Insights into particle formation and analysis

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3680-0
Title: Insights into particle formation and analysis
Author: Pessi, Jenni
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Farmaseuttisen kemian ja teknologian osasto
Division of Material Physics, University of Helsinki
the School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Abstract: This thesis consists of two parts, particle formation and analysis. In the first part, particle formation in microfluidic devices and in devices employing supercritical fluids is investigated, and in the second part, essential issues in analytical methods for determining drug release and solid-state properties are addressed. Microfluidic technology was employed to produce microcapsules for protein formulations. The microcapsules were produced with a biphasic flow to create water-oil-water double emulsion droplets with ultrathin shells. All the particles were found to be intact and with a particle size of 23 - 47 µm. The encapsulation efficiency of bovine serum albumin in the microcapsules was 84%. This study demonstrates that microfluidics is a powerful technique for engineering formulations for therapeutic proteins. A new, robust, stable, and reproducible method based on expansion of supercritical solutions using carbon dioxide as a solvent was developed to produce nanoparticles. The method, Controlled Expansion of Supercritical Solution (CESS), uses controlled mass transfer, flow, pressure reduction, and particle collection in dry ice. CESS offers control over the crystallization process as the pressure in the system is reduced according to a specific profile. Controlled pressure reduction keeps the particle growth and production process stable. With CESS, we produced piroxicam nanoparticles, 60 mg/h, featuring narrow size distribution (176 ± 53 nm). The Lyophilic Matrix (LM) method was developed for investigating dissolution rates of nanoparticles, powders, and particulate systems. The LM method is based on its ability to discriminate between non-dissolved particles and the dissolved species. In the LM method, the test substance is embedded in a thin lyophilic core-shell matrix. This permits rapid contact with the dissolution medium while inhibiting dispersion of non-dissolved particles without presenting a substantial diffusion barrier. By minimizing method-induced effects on the dissolution profile of nanopowders, the LM method overcomes shortcomings associated with current dissolution tests. Time-gated Raman spectroscopy was applied for solid-state analysis of fluorescent powder mixtures. A setup with a 128 × (2) × 4 CMOS SPAD detector was used for the quantitative analysis of solid-state forms of piroxicam. Time-gating provides an instrumental method for rejecting the fluorescence signal. This study demonstrated that traditional PLS analysis of time-gated Raman spectra resulted in mean RMSE of 4.1%. The time-gated Raman spectroscopy method shows potential for relatively routine quantitative solid-state analysis of photoluminescent pharmaceuticals.Tämä väitöskirja koostuu kahdesta osasta, partikkelien muodostumisen ja niiden analysoimisen tutkimisesta. Ensimmäisessä osassa tutkitaan partikkelien muodostumista sekä mikrofluidisissa laitteissa että ylikriittistä hiilidioksidia hyödyntävissä laitteissa. Toisessa osassa käsitellään näillä tekniikoilla valmistettujen partikkelien lääkeaineen vapautumiseen ja kiinteä tilan analytiikkaan liittyviä keskeisiä ongelmia. Mikrofluidista teknologiaa käytettiin mikrokapseleiden tuottamiseen proteiiniformulaatioita varten. Kaksivaiheista virtausta käytettiin tuottamaan vesi-öljy-vesi -emulsio, josta muodostui ohutseinäisiä mikrokapseleita. Kaikki partikkelit olivat ehjiä ja halkaisijaltaan 23 - 47 µm. Kapselointitehokkuus naudan seerumin albumiinille oli 84%. Tämä tutkimus osoitti mikrofluidiikan olevan tehokas tekniikka terapeuttisten proteiinien formuloitiin. Uusi, robusti, stabiili ja toistettava ylikriittisen hiilidioksidin laajentamiseen pohjautuva metodi kehitettiin nanopartikkelituotantoon. CESS (Controlled Expansion of Supercritical Solution) -tekniikka hyödyntää kontrolloitua massansiirtoa, virtausta, paineen alennusta sekä partikkelien keräämistä kuivajäähän. CESS-tekniikka tarjoaa mahdollisuuden kontrolloida kiteytymistä paineen laskiessa systeemissä tietyn paineprofiilin mukaisesti. Kontrolloitu paineen alennus pitää partikkelin kasvun ja siten myös tuotannon stabiilina. CESS-tekniikalla tuotettujen (60 mg/h) piroksikaaminanopartikkelien kokojakauma oli kapea (176 ± 53 nm). LM (Lyophilic Matrix) -metodi kehitettiin nanopartikkelien, jauheiden ja partikkelisysteemien liukenemisnopeuksien tutkimiseen. LM-metodi perustuu kykyyn erotella liukenemattomat partikkelit liuenneista molekyyleistä. Testiaine pakataan ohueen lyofiiliseen matriisisysteemiin, joka mahdollistaa nopean kontaktin dissoluutioväliaineen kanssa ja estää liukenemattomien partikkelien dispersion kuitenkaan aiheuttamatta merkittävää diffuusioestettä. LM-metodi minimoi laitevaikutukset nanojauheiden dissoluutioprofiiliin. Täten vältytään useilta nykyisten dissoluutiokokeiden ongelmakohdilta. Aikaerotteista Raman-spektroskopiaa sovellettiin fluoresoivien jauheseosten kiinteän tilan analyysiin. 128 × (2) × 4 CMOS SPAD -detektorilla varustettua laitteistoa käytettiin piroksikaamin kiinteän tilan muotojen kvantitatiiviseen määritykseen. Aikaerotteisuus mahdollistaa fluoresenssisignaalin torjumisen laitteiston avulla. Tämä tutkimus osoitti, että perinteinen PLS-analyysi aikaerotteisista spektreistä tuotti 4.1 %:n RMSE-arvoja. Aikaerotteisella Raman-spektroskopialla on potentiaalia fotoluminisoivien lääkevalmisteiden rutiininomaiseen kiinteän tilan analyysiin.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3680-0
http://hdl.handle.net/10138/225253
Date: 2017-11-03
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record