Nanofibrillar cellulose as a potential reservoir for drug delivery and its application in transdermal drug delivery with the aid of iontophoresis

Abstract

Nanofibrillar cellulose (NFC) can form hydrogels with high water content (> 98 %). It has been studied for drug release, and it has been used as a cell culture matrix, due to its similar structure to extracellular matrix (ECM). In addition it has been found that they has no cytotoxicity. Iontophoresis is the application of an electric current over a defined area for the purpose of enhancing permeation across a membrane for ionized drug species.

The aim in the experimental work in this Master's thesis is twofold. First, to find out the suitable drug loading concentrations into NFC hydrogels, which can provide a good release profile, a release study with two model drugs, propranolol and ketoprofen, loaded into three types of NFC hydrogels at three different concentrations, was carried out for this purpose. Second, to see if NFC hydrogels are applicable as a drug reservoir in iontophoretic transdermal drug delivery applications, an iontophoresis study was carried out using porcine ear skin model in vitro for human skin with propranolol loaded into NFC hydrogel of type A. In addition, Stella models were used as an aid to find suitable ways to predict the release and permeation behaviour of models drugs in the abovementioned context.

The UPLC results from the release study show for both model drugs, the wt. % released had linear correlation with squareroot of time. At 6 hours, more than 70 wt. % propranolol was released from hydrogel reservoir. For ketoprofen, the release varied between 30 - 87 wt. %, where higher initial loading concentrations produced a decrease in the wt. % released from hydrogel. The iontophoresis study did not show a significant difference between the tested current densities (0.50 mA/cm2; 0.25 mA/cm2) produced on the wt. % of drug released. Simulation models could be run with the mathematical equations for diffusion controlled drug release. In conclusion, the NFC hydrogels show potential as drug reservoir for drug release. Additional experimental data using other types of drug reservoirs should be obtained for a better understanding of the suitability of NFC hydrogels as a drug reservoir in iontophoretic transdermal drug delivery.

Nanofibrillaarinen selluloosa (NFC) voi muodostaa hydrogeelejä, joissa on korkea vesipitoisuus (> 98 %). Sitä on tutkittu lääkeannostelussa, ja sitä on käytetty solukasvatusmatriisina, koska siinä on samankaltainen rakenne kuin soluväliaineessa. Tämän lisäksi on havaittu, ettei sillä ole sytotoksisuutta. Iontoforeesi on sähkövirran käyttö tietyllä pinta-alalla, minkä tarkoitus on lisätä ionisoituneen lääkeaineen permeaatiota kalvon läpi.

Tämän Pro Gradu -tutkielman tavoite on kaksiosainen. Ensiksi, jotta löytyisi sopivat lääkelatauspitoisuudet NFC hydrogeeleihin, joilla saavutetaan hyvä vapautumisprofiili, tehtiin vapautumiskoe kahdella mallilääkeaineella, propranololilla ja ketoprofeenilla, jotka ladattiin NFC hydrogeeleihin kolmessa eri pitoisuudessa, tätä tarkoitusta varten. Toiseksi, jotta näkisi, ovatko NFC hydrogeelit sovellettavissa lääkevarastona iontoforeettisessa transdermaalisessa lääkeannostelusovelluksissa, toteutettiin iontoforeesikoe in vitro ihmisihoa edustavalla siankorvan ihomallilla, käyttäen propranololia ladattuna NFC hydrogeeli tyyppi A. Lisäksi, Stella-malleja käytettiin apuna yrityksessä löytää tapoja ennustaa mallilääkeaineiden vapautumis- ja permeaatiokäyttäytymistä yllämainitussa kontekstissa.

Vapautumiskokeesta saatujen UPLC tulosten perusteella, vapautumisprosentilla (wt. %) on suora korrelaatio ajan neliöjuuren suhteen. 6 tunnin kohdalla, yli 70 wt. % propranololia oli vapautunut hydrogeelivarastosta. Ketoprofeenin vapautuminen vaihteli välillä 30 - 87 wt. %, ja korkeammat alkulatauspitoisuudet saivat aikaan hydrogeelistä vapautuneen osuuden (wt. %) pienentymään. Iontoforeesikokeessa ei käynyt ilmi, että kahden testatun virrantiheyden (0.50 mA/cm2; 0.25 mA/cm2) välillä olisi merkittävää eroa aiheutunut vapautuneeseen lääkeosuuteen wt. %). Oli mahdollista ajaa simulaatiomalleja diffuusiorajoitteista lääkevapautumista kuvaavien matemaattisten yhtälöiden avulla. Thteenvetona, NFC hydrogeeleillä on potentiaalia lääkevarastona lääkevapautumiselle. Lisää kokeellista dataa, joissa käytetään muuntyyppisiä lääkevarastoja tulisi saada, jotta olisi mahdollista ymmärtää paremmin NFC hydrogeelien soveltuvuutta lääkevarastona iontoforeettisessa transdermaalisessa lääkeannostelussa.