of surface associated lysozyme and the prolonged release is due to the release of lysozyme from particle matrix. The lower drug loading capacity and much slower drug release of traditional GNPs are due to the large particle size and smaller specific surface area compared to ultrafine GNPs. A novel concept was introduced for the first time to transfer medium soluble actives into nanocrystals for dermal application, utilizing the depot function of nanocrystals. Caffeine nanocrystals were produced by both high pressure homogenization and low energy pearl milling. Pronounced crystals growth was observed due to supersaturation effects when applying high energy homogenization technique. Caffeine nanocrystals with particle size of 660 nm (optimal for hair follicle accumulation) or 250 nm (with high Cs and dissolution velocity) were obtained by pearl milling generated by different milling times. Several stabilizers were evaluated and Carbopol® 981 showed the best stabilization effect. This is due to the steric effect caused by the uncoiled acrylic acid molecules. Furthermore, Carbopol® 981 can protonate and positively charge crystal surfaces. Thus electrical repulsion also contributes to the stabilization of caffeine nanosuspension. A variety of water-ethanol mixtures and ethanol-propylene glycol mixture were applied as dispersion medium. The dispersed caffeine nanosuspension possessed better physical stability with ethanol-propylene glycol in a ratio of 7:3 compared to the water-ethanol dispersed ones due to the lower solubility of caffeine in the medium and consequently reduced Ostwald ripening process.

Mehrere Parameter der klassischen Zwei-Stufen-Desolvatisierungstechnik, wie die Ausgangskonzentration der Gelatine, die Fällungszeit, der pH-Wert, die Temperatur der Desolvatisierung und die Auswahl des Desolvatisierungsmittels wurden variiert und optimiert um ultrafeine GNPs erfolgreich herzustellen. Die Ergebnisse der in vitro Untersuchungen zeigten eine kugelförmige Form GNPs mit einer mittleren Teilchengröße von 56 ± 4 nm. Nach Einarbeiten der GNPs in verschiedene Gelgrundlagen blieben sowohl die Teilchengröße als auch der PdI über einen Monat stabil, wodurch eine gute Kompatibilität der GNPs mit verschiedenen Gelgrundlagen nachgewiesen werden konnte. Die Ergebnisse der Studie zur Ermittlung der Langzeitstabilität zeigten, dass Euxyl® PE 9010 das optimale Konservierungsmittel für GNP basierte dermale Formulierungen ist. Ultrafeine GNPs wurden durch die modifizierte Zwei-Stufen- Desolvatisierungstechnik, welche im vorhergehenden Kapitel entwickelt wurde, produziert. Die traditionellen GNPs hingegen wurden unverändert über den klassischen Weg hergestellt. Die Beladung mit dem Modellenzym Lysozym erfolgte bei verschiedenen Produktionsschritten der GNPs. Eine geringe Zunahme der Partikelgröße konnte dann beobachtet werden, wenn die Wirkstoffbeladung bei dem zweiten Schritt der Desolvatisierung oder nach der Ausbildung der Partikel erfolgte. Die Zugabe des Lysozyms im ersten Stritt der Desolvatisierung dagegen zeigte sowohl bei der Zwei-Stufen-Desolvatisierungstechnik als auch beim klassischen Produktionsverfahren der GNPs eine deutliche Zunahme der Partikelgrößen und wurde folglich als ungeeigneter Zeitpunkt zur Wirkstoffbeladung ermittelt. Die Ergebnisse der in vitro Charakterisierung haben gezeigt, dass ultrafeine GNPs ein vielversprechendes Abgabesystem für die dermale Anwendung von Enzymen ist. Im Vergleich zu herkömmlichen GNPs, besitzen sie kleinere Partikelgrößen, eine höhere Beladbarkeit mit Wirkstoffen, eine schnellere Wirkstofffreisetzung und die Möglichkeit der Konservierung von biologisch aktivem Lysozym. Erstmals wurde ein Verfahren zur Produktion von Nanokristallen mittellöslicher Wirkstoffe entwickelt und angewandt um von der bekannten Depotwirkung der Nanokristalle zu profitieren. Koffeinnanokristalle wurden sowohl durch die Hochdruckhomogenisation als auch durch die Perlenmühle hergestellt. Bei der Produktion mittels Hochdruckhomogenisation konnte aufgrund der hohen Energiezufuhr ein Übersättigungseffekt beobachtet werden, einhergehend mit starkem Wachstum der Kristalle. Mithilfe der Perlenmühle, ein Verfahren mit geringer Energiezufuhr, konnten erfolgreich durch Variation der Mahlzeit Koffeinnanokristalle mit Partikelgrößen von 660 nm (optimal für die Akkumulation in Haarfollikeln) oder 250 nm (mit höherer Sättigungskonzentration und Auflösungsgeschwindigkeit) hergestellt werden. Mehrere Stabilisatoren wurden untersucht, wobei Carbopol® 981 den besten Stabilisierungseffekt zeigte. Die ungewundenen Acrylsäuremoleküle sorgen für eine sterische Stabilisierung. Darüber hinaus besitzt Carbopol® 981 die Fähigkeit zur Protonierung und bewirkt dadurch eine positive Aufladung der Kristalloberflächen. Eine elektrische Abstoßung trägt somit ebenfalls zur Stabilisierung der Suspension bei. Wasser-Ethanol Mischungen in variierenden Volumenverhältnissen und ein Ethanol-propylenglykol Gemisch wurden auf ihre Tauglichkeit als Dispersionsmedium untersucht. In einem Gemisch aus Ethanol und Propylenglykol, in einem Volumenverhältnis von 3 zu 7, suspendierte Koffeinnanokristalle besaßen eine bessere physikalische Stabilität als in einem Gemisch aus Wasser und Ethanol aufgrund der geringeren Löslichkeit von Koffein im erstgenannten Medium und dadurch reduzierten Ostwald Reifung.