Porous Silicon-Based Multicomposites for Controlled Drug Delivery

Abstract

The co-loading of different therapeutic molecules into a single carrier offers several advantages over individual administration. The aim of this dissertation was to develop a robust platform that would enable precise control over the loading and release of different drug cargos to facilitate combination therapy.

Benefiting from numerous attractive features, porous silicon (PSi) materials have emerged as a promising drug delivery system. However, uncontrolled drug release has always been observed on PSi, which can be ascribed to its freely accessible pores.

To seal the pores of the PSi materials and to sustain drug release, the drug-loaded PSi particles were embedded into solid lipid nano- and micromatrices. The PSi-encapsulated solid lipid nanocomposites prepared by the traditional emulsion method exhibit superior stability in aqueous solutions and, most importantly, prolonged drug release. Similarly, the microfluidic templated monodisperse PSi solid lipid microcomposites remarkably sustained the release of either hydrophilic or hydrophobic drugs individually.

To achieve the stimuli-responsive drug delivery, the drug-loaded PSi particles were assembled into pH-responsive polymeric micro- and nanocomposites. Taking advantage of the high loading degrees of PSi materials for both hydrophilic and hydrophobic therapeutics, multiple drugs with varied physicochemical properties were successfully loaded with ratiometric control. The microfluidic assembled micro- and nanocomposites both exhibited pH-responsive properties and tailored drug release kinetics.

In conclusion, PSi-based versatile multicomposites, having the capacity for precisely controlled delivery of simultaneously encapsulated physicochemically distinct cargos, were successfully prepared and characterized. These systems represent a promising platform for future targeted combination therapies.

Erilaisten terapeuttisten molekyylien kerakapselointi yhteen lääkeainekantajaan tarjoaa useita etuja verrattuna yksittäin annosteluun. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli kehittää vakaa systeemi joka mahdollistaa lääkemäärien tarkasti kontrolloidun kapseloinnin ja vapautumisen kombinaatioterapian helpottamiseksi.

Huokoisella piimateriaalilla (PSi) on useita hyödyllisiä ominaisuuksia, jotka ovat tehneet siitä lupaavan lääkeaineiden kuljettimen. Kontrolloimatonta lääkeaineen vapautumista on kuitenkin aina havaittu PSi-partikkeleilla, mikä johtunee sen avoimista huokosista. Huokosten sulkemiseksi ja pitkitetyn lääkeaineen vapautumisen aikaansaamiseksi kapseloidut PSi-partikkelit upotettiin kiinteisiin lipidinano-ja lipidimikromatriiseihin. Kapseloidut PSi-partikkelit kiinteinä lipidinanokomposiitteina valmistettiin perinteisellä emulsiotekniikalla ja ne ovat erittäin stabiileja vesiliuoksissa, ja mikä tärkeintä, ne ovat myös pitkävaikutteisia. Myös mikrofluidiikka-menetelmällä valmistetut monodisperssit ja kiinteät PSi-lipidimikrokomposiitit pidensivät huomattavasti hydrofiilisten ja hydrofobisten lääkeaineiden vapautumisaikaa.

Älykkään lääkeainekuljetuksen aikaansaamiseksi, jossa kuljetin reagoi ympäristöolosuhtei-siin, kapseloidut PSi-partikkelit mikro-ja nanokomposiiteissa valmistettiin pH-sensitiivisistä polymeereistä. Hyödyntämällä PSi-partikkeleiden suurta kapselointikykyä sekä hydrofiilisille että hydrofobisille lääkeaineille, voitiin kapseloida kontrolloidussa suhteessa samanaikaisesti useita lääkeaineita, joilla oli erilaiset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet. Mikrofluidiikka-menetelmällä valmistetut mikro- ja nanokomposiitit olivat herkkiä pH:n vaihtelulle ja lääkeaineiden vapautumiskinetiikkaa voitiin säädellä.

Johtopäätöksenä on, että monipuolisia PSi-pohjaisia komposiititteja, joissa on samanaikaisesti kapseloituna useita eri lääkeaineita ja joiden kuljetusta voidaan tarkasti säädellä, voidaan onnistuneesti valmistaa ja karakterisoida. Nämä systeemit edustavat lupaavaa perustaa kohdennettuun kombinaatiohoitoon tulevaisuudessa.