Oral controlled drug delivery systems, optimization of release patterns and elucidation of release mechanisms

par Carine Velghe

Thèse de doctorat en Ens.-ch. pharmacie en sciences physico-chimiques et ingénierie appliquée à la santé

Sous la direction de Juergen Siepmann.

Soutenue le 11-12-2013

à Lille 2 , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Lille) , en partenariat avec Médicaments et Biomatériaux à Libération Contrôlée (laboratoire) et de Médicaments et biomatériaux à libération contrôlée: mécanismes et optimisation (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Systèmes oraux à libération contrôlée, optimisation des cinétiques de libération et élucidation des mécanismes impliqués


  • Résumé

    Le développement de nouvelles formes galéniques nécessite la mise au point de protocoles avec variation d’un ensemble de paramètres jouant sur les caractéristiques du dispositif. Au niveau industriel, cela représente une perte importante de temps et d’argent. Avec le développement d’outils permettant la caractérisation des systèmes et à fortiori des mécanismes impliqués dans la libération du principe actif, l’application des modèles mathématiques se voit être de plus en plus grande permettant de prédire la sortie du principe actif hors de son système. L’un des objectifs de ce travail a été de développer un modèle mathématique mécanique réaliste permettant de quantifier la libération de vitamines à partir de matrice lipidique. Deux techniques différentes de formulation : la compression directe et une suite d’extrusion en phase chauffante/ broyage/ compression directe ont permis la préparation de comprimés à base de Compritol 888 (glyceryl dibehenate NF). L’acide nicotinique a été utilisé comme principe actif modèle hautement soluble dans le milieu environnant. Des études de dissolution ont montrée une libération plus accrue pour des comprimés ayant une charge initiale en vitamine plus importante, cela liée à une augmentation de la porosité de la matrice avec l’épuisement graduel de la vitamine. Concernant la technique de préparation, un taux de sortie beaucoup plus faible dans le cas des comprimés préparés par extrusion en phase chauffante préalable, est mesuré, dû à un emprisonnement de la vitamine par la matrice fondue. A partir de ces observations et des connaissances sur les matrices lipidiques, un modèle basé sur les lois de diffusion de Fick et sur la considération de la coexistence d’une partie du principe actif sous forme dissoute ou non dissoute a été élaboré. Ce modèle permet la prédiction de la quantité de vitamine libérée au cours du temps en fonction de l’impact de la composition, de la technique de préparation et de la taille du système. Ces simulations in-silico sont d’une grande aide pour permettre d’accélérer la production de comprimés à base de Compritol 888. Dans le cas de systèmes multiparticulaires, et encore plus dans le cas de formes enrobées, des modèles mathématiques peuvent également être établis mais montrent une complexité plus grande, notamment due à la membrane polymérique. Dans cette optique, le développement de nouveaux outils pour caractériser les systèmes est primordial. Dernièrement la technologie Terahertz voit son potentiel comme nouvel outil dans la caractérisation de systèmes enrobés croissant. Son emploi dans la détection de différence de taille et d’uniformité de films polymériques d’enrobage pour des systèmes multicouches a été réalisé sur des granules de tailles conventionnelles (1mm de diamètre). Un premier enrobage de metoprolol succinate a été réalisé sur des noyaux de sucre, suivi d’un enrobage permettant le contrôle de la fuite du principe actif à base d’un mélange de Kollicoat SR :Kollicoat IR. Des granules avec différentes tailles d’enrobage ont été étudiées par Terahertz. Une taille homogène de la couche de principe actif pulvérisée a été montré dans tous les types de pellets ; alors qu’une taille croissante de l’enrobage polymérique 46 µm, 71 µm et 114 µm a pu être appréhendée. Ces résultats, mis en corrélation avec les méthodes de dissolution traditionnelles, permettront le développement d’une formule prédisant les cinétiques de libération à partir de la lecture non destructive de l’épaisseur d’enrobage par Térahertz.[...]


  • Résumé

    Development of new galenic devices needs series experiments with variation of number parameters. For industrial, it’s a lost in time and money. Food and Drug Administration initiated since several years, Process Analytical Technology (PAT) as a tool to analyze and control pharmaceutical process. These tools can be helpful to determine drug release mechanism and allow application of mathematical model to predict drug release kinetics. One objective of this work is to develop a mechanistically realistic mathematical model allowing for the quantification of vitamin release from Compritol 888 (glyceryl dibehenate NF)-based matrix tablets, prepared either by direct compression or via hot-melt extrusion/grinding/compression. Nicotinic acid has been used as highly soluble drug in surrounding medium. Dissolution studies show vitamin release rates increased with increasing initial niacin content, due to the increased matrix porosity upon vitamin depletion. In all cases, niacin release from tablets prepared via hot-melt extrusion was slower than from tablets prepared by direct compression, due to more intense embedding of the vitamin within the lipid. Importantly, a numerical model based on Fick’s law of diffusion and considering the co-existence of dissolved and non-dissolved vitamin could successfully be used to quantify vitamin release from both types of tablets, irrespective of the initial niacin loading and tablet size. In-silico simulations can be very helpful to accelerate product optimization of Compritol 888-based matrices, saving development time and costs. For multiparticulates systems, and more again for coated forms, mathematical models are more complexes. In this goal, development of new tools to characterize devices is primordial. Technology Terahertz offers an interesting potential. This technique can be used to detect difference in size and uniformity for polymeric film from multilayer pellets of 1 mm diameter. Pellets consisting of a sugar starter core and a metoprolol succinate layer were coated with a Kollicoat® SR: Kollicoat® IR polymer blend. Pellets with several coating thickness are studied. No drug layer thickness difference between batches was observed, and the average coating thicknesses were 46 µm, 71 µm and 114 µm, for the different batches. Terahertz results compared with experimental data from dissolution methods, allow predicting coating thickness results correlated with the subsequent drug release behavior. Multiparticulates systems have important interest: they allow avoiding “dose dumping”. Dose dumping is described as an unintended, rapid drug release in a short period of time of the entire amount or a significant fraction of the drug contained in a modified release dosage form (Meyer, 2005). This phenomenon can be observed in the case of ethylcellulose-based devices in presence with ethanol rich-media. Recently, ethylcellulose:guar gum blend have been reported to provide ethanol-resistant drug release kinetics from coated dosage forms. Theophylline matrix pellets were coated with ethylcellulose: guar gum blends. These granules show no change in drug release profiles upon contact with medium containing 40% of ethanol (v/v). This is because the ethanol insoluble guar gum effectively avoids undesired ethylcellulose dissolution in ethanol-rich bulk fluids. However, so far the importance of crucial formulation parameters, including the minimum amount of guar gum to be incorporated and the minimum required guar gum viscosity, remains unclear. It was found that more than 5% guar gum (referred to the total polymer content) must be incorporated in the film coating and that the apparent viscosity of a 1% aqueous guar gum solution must be greater than 150 cPs to provide ethanol-resistance. [...]


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