Poliesteramidas hiperramificadas como portadores en sistemas microparticulares matriciales de liberación de fármacos elaborados mediante extrusión por fusión

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA Facultad de Farmacia Departamento de Farmacia y Tecnología Farmacéutica Poliesteramidas hiperramificadas como portadores en sistemas microparticulares matriciales de liberación de fármacos elaborados mediante extrusión por fusión Elena Raviña Eirín Santiago de Compostela, 2014 Dicen que en la vida hay que, al menos, plantar un árbol, escribir un libro y tener un hijo. Lo de árbol está más que cumplido, lo del hijo espero que ocurra en el futuro y lo del libro es ahora realidad. Para casi todas estas cosas hace falta ayuda, y en estas líneas me gustaría dar las gracias a todo aquel que ha contribuido a que este libro viera la luz. En primer lugar, quiero dar las gracias a los directores de esta tesis: los profesores Ramón Martínez Pacheco y José Luis Gómez Amoza. En especial, a Ramón por su seguimiento, paciencia e implicación diaria. Además de poseer una capacidad intelectual espectacular y una cultura abrumadora, ha sido un maestro cercano y generoso. Muchas gracias. Me gustaría agradecer también, el trato tan cercano recibido durante todos estos años por el Profesor Ángel Concheiro, siempre dispuesto a dedicar unas palabras amables y afectuosas. Admiro su capacidad de trabajo y de responsabilidad en nuestro Departamento. Igualmente querría dar las gracias a los Profesores Carmen Álvarez Lorenzo y Francisco Otero Espinar, por su continua, cercana y amable disposición en la interpretación de resultados, facilidad para el uso de equipos y participación en actividades lúdicas extradepartamentales. También me gustaría dar las gracias al profesor José Sordo, por su brillante interpretación de espectros; a los responsables de la unidad de rayos X por su cercanía y buen trabajo; a Aida y Ezequiel de la unidad de análisis de IR-Raman, por su actitud diligente y buena disposición, y a Merche y Raquel de la unidad de microscopía por su paciencia infinita y su altísima capacidad resolutiva. Muchas gracias a todos ellos. Gracias también al Profesor Eddy Sotelo, del Departamento de Química Orgánica, a su colaborador Jhonny Azuaje, por ayudarnos a descubrir todo un mundo de reacciones apasionantes donde nosotros sólo veíamos un problema. Admiro la implicación con la que ha trabajado y la paciencia que ha tenido con nosotros los tecnólogos. Igualmente agradezco la ayuda de Xosé en la realización de los análisis. Querría dar las gracias también a los compañeros con los que tanto he compartido durante el desarrollo de este trabajo. Han sido muchas las ocasiones en las que, estando en tan buena compañía, no hemos sido capaces de distinguir trabajo y ocio. De todos ellos he aprendido algo, bueno la mayoría de las ocasiones. Muchos de ellos ya no son compañeros, sin embargo seguirán siendo amigos toda la vida. Entre esos compañeros quiero agradecer especialmente a Lidia el trabajo increíblemente brillante que realiza. Su actitud, profesionalidad y diligencia ha hecho que nuestro trabajo sea muchísimo más sencillo. No solamente quiero dar las gracias a todas esas personas que han colaborado directamente en la realización del trabajo, sino también a todos aquellos que de un modo u otro han compartido conmigo estos años. Gracias a mi familia y amigos y a todos los que me quieren y nada les relaciona profesionalmente con este proyecto. Ellos, que ahora comparten mi alegría, siempre me han apoyado, animado y mimado en los momentos más complicados. Muchas gracias a todos. RAMÓN MARTÍNEZ PACHECO Y JOSÉ LUIS GÓMEZ AMOZA, CATEDRÁTICOS DE FARMACIA Y TECNOLOGÍA FARMACÉUTICA DE LA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA. CERTIFICAMOS: Que la presente memoria titulada "Poliesteramidas hiperramificadas como portadores en sistemas microparticulares matriciales de liberación de fármacos elaborados mediante extrusión por fusión" elaborada por la Licenciada en Farmacia Dña. Elena Raviña Eirín ha sido realizada bajo nuestra dirección, en el Departamento de Farmacia y Tecnología Farmacéutica y, hallándose concluida, autorizamos su presentación a fin de que pueda ser juzgada por el tribunal correspondiente. Y, para que conste, expedimos y firmamos la presente certificación en Santiago de Compostela a 20 de febrero de dos mil catorce. R. Martínez Pacheco J.L. Gómez Amoza ÍNDICE 1. Introducción .............................................................................................. 3 1.1 Extrusión por fusión. .......................................................................... 3 1.1.1 Equipos de extrusión por fusión. ................................................. 4 1.1.1.1 Extrusores de pistón. ............................................................ 4 1.1.1.2 Extrusores de tornillo sin fin. ............................................... 5 1.1.1.3 Extrusores de doble tornillo sin fin. ..................................... 6 1.1.2 Ventajas y limitaciones de la extrusión por fusión. .................... 8 1.1.2.1 Ventajas ................................................................................ 8 1.1.2.2 Limitaciones ......................................................................... 9 1.1.3 Productos utilizados en extrusión por fusión. ........................... 10 1.1.3.1 Agentes portadores ............................................................. 10 1.1.3.2 Plastificantes ....................................................................... 12 1.1.3.3 Antioxidantes ..................................................................... 13 1.1.3.4 Otros agentes auxiliares ..................................................... 14 1.1.4 Aplicaciones farmacéuticas de la extrusión por fusión. ............ 14 1.1.4.1 Pelets y gránulos. ................................................................ 15 1.1.4.2 Comprimidos y cápsulas. ................................................... 17 1.1.4.3 "Films" transdérmicos y transmucosales. ........................... 19 1.1.4.4 Implantes. ........................................................................... 19 1.1.5 Productos comercializados ........................................................ 20 1.2 Polímeros hiperramificados. ............................................................. 22 1.2.1 Estructura. Características diferenciales respecto de los dendrímeros. ....................................................................................... 22 1.2.2 Propiedades de los polímeros hiperramificados. ....................... 31 1.2.3 Aplicaciones de los polímeros hiperramificados. ..................... 34 1.3 Bibliografía ...................................................................................... 41 2. Objetivos ................................................................................................ 55 3. Parte experimental .................................................................................. 59 3.1.-Utility of the hyperbranched polymer Hybrane® S1200 for production of instant-release particles by hot melt extrusion ............. 61 3.2.-Drug dispersion degree and drug dissolution rate in Hybrane® S1200-based instant-release matricial particles prepared by hot melt extrusion ...................................................................................... 81 3.3.- Characterization of a chemical interaction triggered by hot melt extrusion between an hyperbranched polyesteramide and drugs of acidic pKa ........................................................................................... 99 3.4.-Evaluation of the hyperbranched polymer Hybrane® H1500 for production of matricial controlled-release particles by hot-melt extrusion ............................................................................................ 123 4. Discusión general ................................................................................. 153 4.1 Sistemas de liberación inmediata ................................................... 155 4.1.1 Formulaciones con hidroclorotiazida (HCT). ......................... 158 4.1.2 Formulaciones con prednisolona (PRD). ................................ 160 4.1.3 Formulaciones con nifedipino (NIF) o con ketoconazol (KET) . 162 4.2 Sistemas de liberación controlada .................................................. 166 5. Conclusiones ........................................................................................ 177 6. Resumen ............................................................................................... 183 7. Publicaciones ........................................................................................ 199 I n t r o d u c c i ó n | 3 1. Introducción 1.1 Extrusión por fusión. La extrusión por fusión (EF) o, más explícitamente, extrusión por fusión en caliente, es una técnica ampliamente utilizada en el sector alimentario y en la industria de plásticos y gomas desde hace décadas (Breitenbach, 2002; Repka y col., 2007; Sarode y col., 2012). Su uso en el ámbito farmacéutico está recibiendo una atención creciente desde hace relativamente poco tiempo, habiéndose publicado alrededor de 600 artículos científicos sobre el tema en los últimos catorce años (Repka y col., 2007; Crowley y col., 2007; Mamidwar y col., 2012). En términos generales, esta técnica consiste en extruir -del latín extrudere, que literalmente significa dar forma a una masa haciéndola salir por una abertura especialmente dispuesta (Diccionario RAE, vigésimosegunda edición, 2001)- una mezcla de diversos materiales sólidos impulsada a una velocidad determinada en unas condiciones de presión y temperatura específicas, generalmente elevadas, que abandona el proceso como un producto homogéneo a través de un orificio de diámetro fijo. En términos 4 | I n t r o d u c c i ó n más precisos, en el ámbito farmacéutico, la mezcla de sólidos suele estar compuesta de un fármaco, un vehículo o agente portador (habitualmente una sustancia fusible) y, cuando es necesario, sustancias auxiliares que faciliten el proceso de extrusión, como agentes plastificantes o lubrificantes. De esta forma, se consigue una mezcla íntima del fármaco con el agente portador y las sustancias auxiliares, que da lugar a un producto uniforme y homogéneo (Crowley y col., 2007). 1.1.1 Equipos de extrusión por fusión. La extrusión por fusión, como se ha indicado previamente, es una técnica que proviene de la industria de los plásticos. Por ello, los equipos empleados en la industria farmacéutica actualmente tienen una estructura similar a los empleados clásicamente en la extrusión de plásticos. El proceso de extrusión por fusión es un proceso continuo y, para su aplicación, hay disponibles diferentes tipos de extrusores; fundamentalmente, los denominados de pistón, de tornillo sin fin y de doble tornillo sin fin. 1.1.1.1 Extrusores de pistón. Están equipados con una cámara cilíndrica que se calienta a una determinada temperatura, en la cual se introduce el material a extruir. Disponen de un pistón que se desplaza durante el proceso de extrusión dentro de la cámara cilíndrica, lo que genera una presión considerable, y obliga al material a pasar a través de un orificio de diámetro definido (Figura 1.1). Este tipo de equipos se emplea cuando se requiere un proceso de extrusión muy preciso; en especial, para materiales de elevado coste. La principal limitación que presenta, si se compara con los equipos de tornillo o de doble tornillo sin fin, es que la temperatura en la cámara cilíndrica no es homogénea, por lo I n t r o d u c c i ó n | 11 polímero, una cera o una sustancia lipídica de bajo punto de fusiónel fármaco va a ser embebido, es decir, se va a dispersar para dar lugar a un nuevo sistema. Por ello, sus características van a ser determinantes de las condiciones de extrusión y de las propiedades del extruido. Como se ha indicado previamente, una de las más importantes es la temperatura de fusión, o la de transición vítrea para portadores de tipo polimérico. De manera similar, el grado de miscibilidad entre el fármaco y el polímero, la propia estabilidad del polímero y la forma farmacéutica que se pretende obtener, son otros aspectos clave en la elección del portador (Mamidwar y col., 2012). En la actualidad existe un reducido número de agentes portadores para uso específico en extrusión por fusión. Repka y col. (2007) llevaron a cabo una amplia revisión de los agentes portadores disponibles, que se recogen extractados en la Tabla 1.1. Como puede comprobarse, buena parte de ellos son excipientes clásicamente utilizados para el desarrollo de otras formas de dosificación. 12 | I n t r o d u c c i ó n Tabla 1.1.- Principales agentes portadores empleados en extrusión por fusión. Tm: temperatura de fusión. Tg: temperatura de transición vítrea. Nombre químico Nombre comercial Tg(ºC) Tm (ºC) Referencias Etilcelulosa Ethocel® 133 - Crowley y col. (2004) Chandrikapure y col. (2011) Hidroxipropilcelulosa Klucel® 130 - Repka y col. (2000) Celulosa microcristalina Avicel® - - Liu y col. (2001) Poliácido metacrílico-co- metilmetacrilato (1:2) Eudragit® S 160 - Follonier y col. (1994) Polimetilacrilato-co- metilmetacrilato-co-ácido metaacrílico (7:3:1) Eudragit® 4135F 48 - Young y col. (2002) Óxido de polietileno Polyox® WSR -67 65-80 Crowley y col. (2002) Polietilenglicoles Carbowax® -20 37-63 Cuff y col. (1998) Polivinilpirrolidona Kollidon® 168 - Follonier y col. (1995) Polivinilacetato Sentry® plus 35-40 - Zhang y col. (2000) 1.1.3.2 Plastificantes Los agentes plastificantes son sustancias de peso molecular reducido que facilitan el "ablandamiento" y la "flexibilidad" de las estructuras poliméricas de los agentes portadores. Generalmente, se incorporan a las formulaciones para mejorar las condiciones generales del proceso de extrusión, si bien en ciertos casos su incorporación pretende una mejora de las características del producto final. Tienen la capacidad de formar enlaces con los polímeros portadores y de "rellenar" los espacios existentes entre las I n t r o d u c c i ó n | 13 cadenas poliméricas, de manera que permiten reducir la temperatura de transición vítrea del portador y conseguir que el proceso se pueda llevar a cabo a una temperatura menor y con la aplicación de fuerzas de torsión también menores (Aharoni y col., 1998). Los plastificantes más utilizados en extrusión por fusión (Tabla 1.2) son ésteres del ácido cítrico y de ácidos grasos, polietilenglicoles, aceites vegetales y minerales y parabenos (Crowley y col., 2002, 2004). Recientemente se han evaluado algunos agentes tensoactivos que actúan, además, como agentes solubilizantes (Ghebremeskel y col., 2006). Un aspecto de especial relevancia, al que no siempre se ha prestado la suficiente atención, es la incidencia potencial del agente plastificante sobre las propiedades de los extruidos. En este sentido, Arwidsson (1991) detectó un cambio en la velocidad de liberación de fármaco en comprimidos recubiertos, como consecuencia de la evaporación del agente plastificante de la formulación durante su almacenamiento. Tabla 1.2.- Principales agentes plastificantes empleados en extrusión por fusión. Tipo de plastificante Ejemplos Ésteres del ácido cítrico Trietilcitrato, tributilcitrato, acetiltrietilcitrato, acetiltributilcitrato Ésteres de ácidos grasos Butil-estearato, glicerol-monoestearato Ésteres del ácido ftálico Dietil-ftalato, dibutil-ftalato Derivados del glicol Polietilenglicol, propilenglicol Otros Aceites vegetales y minerales 1.1.3.3 Antioxidantes La incorporación agentes antioxidantes a las mezclas sometidas a extrusión por fusión, no sólo está justificada como sistema de protección del 14 | I n t r o d u c c i ó n fármaco, sino para prevenir procesos de oxidación de otros componentes de la formulación. El óxido de polietileno, incorporado a las formulaciones, también ofrece protección frente a los radicales libres y a la degradación oxidativa (Crowley y col., 2002). Los antioxidantes, como tales, se clasifican en dos grandes grupos: antioxidantes preventivos, que evitan la formación de radicales libres protegiendo a los componentes de la formulación frente al ataque del oxígeno molecular (ácido ascórbico, EDTA, ácido cítrico) y los agentes de ruptura de cadena, que inhiben las reacciones de oxidación de radicales libres (fenoles y aminas aromáticas como el butilhidroxitolueno o la vitamina E). 1.1.3.4 Otros agentes auxiliares En algunos estudios se han incorporado a las formulaciones agentes viscosizantes (Repka y col., 2007), lubrificantes térmicos como el gliceril monoestearato (Crowley y col., 2002) o promotores de la absorción (Repka y col., 2000). 1.1.4 Aplicaciones farmacéuticas de la extrusión por fusión. Esta técnica se ha mostrado de utilidad para la obtención de formas de dosificación tan diversas como pelets (Follonier y col., 1995), comprimidos de liberación modificada (Crowley y col., 2004) y, más recientemente, sistemas de administración transdérmica y transmucosal (Repka y col., 2005; Prodduturi y col., 2005), asi como implantes de liberación controlada (Rothen-Weinhold y col., 2000). No obstante, hasta el momento, las aplicaciones más numerosas e importantes de la extrusión por fusión en el campo farmacéutico se han centrado en la preparación de gránulos, pelets, I n t r o d u c c i ó n | 15 cápsulas y comprimidos de administración oral, tanto de liberación inmediata como modificada. 1.1.4.1 Pelets y gránulos. Follonier y col., (1994) investigaron la posibilidad de acudir a la extrusión por fusión para elaborar pelets de cesión modificada. Para ello, emplearon diversos polímeros como etilcelulosa, Eudragit RS, acetobutirato de celulosa y copolímero etileno-acetato de vinilo con clorhidrato de diltiazem como principio activo. En una primera aproximación, se hizo necesario el uso de dos agentes plastificantes y se identificó el proceso de degradación térmica como el factor limitante para el éxito del proceso, junto con el tipo y la cantidad de agente plastificante incorporado y el tiempo de secado de los polímeros. En un estudio posterior, los mismos autores examinaron los efectos de diferentes variables sobre la velocidad de disolución del fármaco a partir de pelets incluidos en cápsulas de gelatina rígida (Follonier y col., 1995). Asi, se observó que el proceso de disolución está fuertemente condicionado por el tipo de polímero portador utilizado, por la adición de polímeros hidrofílicos y por el tamaño de los pelets. Además, se puso de manifiesto la utilidad de incorporar a los pelets agentes disgregantes (carboximetilcelulosa sódica reticulada o carboximetilalmidón reticulado) para conseguir una modulación más precisa de los perfiles de disolución de diltiazem y para reducir la magnitud del amplio efecto "burst“ observado en este tipo de formulaciones. La extrusión por fusión también ha resultado útil para la elaboración de gránulos efervescentes. La principal limitación en la elaboración de este tipo de formulaciones es la necesidad de evitar el contacto de la mezcla efervescente con el agua, que desencadenaría la reacción de efervescencia, 16 | I n t r o d u c c i ó n por lo que el uso de la extrusión por fusión es un método claramente ventajoso para su elaboración. En 1988, Lindberg y col. mezclaron ácido cítrico y bicarbonato sódico en un extrusor de doble tornillo, añadiendo etanol a través de una boquilla para facilitar la formación de los gránulos (Repka y col., 2007). Koleng y McGinity (1997), describieron la preparación de gránulos de cesión inmediata de paracetamol utilizando distintos polietilenglicoles sólidos de bajo peso molecular como agentes portadores. Estos gránulos fueron posteriormente mezclados con disgregantes y lubrificantes para elaborar comprimidos, que superaron con éxito las especificaciones de liberación de este fármaco incluidas en la USP. La extrusión por fusión (EF) se ha mostrado como una técnica especialmente útil para la obtención de dispersiones sólidas de fármacos poco solubles. Así, Hulsmann y col. (2000, 2001) observaron incrementos de hasta 30 veces en la velocidad de disolución de 17-estradiol cuando se incorporó a gránulos, elaborados por extrusión por fusión, conteniendo un 10% de fármaco, un 50% de polivinilpirrolidona y un 40% de Gelucire 44/14. En esta misma línea, Perissutti y col. (2002), utilizando un extrusor de pistón, elaboraron gránulos de carbamazepina (fármaco anticonvulsivante y analgésico de reducida hidrosolubilidad) con polietilenglicol 4000 como portador y lactosa como diluyente hidrofílico. Todas las formulaciones ensayadas exhibieron velocidades de disolución del agente anticonvulsivante muy elevadas, que atribuyeron al notable incremento que la extrusión por fusión produce en la superficie del fármaco en contacto con el medio de disolución. I n t r o d u c c i ó n | 17 También resultan de indudable interés los resultados obtenidos por Miyagawa y col. (1996, 1999) con gránulos elaborados por extrusión por fusión con diclofenaco y con cera carnauba como portador. Estos autores evaluaron la incidencia de la incorporación a los gránulos de hidroxipropilcelulosa, Eudragit L-100 y NaCl, con los que se consigue una modulación más eficaz del proceso de cesión de diclofenaco. Por último, Miller y col (2006) han mostrado la utilidad de la extrusión por fusión en la formulación de fármacos obtenidos por ingeniería de partículas. Así, partículas micronizadas de itraconazol amorfo, estabilizadas con hidroxipropilmetilcelulosa o con polivinilpirrolidona, se sometieron a EF con poloxamer 407 y óxido de polietileno, lo que produjo una desagregación más completa de las partículas del fármaco, que se acompaña de un notable incremento de su velocidad de disolución. 1.1.4.2 Comprimidos y cápsulas. En el año 2004, Crowley y col. realizaron un estudio comparativo entre comprimidos elaborados a partir de gránulos obtenidos por extrusión por fusión con etilcelulosa y otros obtenidos por compresión directa, incorporando el mucolítico guaifenesina como modelo de fármaco hidrosoluble. Los resultados del estudio pusieron de manifiesto que la velocidad de cesión del fármaco al medio de disolución depende fuertemente del método empleado en la elaboración de los gránulos y del tamaño de partícula de la etilcelulosa. El fármaco presenta una menor velocidad de disolución formulado en comprimidos elaborados a partir de gránulos preparados por extrusión por fusión y, dentro de los elaborados por compresión directa, aquellos elaborados con etilcelulosa de menor tamaño de 18 | I n t r o d u c c i ó n partícula. Paralelamente, observaron diferencias morfológicas notables en la superficie de aquellos comprimidos elaborados con gránulos obtenidos por extrusión por fusión, lo que atribuyeron a las diferentes temperaturas alcanzadas en el proceso de extrusión. Zhang y McGinity (1999) elaboraron extruidos de óxido de polietileno incluyendo el antihistamínico maleato de clorfenamina como principio activo e incorporando PEG 3350 como agente plastificante. Estos autores determinaron que el tiempo de permanencia en el extrusor y la temperatura alcanzada durante el proceso afectan significativamente a la estabilidad del polímero y, por tanto, a la de los extruidos. También pudieron comprobar que la cantidad de plastificante incluida en la formulación afecta a la velocidad de disolución del fármaco, que aumenta a medida que se incrementa su proporción en las formulaciones, debido a que facilita el hinchamiento de los comprimidos en medio acuoso. En los últimos años, se ha desarrollado una nueva tendencia: la elaboración de minicomprimidos destinados a su incorporación a cápsulas de gelatina rígida. Esta aproximación ofrece una serie de ventajas frente a los sistemas de dosificación clásicos, como son una menor variabilidad inter e intraindividual y menores riesgos de "dose dumping" y de irritación gastrointestinal. Recientemente, De Brabander y col. (2000) acudieron a la extrusión por fusión para preparar minicomprimidos de liberación controlada con cera microcristalina y derivados de almidón, conteniendo ibuprofeno como principio activo modelo, como alternativa a pelets recubiertos, en los que la liberación del fármaco es ampliamente modulable en función de la composición de las formulaciones: a mayor porcentaje de cera, menor velocidad de liberación. I n t r o d u c c i ó n | 19 1.1.4.3 "Films" transdérmicos y transmucosales. Actualmente los "films" para cesión de fármacos a nivel transdérmico o transmucosal se siguen obteniendo por técnicas de evaporación de disolventes acuosos u orgánicos, aunque se han descrito problemas relacionados con la aplicación de esta técnica, debido a la posibilidad de permanencia de restos de los disolventes en la formulación final y a problemas de contaminación medioambiental derivados del uso de disolventes orgánicos. Por ello, Aitken-Nichol y col. (1996), investigaron la capacidad de la técnica de extrusión por fusión para la formación de películas flexibles de Eudragit E100 de aplicación tópica y comprobaron que los problemas descritos con la técnica de evaporación no se presentaron en la extrusión por fusión. Repka y col. (1999) también investigaron las limitaciones de la técnica de evaporación de disolvente en comparación con la extrusión por fusión, demostrando que, añadiendo diversos plastificantes para disminuir la fuerza de torsión, era factible la elaboración de films de hidroxipropilcelulosa estables química y mecánicamente. Igualmente es necesario destacar los trabajos de Repka y col. (2004) y Mididoddi y col. (2006), dirigidos al desarrollo de formulaciones útiles para el tratamiento de micosis con clotrimazol y ketoconazol. Los films de estos fármacos con óxido de polietileno, obtenidos por extrusión por fusión, resultaron muy eficaces gracias a la excelente uniformidad en contenido de principio activo que presentan. 1.1.4.4 Implantes. Son pocos los datos disponibles acerca del uso de la extrusión por fusión en este campo, aunque cabe destacar el trabajo de Rothen-Weinhold y 20 | I n t r o d u c c i ó n col. (2000) que prepararon y evaluaron implantes de ácido poliláctico de lenta biodegradación conteniendo vapreótido, un péptido análogo de la somatostatina empleado en el tratamiento del sangrado esofágico en casos de hipertensión portal. La formulación no tuvo el éxito esperado, debido a que el péptido se conjugaba con restos del ácido portador dando lugar a productos incompatibles con la calidad de las formulaciones. En esa misma línea, Van Laarhoven y col. (2002) desarrollaron un anillo vaginal conteniendo fármacos anticonceptivos. La mezcla utilizada, de etonorgestrel y etinilestradiol, con copolímeros de polietileno-acetato de vinilo, fue procesada en un extrusor de doble tornillo, granulada y luego "hilada" en fibras con las que se forma el anillo anticonceptivo. 1.1.5 Productos comercializados Las patentes de productos farmacéuticos elaborados por extrusión por fusión han ido aumentando progresivamente desde los años 80 - fundamentalmente en USA y Alemania, que cuentan con un 56% de las patentes registradas (Mamidwar y col., 2012)-, a pesar de lo cual, el número de productos comercializados hasta el momento es muy escaso (Maniruzzaman y col., 2012). Recientemente, la farmacéutica Abbott patentó el producto Meltrex®, con el que ha desarrollado la especialidad Kaletra®, una asociación de antivirales para tratar infecciones por VIH. Se comprobó que el producto patentado incrementaba enormemente la biodisponibilidad de los principios activos, lo que permite reducir las dosis administradas a los pacientes, respecto de las utilizadas en una formulación previa en cápsulas blandas. I n t r o d u c c i ó n | 27 Figura 1.10.- Reacción de esterificación de monómeros AB2 de los Hybrane®. - Los grupos terminales pueden variar ampliamente. En la Tabla 1.3 se presentan las variedades comercializadas de Hybrane® con el/los grupos funcionales correspondientes a cada uno de ellos. Tabla 1.3.- Principales variedades de Hybrane® junto con sus correspondientes grupos terminales. Producto Grupo terminal Producto Grupo terminal Hybrane® H/S80 1700 -OH secundario Hybrane® S 1200 -OH secundario Hybrane® HV 2680 Ácido graso de cacahuete esterificado (80%) -OH secundario (20%) Hybrane® D 2800 -OH secundario Hybrane® P 1000 -OH secundario Hybrane® P/S80 1200 -OH secundario Hybrane® PS 1925 Ácido esteárico esterificado (25%) -OH secundario Hybrane® DEO750 8500 PEG- metilado Hybrane® PS 2550 Ácido esteárico esterificado (25%) -OH secundario Hybrane® H 1500 -OH secundario 28 | I n t r o d u c c i ó n Además de la ya aludida reacción de policondensación, para la formación de polímeros hiperramificados también pueden intervenir reacciones de polimerización por apertura de anillo o SCVP (autocondensación vinílica) (Frechet, 1995, Sunder, 1999, Jikei y Kakimoto, 2001). Una amplísima revisión sobre los procedimientos de síntesis de polímeros hiperramificados, que sobrepasa el ámbito de esta revisión, se puede encontrar en el texto de Yan y col. (2011). Desde un punto de vista estructural, una de las características más importantes de los polímeros hiperramificados es el denominado grado de ramificación (G.R.), ya que condiciona numerosas propiedades de estos polímeros. Aunque se han desarrollado distintas aproximaciones para expresar, de forma cuantitativa, el grado de ramificación, la propuesta inicialmente por Frechet y col. (1996), seguramente es la más intuitiva, ya que se basa en la determinación del número de unidades dendríticas (D), de unidades lineales (L) y de unidades terminales (T) en la molécula polimérica. Como puede observarse en la Figura 1.11, estas unidades, para polímeros hiperramificados preparados a partir de monómeros AB2, corresponden a aquellas unidades sin grupo B (dendríticas), con un grupo B (lineales) o con ambos grupos B (terminales). A partir de estos datos, el G.R. se estima fácilmente a través de la ecuación I n t r o d u c c i ó n | 29 En el caso de polímeros hiperramificados de elevado peso molecular, el número de unidades T y D es muy similar, con lo que la ecuación anterior se simplifica a que facilita considerablemente el cálculo de G.R. a partir de espectros RMN (Hölten y col., 1997). Figura 1.11.- Unidades dendríticas (D), lineales (L) y terminales (T) de un polímero hiperramificado (Adaptado de Yan y col., 2011). El grado de ramificación adopta valores iguales a 0 para los polímeros lineales e iguales a 1 en el caso de los dendrímeros (que carecen de unidades lineales). Para los polímeros hiperramificados, el parámetro G.R. adopta habitualmente, valores alrededor de 0,5 (Hölten y col., 1997). En la actualidad, se dispone de varios procedimientos para modular el G.R. de los polímeros ramificados. Entre ellos cabe destacar la modificación de las condiciones de polimerización (temperatura, disolvente, catalizador) T L D 30 | I n t r o d u c c i ó n que afectan a la reactividad de los grupos B monoméricos, la introducción en el proceso de polimerización de "dendrones" (unidades elementales ramificadas de dendrímeros, Figura 1.12) prefabricados a partir del monómero y la lenta incorporación del monómero a las mezclas reaccionantes (Hölten y col., 1997; Hawker y Chu, 1998). Figura 1.12.- Esquema de un dendrón El peso molecular del polímero, tanto en su valor promedio como en su distribución, condiciona también numerosas propiedades de los polímeros hiperramificados. Para reflejar el grado de dispersión del peso molecular de las unidades poliméricas, se puede acudir a la determinación del denominado índice de polidispersión (I.P.) que se obtiene a partir del cociente de los pesos moleculares promedio en peso y en número del polímero. Para determinar su valor, únicamente es necesario conocer el grado (fracción) de conversión (x) del grupo A de los monómeros AB2 que originaron el polímero (Yan y Zon, 1999) y se calcula a través de la expresión I n t r o d u c c i ó n | 31 Es importante destacar que en los polímeros hiperramificados, el valor de I.P. crece exponencialmente con el grado de conversión y puede adoptar valores muy elevados, en tanto que para polímeros lineales (para los que I.P.= 1+x) este crecimiento es, también, lineal y adopta valores próximos a 2. No obstante, es muy frecuente que los valores de I.P. en polímeros hiperramificados sean menores que los predichos con la ecuación anterior, debido a que una parte de los monómeros y oligómeros remanentes se eliminan en la etapa de purificación del producto. Los procedimientos a los que es posible acudir para reducir los valores de I.P. de los polímeros hiperramificados son similares (lenta adición del monómero, introducción de dendrones, etc.) a los indicados para modular el grado de ramificación polimérico (Chen y col., 2005; Hock y col., 2001). 1.2.2 Propiedades de los polímeros hiperramificados. En la Tabla 1.4 se presentan, de forma comparativa, algunas propiedades características de polímeros lineales, dendrímeros y polímeros hiperramificados. Las importantes diferencias reflejadas en ella, tienen su origen en la estructura macromolecular, el peso molecular promedio y la distribución de pesos moleculares, el grado de ramificación y la tendencia al entrecruzamiento de las cadenas poliméricas de cada uno de ellos. 32 | I n t r o d u c c i ó n Tabla 1.4.-Propiedades básicas de polímeros lineales, hiperramificados y dendrímeros (Yan y col., 2011). Propiedad Polímeros lineales Polímeros hiperramificados Dendrímeros Forma Espiral aleatoria Globular Esférica Viscosidad fundido Alta Baja Baja Viscosidad intrínseca Alta Moderada/Alta Baja Solubilidad Baja Alta Alta Cristalinidad Variable Amorfos Amorfos Reactividad Baja Baja Alta Control estructural Bajo Moderado Muy alto Compatibilidad Baja Alta Alta Peso molecular Variable Variable Uniforme Índice de polidispersión >1.1 >3.0 1.0 Grado de ramificación 0 0.4-0.6 1.0 Entrecruzamiento Fuerte Débil Muy bajo Resistencia Alta Baja Muy baja En los siguientes párrafos se comentan, de forma particularizada, algunas de estas características. Dado que los polímeros hiperramificados son normalmente sustancias amorfas, una de sus principales características térmicas es la temperatura de transición vítrea (Tg). Este aspecto cobra una mayor importancia si se I n t r o d u c c i ó n | 33 pretenden utilizar estos polímeros como portadores o vehículos en procesos de extrusión por fusión. De manera muy general, se puede afirmar que la Tg de los polímeros hiperramificados es menor que la de sus equivalentes lineales. Además, Seiler (2004) puso de manifiesto la importancia de la naturaleza de los grupos terminales sobre el valor de Tg. Por otra parte, el grado de ramificación también afecta al valor de Tg, existiendo normalmente una relación compleja entre ambas variables como consecuencia de la intervención de mecanismos de efectos opuestos, como son las posibles interacciones entre los grupos terminales y los cambios en el volumen libre polimérico (Voit, 2005; Behera y Saha, 2005). En los polímeros hiperramificados, superar la Tg conlleva cambios muy importantes, como una transición al estado líquido para los de peso molecular reducido y al típico estado gomoso-viscoso en los de peso molecular más elevado (Seiler, 2006). Este tipo de cambios en su consistencia les dota de un alto valor potencial en campos como el recubrimiento de formas de dosificación (Seiler, 2006). La práctica inexistencia de entrecruzamientos de sus cadenas poliméricas, consecuencia directa de su estructura de tipo globular, determina que las características de viscosidad de los polímeros hiperramificados sean claramente diferentes que las de sus equivalentes lineales. Asi, los polímeros hiperramificados en disolución se caracterizan por presentar un máximo de viscosidad intrínseca, cuyo valor es función del peso molecular del polímero, y cuya existencia se justifica por los cambios de configuración de la estructura polimérica (de una forma extendida a una forma globular más compacta) observados al incrementar su peso molecular (Lyerlin y col., 2001). Por otra parte, la viscosidad de los polímeros hiperramificados 34 | I n t r o d u c c i ó n fundidos experimenta incrementos de tipo lineal al aumentar su peso molecular, en tanto que, en los polímeros lineales suele observarse un incremento de tipo exponencial a partir de un valor de peso molecular al que comienzan a manifestarse los efectos del entrecruzamiento de sus cadenas poliméricas (Hult y col., 1999). También es importante destacar que, al aumentar el grado de ramificación de los polímeros hiperramificados, se reducen los valores de viscosidad, que también afecta a la solubilidad de este tipo de polímeros en diferentes medios (Yates y Hayes, 2004). Además, la inexistencia de entrecruzamientos de las cadenas poliméricas es responsable de las pobres propiedades mecánicas de los polímeros hiperramificados (Rogunova y col., 2000), si bien estas propiedades dependen ampliamente de la naturaleza y de la magnitud de las interacciones de los grupos terminales poliméricos (Bolton y Wooley, 2002). Finalmente, debe resaltarse la notable capacidad de encapsulación de los polímeros hiperramificados anfifílicos, que se han utilizado ampliamente como micelas unimoleculares estables, a diferencia de las micelas, de carácter multimolecular (Zhu y col., 2010), a que dan lugar los polímeros lineales. Yates y Hayes (2004), publicaron una excelente revisión en la que analizan, de forma detallada, las propiedades específicas de distintos grupos de polímeros hiperramificados. 1.2.3 Aplicaciones de los polímeros hiperramificados. Las propiedades únicas de los polímeros hiperramificados y la simplicidad y economía de sus procesos de síntesis, han determinado que en la actualidad sean muy numerosas las aplicaciones (algunas de ellas, hasta el I n t r o d u c c i ó n | 35 momento, aplicaciones potenciales) de este tipo de polímeros en campos muy diversos. A continuación se revisan las principales aplicaciones de los polímeros hiperramificados en el ámbito farmacéutico. En la actualidad, más del 40% de los nuevos fármacos que pasan a formar parte del arsenal terapéutico se caracterizan por presentar una muy reducida hidrosolubilidad, por lo que se incluyen en la clase II del sistema de clasificación biofarmacéutica (Zagar-Reven, 2010, 2011; Seedher y Kanojia, 2009). A consecuencia de ello, están adquiriendo una importancia creciente los distintos procedimientos disponibles para la solubilización de este tipo de fármacos. Entre ellos, la preparación de dispersiones sólidas en vehículos adecuados cuenta con una eficacia probada (Suttiruengwong y col., 2006), que se relaciona con la capacidad dispersante/disolvente del vehículo. Partiendo de estos hechos, los perfiles de solubilidad de los polímeros hiperramificados ponen de manifiesto su potencialidad para la formación de dispersiones sólidas (Suttiruengwong y col., 2006). En un estudio reciente, Reven y col. (2010), llevaron a cabo un ensayo con el antidiabético oral glimepirida, marcadamente insoluble, en el que evaluaron dispersiones sólidas conteniendo hasta un 5% del fármaco en el seno de dos variedades de poliesteramidas hiperramificadas (Hybrane® S1200 e Hybrane® H1500), con las que consiguieron importantísimos incrementos en su velocidad de disolución. Posteriormente, estos mismos autores (Reven y col., 2013), han incorporado estas dispersiones sólidas a formulaciones de comprimidos con el fin de disponer de formas de dosificación estables, tanto desde un punto de vista físico como químico, del antidiabético. Quizá, la conclusión más importante de este estudio es la inestabilidad física de las dispersiones sólidas, que experimentan un proceso 36 | I n t r o d u c c i ó n progresivo de recristalización del fármaco, con reducciones paralelas de su velocidad de disolución, proceso claramente desencadenado por la captación de humedad ambiental. Con el fin de delimitar la utilidad de algunos polímeros hiperramificados como excipientes base para el control del proceso de liberación de fármacos, Suttiruengwong y col. (2006), evaluaron los perfiles de cesión de paracetamol a partir de micropartículas elaboradas con tres variedades diferentes de las poliesteramidas hiperramificadas (Hybrane® S1200, H1690 y H1500) y una de poliéster (Boltorn H3200) utilizando, para esta última variedad, cuatro procedimientos diferentes de preparación: coacervación, precipitación gas-antisolvente (GAS), partículas de soluciones gaseosas saturadas (PGSS) y evaporación de disolvente. En las micropartículas elaboradas con el poliéster, detectaron importantes diferencias asociadas al procedimiento de encapsulación utilizado y relativas a la magnitud del efecto "burst" y a los mecanismos de control de liberación, que los autores interpretaron a la luz de las proporciones de fármaco libre (cristalino) presente en las micropartículas (caracterizadas por técnicas IR y DTA) y del tamaño medio de éstas (SEM). En lo que se refiere a las formulaciones que incorporan las poliesteramidas, el comportamiento observado es muy dependiente de sus características de solubilidad. Asi, las variedades Hybrane® S1200 y H1690, marcadamente hidrófilas, dan lugar a micropartículas que conducen a una rápida disolución del paracetamol, por lo que se presentan como excipientes útiles para incrementar la hidrofilia de las formulaciones. Por el contrario, la variedad más hidrofóbica (H1500) conduce a la obtención de perfiles bifásicos de cesión del fármaco, muy similares a los obtenidos con el poliéster Boltorn I n t r o d u c c i ó n | 43 compression and hot-melt extrusion" International Journal of Pharmaceutics 269 (2004) 509-522 Crowley, M.M., Zhang, F., Repka, M.A., Thumma, S., Upadhye, S.B., Battu, S.K., McGinity, J.W. y Martin, C. "Pharmaceutical applications of hot-melt extrusion: Part I" Drug Development and Industrial Pharmacy 33 (2007) 909- 926. De Brabander, C., Vervaet, C., Fiermans, L., y Remon, J. 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Parte experimental 3.1.-Utility of the hyperbranched polymer Hybrane® S1200 for production of instant-release particles by hot melt extrusion U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … | 63 Abstract Particles composed of 90:10 or 80:20 mixtures of the hyperbranched poly(esteramide) Hybrane® S1200 and the poorly water-soluble drug hydrochlorothiazide were produced by hot melt extrusion at maximum temperatures of 90°C without any need for addition of a plasticizer. In dissolution rate assays in USP 29 apparatus II, particles of the smallest size category (< 250 µm) containing 10% of hydrochlorothiazide released 95% of their load within 5 min. This fast release is attributed to the combination of the high solubility of Hybrane® S1200, the total dispersion of the drug in noncrystalline form in the polymer matrix (attested to by the results of powder X-ray diffractometry and scanning electron microscopy), and the absence of covalent bonds between drug and polymer (attested to by ATR-IR difference spectra). Keywords: hot melt extrusion, Hybrane® S1200, instant release, hydrochlorothiazide. 64| U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … Introduction Hot melt extrusion (HME), a technique that is widely employed in the food and plastics industries1, has in recent years received increasing attention in the pharmaceutical field, where it has been used to obtain granules2,3, sustained release tablets and implants1,4,5, transdermal and transmucosal drug delivery systems6,7 or fast dissolving films for oral delivery8. HME, which achieves intimate mixing of active compound and carrier excipient under pressure at temperatures above the glass transition temperature of the carrier9, has several advantages over conventional extrusion-spheronization: it needs no water or other solvents, involves fewer processing steps, is independent of the compression properties of the excipient, and is not so acutely sensitive to the ratio of active principle to excipient (an aspect of particular relevance for poorly water-soluble drugs)1. Its major disadvantages are that the active principle must be able to withstand the melt temperature, and, the fact that there are currently few excipients that are suitable for this technique, although polyvinyl caprolactam graft copolymer, Soluplus® copolymer grades, Kollidon VA64 and Plasdone S630 have been recently used for this purpose10. Hyperbranched polymers are dendritic macromolecules with disordered branching that have previously been investigated as possible coating materials for controlled release dosage forms11,12 and as solid dispersion matrices13. In the latter role, Reven et al.13 have achieved dramatic increases in the rate of dissolution of glimepiride generating solid dispersions of the drug in two varieties of hyperbranched polymers (Hybrane® HA1690, Hybrane® S1200) loadings of up to 5%. U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … | 65 Here we describe an evaluation of the poly(esteramide) Hybrane® S1200 (Fig. 1A) as carrier of hydrochlorothiazide (HCT) (Fig. 1B) used as a model of poorly water-soluble drug in particles produced by HME and intended for instant release of the active principle. (A) (B) Figure 1.- Chemical structures of (A) a typical Hybrane S1200 molecule, and (B) hydrochlorothiazide. Materials and methods Materials Active principle: hydrochlorothiazide (Guinama, Spain), batch 9391900017. HCT has a solubility of 1.8 . 10-1 g/L in water at 37ºC14. Excipient: Hybrane® S1200 (DSM, The Netherlands), batch HvH. Hybrane® S1200 is soluble in water and has a glass transition temperature of 45°C. 66| U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … Methods Formulations The formulations studied conformed to a 2 × 4 factorial design with two hydrochlorothiazide loadings (10% and 20%) and four nominal particle sizes (< 250, 250-500, 500-1000 and > 1000 µm); actual particle size distributions are summarized in Table 1. Table 1.- Composition and properties of the formulations. S1200 (%) HCT (%) Particle size (mean ±SD) (µm) D5 (%) 90 10 165±37 94.68 90 10 368±67 82.36 90 10 826±104 69.07 90 10 1943±426 34.42 80 20 171±38 68.82 80 20 380±67 55.67 80 20 824±123 44.35 80 20 2456±296 27.51 The formulations were prepared by mixing the polymer and active principle in a Turbula® T2C apparatus for 15 minutes at 30 rpm; processing the mixture in a Randcastle RCP 0375 extruder equipped with a vertical single screw rotating at 30 rpm and with temperatures of 80, 85, 90 and 90ºC, on the extruder temperature control zones (the first three of them all along the barrel, and the last one in the die); freezing the cut extrudate (to increase brittleness) at -4ºC; grinding to < 1 mm particles in a mortar; and sifting to obtain the four nominal size fractions. Batch size was approximately of 40 U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … | 67 grams, and extrusion process and the mixtures mean residence time inside the extruder was about 20 minutes. Characterization of materials, extrudates and particles ATR-IR spectra of samples of hydrochlorothiazide, Hybrane® S1200, the two hydrochlorothiazide/S1200 extrudates, and their respective previous physical mixtures were obtained at room temperature on a Varian 670 IR spectrometer. Powder X-ray diffraction spectra of drug, polymer, the extrudates and the corresponding physical mixtures were recorded in a Philips PW1710 diffractometer in the 2Ɵ range 0-70°. Extra samples of the two extrudates, stored 18months under refrigeration (5-8ºC), spectra were recorded after in order to detect if drug recrystallisation had occur during storage. The porosity of two extrudates was measured by mercury intrusion porosimetry in a Micromeritics Autopore IV 9500 apparatus over the range 1-25,000 psi; micropore volume was calculated as the total volume of pores larger than 0.1 µm in diameter. Differential scanning calorimetry (DSC) was performed on a TA Instruments Q100 and thermograms of hydrochlorothiazide, Hybrane® S1200 and the two hydrochlorothiazide/S1200 extrudates, were obtained. Approximately 2mg of each sample were introduced in aluminium pans and heated from -50 to 300ºC at 10ºC min-1. Scanning electron photomicrographs of extrudates were obtained with a Zeiss EVO® LS 15C microscope with a BQDS detector. The particle size distributions of the eight formulations were determined by examining at least 68| U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … 600 particles of each formulation under an Olympus SZ-CTV stereomicroscope connected to a desktop computer via a JVC TK-S350 video camera; using PC Image VGA 24 v2.1 image analysis software, the size of each particle was recorded as the mean of four Feret diameters measured at angles of 0, 45, 90 and 135 to the horizontal axis of the monitor screen. To know if HCT undergoes chemical degradation as a consequence of the extrusion process, the stability indicating HPLC method developed by Rajesh et al.15 (2010) was applied. Chromatograms of 10%HCT extrudate, of pure HCT, and of Hybrane® S1200 were registered. The HCT peak areas for the 10%HCT extrudate and for an equivalent quantity of drug were compared. Samples were tested in triplicate. Dissolution rate measurements Drug release profiles of the eight formulations were obtained at 37°C in a Turu Grau DT-6 USP 29 type II apparatus using 900 mL of distilled water, 100 and 200 mg of particles for formulations with respectively 20% and 10% of hydrochlorothiazide (equivalent to 20mg of HCT), and a paddle speed of 50 rpm. The concentration of hydrochlorothiazide in samples withdrawn at regular intervals was determined by measurement of absorbance at 272 nm in an Agilent 8453 UV spectrophotometer. Profiles were characterized in terms of percentage dissolution in the first 5 minutes (D5). Statistical analyses A stepwise multiple regression using SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) v.15 was used to estimate the effects of HCT content and particle size on D5 and to construct the corresponding surface response. U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … | 75 (b) 010 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 %HCT dissolved Time (min.) 10% HCT; 90% S1200 165 37 m 368 67 m 826 10 m 1943 43 m Figure 6.- Dissolution rate curves of 80:20 (a) and 90:10 (b) S1200/hydrochlorothiazide formulations. The general tendency for release rate to increase with decreasing particle size (and hence with increasing particle surface area) at sizes below a certain threshold (Fig. 7) is coherent with the notion that in this size range release rate depends basically on the rate of dissolution of the polymer, in keeping with the above-mentioned evidence of the dispersion of the drug in the polymer matrix and the formation of drug-polymer hydrogen bonds. The slight fall in release rate with increasing drug content is attributable to increased shielding of the polymer from the aqueous medium by the poorly soluble drug. 76| U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … 0 20 40 60 80 100 500 1000 1500 2000 10 12 14 16 18 20 D5(%) Size (microns) HCT (%) Figure 7.- Response surface corresponding to D5 parameter. Finally, it may be noted that extrudate particles tended to agglomerate when kept at room temperature which is attributable to the low glass transition temperature (Tg) of Hybrane® S1200. DSC thermograms allowed an easy determination of Tg and obtained values, 48,50ºC for the 10%HCT extrudate and 49,27ºC for the 20%HCT one, only show a small increase in respect with polymer Tg (45ºC)16. However, this tendency to agglomerate, was easily countered by mixing the particles 1:1 with microcrystalline cellulose. That this mixing did not significantly influence dissolution profiles is illustrated in the case of the smallest particles of 10%HCT extrudate by comparison of the relevant curves of Fig. 8. U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … | 77 010 20 30 0 20 40 60 80 100 % HCT Dissolved Time (min) 10% HCT- 90% S1200 extrudate <250 m-MCC 1:1 18-month-old 10% HCT; 90% S1200 extrudate <250 m-MCC 1:1 Crystalline HCT Figure 8. Dissolution curves of pure crystalline hydrochlorothiazide, of a 1:1 mixture of microcrystalline cellulose with the smallest size fraction of 90:10 S1200/hydrochlorothiazide particles and those after 18-month storage. Additionally, a note about recrystallisation should be stated out. HCT dissolution rate of 18-month-old particles (smaller than 250µm, containing 10% of the drug and stored under refrigeration) was evaluated and new x-ray diffraction spectra were obtained for both drug loading extrudates. The results show there is no evidence of the formation of new crystals of hydrochlorothiazide inside the extrudates. No new peaks appear in X-Ray diffraction spectra (Fig. 2B) and the HCT dissolution profile is practically identical to the original one (Fig 8). Conclusions Mixtures of the poorly water-soluble drug hydrochlorothiazide and Hybrane® S1200 with up to 20% of the former are amenable to hot melt 78| U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … extrusion, without addition of a plasticizer, at temperatures ≤ 90°C. Particles with a 10% drug load and diameters < 250 µm can quickly release almost all drug (within 5 minutes in the dissolution assays run in this study). This fast release is attributed to the combination of the high solubility of Hybrane® S1200, the dispersion of the drug in non-crystalline form in the polymer matrix, and the only formation of hydrogen bonding between drug and polymer. Acknowledgements This work was supported by grant 07CSA006203PR from the Xunta de Galicia. The authors gratefully acknowledge Prof. José Sordo (University of Santiago de Compostela) for his help in the interpretation of IR spectra. U t i l i t y o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r H y b r … | 79 References 1. Repka M, Battu K, Upadhye B, Thumma S, Crowley M, Zhang F. Pharmaceutical applications of hot-melt extrusion: Part II. Drug Dev Ind Pharm 2007;33:1043-1057. 2. Follonier N, Doelker E, Cole ET. Various ways of modulating the release of diltiazem hydrochloride from hot-melt extruded sustained-release pellets prepared using polymeric materials. J. Controlled Rel 1995;36:243-250. 3. Gryczke A, Schminke S, Maniruzzaman M, Beck J, Douroumis D. Development and evaluation of orally disintegrating tablets (ODTs) containing Ibuprofen granules prepared by hot melt extrusion. Colloids Surf B Biointerfaces. 2011;86(2):275:84. 4. 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X-ray diffraction, DSC and SEM studies permit concluding that in 10% prednisolone extrudates, drug is mainly dispersed within the carrier, whereas in those containing 20% an important fraction of the drug remains in a crystalline state and accumulated on the surface of the extrudates. On particles proceeding from 10% drug extrudates, drug dissolution rate is very high and slightly dependant on particle size and in all cases, higher than the pure micronized drug one. However, on particles proceeding from 20% prednisolone extrudates particle size has a major effect on drug dissolution rate, attributable to higher proportions of crystalline drug accumulated on the surface, hindering 84 | D r u g d i s p e r s i o n d e g r e e a n d d r u g d i s s o l u t i … polymer dissolution. Thus, the reduction of the particle size after extrudate grinding creates new surfaces from inside, what leads to strong increments on prednisolone dissolution rate, and becomes higher than the pure micronized drug one when particle size <250 µm. Keywords: hot melt extrusion, hyperbranched polymer, Hybrane S1200, prednisolone, instant-release Introduction Over the last 20 years, hot melt extrusion (HME), widely used in food and in plastics industries1, has raised a high attention from the pharmaceutical industry, where it has been employed to successfully elaborate several dosage forms such as granules, implants or transdermal films 1-7. HME, well-known for modulating drug dissolution rates, mainly improving in poorly soluble drugs 1,8,9 provokes an intimate mixture between drug and carrier (generally, a polymer) at high pressure and at a temperature above the glass transition temperature of the carrier1. This process offers great advantages over classical extrusion like the absence of solvents preventing drug degradation or enviromental contamination, fewer processing steps and therefore a higher performance 1,10,11. However, HME presents some disadvantages like the drugs being able to withstand high pressures and temperatures, which may induce thermal degradation 1. Another weak aspect of HME is that, at the moment, there are few suitable excipients for this technique, able to be extruded at relatively low temperatures. As HME, hyperbranched polymers (HP) have received increasing attention throughout the last few years in the pharmaceutical field due to its D r u g d i s p e r s i o n d e g r e e a n d d r u g d i s s o l u t i … | 91 Figure 2.- SEM photomicrographs of surface details of extrudates containing (A) 10% and (B) 20% of prednisolone. DSC analysis results show the plasticizer effect that prednisolone induces in the polymer. Glass transition temperature of the polymer decreases from 45,36ºC to 37,40ºC for extrudates containing 10% of the drug and down to 36,31ºC for those containing 20% (Figure 3), which suggests that dispersed drug seems to form a single phase system with the polymer. This plasticizer effect was not observed in a previous study with hydrochlorothiazide7. There is no possibility of observing the presence of prednisolone fusion peak inside of the extrudates, specially on those containing 20% of prednisolone, because the drug melting point is around 235ºC, temperature where the polymer is decomposed (decomposing polymer temperature starts at ≈200ºC). A B 92 | D r u g d i s p e r s i o n d e g r e e a n d d r u g d i s s o l u t i … 020 40 60 80 100 Tg: 37,40ºC Tg: 45,36ºC Tg: 36,31 ºC 10% Prednisolone 20% Prednisolone Endothermic Temperature (ºC) Hybrane S1200 Figure 3.- DSC thermograms of the polymer and the extrudates. In Figures 4 and 5, the mean dissolution curves for the eight formulations are presented together with the dissolution curve of the pure micronized drug. As it can be observed, for those particles containing 10% of the drug, the dissolution rate is very high, even for the largest size particles, and higher in all cases to the pure drug dissolution profile. The strong drug dispersion degree and reduced Hybrane® S1200 Tg in the extrudate contribute to this fast dissolution. On the contrary, for those formulations containing 20% of the drug, a wide range of dissolutions profiles were obtained for the four particles sizes, achieving only particles with the smallest size dissolving rates higher than the pure drug. D r u g d i s p e r s i o n d e g r e e a n d d r u g d i s s o l u t i … | 93 0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 % Prednisolone released Time (min.) Figure 4.- Cumulative prednisolone dissolution curves for 10% Prednisolone- 90%S1200 extrudates (■<250 µm, ●250-500 µm, ▲500-1000 µm, ▼>1500 µm) and for the pure micronized drug (◄). 0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 % Prednisolone released Time (min.) Figure 5. Cumulative prednisolone dissolution curves for 20% Prednisolone- 80%S1200 extrudates (■<250 µm, ●250-500 µm, ▲500-1000 µm, ▼>1500 µm) and for the pure micronized drug (◄). These drug dissolution profiles where characterized in terms of percentage of drug dissolved in the first five minutes (%D5min) and corresponding data are presented in Table 1. As can be observed on the response surface for this parameter (Figure 6), the effect of the different size of the particles, is only present, in a very strong way, for those particles with 94 | D r u g d i s p e r s i o n d e g r e e a n d d r u g d i s s o l u t i … the highest drug loading, whereas in for those containing 10% drug loading is much smaller. It is clear that, when drugs partially remain in a crystalline form, the dissolution rate of the drug decreases in a very important way for largest particles. As previously said, drug crystalline particles are concentrated on the external surface of the extrudates, which could slow down water penetration and therefore, make polymer and drug dissolution difficult. For smallest particles containing 20% prednisolone, drug content was balanced by the creation of new extrudates' internal surfaces without drug accumulations as a consequence of grinding, able to ease water penetration and therefore increasing the drug dissolution rate. 0 20 40 60 80 100 120 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 15 20 %D5min Size ( m) %PRED %D5min=137.81 -3.4 x PRED(%) - 0.0015 x PRED(%) x Size(mm) (R2=0.876; <0.05) Figure 6.- Response surface for the %D5min parameter. D r u g d i s p e r s i o n d e g r e e a n d d r u g d i s s o l u t i … | 95 In conclusion, hot melt extrusion on hyperbranched polymer Hybrane® S1200, leads to the formation of extrudate particles containing prednisolone with no need for other processing aids such as plasticizers nor using temperatures exceeding 85ºC. Of the two drug loadings studied (10% and 20%), it was only the lowest one, where the drug was mainly dispersed within the carrier forming a single-phase system, that lead to dissolution rates much faster than the pure micronized drug. For those formulations with highest drug loading, 20%, the incomplete drug dispersion and the accumulation of the crystalline drug on the external surface of the extrudates, led to a lower drug dissolution rate, compared to the pure micronized drug profile, except when matricial particles size is reduced to <250 µm values. Aknowledgements This work was supported by grants 07CSA006203PR from Xunta de Galicia and SAF 2012-39878-C02-01 from Mº de Economía y Competitividad (Spain). 96 | D r u g d i s p e r s i o n d e g r e e a n d d r u g d i s s o l u t i … References 1. Repka M, Battu K, Upadhye B, Thumma S, Crowley M, Zhang F. Pharmaceutical applications of hot-melt extrusion: Part II. Drug Dev Ind Pharm 2007;33:1043-1057. 2. Follonier N, Doelker E, Cole ET. Various ways of modulating the release of diltiazem hydrochloride from hot-melt extruded sustained-release pellets prepared using polymeric materials. J. Controlled Rel 1995;36:243-250. 3. Rothen-Weinhold A, Oudry N, Schwach-Abdellaoui K, Frutiger-Hughues J, Jeannerat D. Formation of peptide impurities in polyester matrices during implant manufacturing. Eur J Pharm Biopharm 2000;49:253-257. 4. Crowley M, Schoroeder B, Fredersdorf A, Obara S, Talarico M, Kucera S. 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Temperature Experiments for improved accuracy in the calculation of polyamide-11 crystallinity by X-ray diffraction. International Centre for Diffraction Data, Advances in X-ray Analysis 2005;48:170-175. 3.3.- Characterization of a chemical interaction triggered by hot melt extrusion between an hyperbranched polyesteramide and drugs of acidic pKa C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … | 107 010 20 30 40 50 60 70 2-Theta Nifedipine Hybrane S1200 10% NIF. Extrudate 1500 counts Figure 1.- X-ray diffraction spectra of the indicated products. 010 20 30 40 50 60 70 2-Theta Ketoconazole Hybrane S1200 10% Ket. Extrudate 1000 counts Figure 2.- X-ray diffraction spectra of the indicated products. Thermograms of the extruded polymer and of the NIF and of the KET extrudates were obtained as presented in Figure 3. There is a noticeable decrease in the glass transition temperature of the extrudates with respect to the polymer (from 45,36 to 37,13 for NIF and to 33,40 for KET), a fact that indicates the significant plasticizer effect that both drugs promote on the polymer. Probably, and also observing X-ray diffractograms, dispersed drug 108 | C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … is forming a single-phase system within the polymer. 025 50 75 100 Tg: 33,40 ºC Temperature (ºC) Endothermic Hybrane S1200 10% KET Extrudate 10% NIF Extrudate Tg: 45,36ºC Tg: 37,13ºC Figure 3.-DSC Thermograms of the indicated products Dissolution profiles of formulations of NIF or KET are clearly different to what was expected (very fast delivery profiles previously observed for the extruded obtained for HCT or PRD, (Ravina- Eirin et al., 2013). NIF extrudates do not deliver any drug to the dissolution media whilst KET formulations were able to deliver up to 60% of the drug incorporated inside the extrudates in less than 10 min, thus designing a fast delivery profile until reaching that 60% (Figures 4 and 5). C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … | 109 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 % Nifedipine released Time (min.) Figure 4.-NIF dissolution profile from 10%NIF-90%S1200 extrudates. 020 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % Released Ketoconazole Time (min.) Figure 5.- KET dissolution profile from 10%KET-90%S1200 extrudates. The fact that some turbidity of the dissolution media was observed (with similar effect to Tyndall's of colloidal systems) despite the carrier being highly soluble in water, further study of the dissolution process is needed. After dissolution media filtration (employing 0.22 µm membrane filters) some structures, similar to vesicles, were observed retained onto the filter surface, clarifying dissolution media (Figures 6 and 7). It is important to sate out that this fact is not observed when extrudate samples are substituted for its equivalent physical mixtures. Such an experimental outcome suggests the 110 | C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … creation of some new structures because of an unexpected interaction among the drugs and the hyperbranched polymeric matrix, triggered by the HME process. Figure 6.- SEM photomicrographs of the aspect of the "precipitates" obtained after 10%NIF-90%Hybrane S1200 extrudate dissolution media filtration. Figure 7.- SEM photomicrographs of the aspect of the "precipitates" obtained after 10%KET-90%Hybrane S1200 extrudate dissolution media filtration. With the aim of establishing the molecular basis of such behavior, and taking into account the notable structural differences among the drugs incorporated into extrudates with Hybrane® S1200 (NIF, KET, PRD and 1 µm C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … | 111 HCT), it was decided to analyze them comparing some chemical descriptors like molecular weight, polar surface area, refractivity, polarizability, pka, Log P, Wiener index, dipole moment, vander Waals volume (Todeshini and Consonni, 2008). Among the descriptors analyzed, pka values (experimental) seemed to perfectly correlate with the experimental behavior observed (Figure 8). Figure 8.- Structure and pKa of the studied drugs. As observed (Figure 8), the two drugs that were successfully delivered from extruded (PRD and HCT) exhibit superior pKa values (7.0 and 9.2 for HCT and 12.6 for PRD). On the contrary, incomplete or not dissolved drugs exhibited minor pKa values (superior acidic character) ranging from 5.3 to 6.5. This different acidity profile suggests that the acid-base nature of the drug could be the structural property governing drug-polymer interaction. Nowadays, most employed drugs are weak acid or bases, therefore the confirmation and generality of herein described observations could be useful in predicting the scope of experimental behavior of Hybrane® S1200 extrudates. As previously stated Hybrane® S1200 belongs to the family of polyesteramides but also feature hydroxyl groups that play a key role within its solubility profile. Hybrane® S1200 is hydrolytically stable at 5-9 pH range 112 | C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … (data reported by DSM) a fact that enables us to predict that ester and amide groups of the polymer should remain unaltered under the employed dissolution experimental conditions, distilled water with a 6.3-6.9 pH range (regrettably, no information is available regarding Hybrane® polymers stability towards elimination reactions). Figure 9.- Structure of the hyperbranched polymer Hybrane S1200. The hydroxyl groups present at Hybrane® S1200 (Figure 9) enable these molecules to behave as Lewis bases. Accordingly, the protonation of the secondary hydroxyl groups will render alkyl oxonium ions that should rapidly eliminate a water molecule; thus generating a secondary carbocation that could follows diverse paths. A sequence of plausible mechanistic pathways, which could follow the carbocation formation, is presented in Figure 10. The overall transformation would start with hydroxyl protonation to provide oxonium ions II; which rapidly undergo the elimination of water to generate the secondary carbocation III. At this point of the sequence III could evolve within diverse pathways. Elimination of a proton from III would generate the alkene IV, a similar sequence (protonation-elimination- elimination) on the other hydroxyl group would render the bis-enamide VII (in a pathway that involves the elimination of two water molecules). Another C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … | 113 probably alternative derives from the nucleophilic attack of the hydroxyl group to the carbocation III; such a transformation would render the oxonium ion VIII. Proton elimination from VIII, thus providing morfoline IX, and subsequent dehydrogenation of the heterocycle could generate the oxazine derivative X. It is worth mentioning that carbocation formation, and the subsequent elimination pathways in which they could be involved, remove the polar hydroxyl groups from the polymeric matrix. Accordingly, the acid-catalysed degradation sequence would greatly modify the structure of the polymeric matrix; reverting its polar nature. With the aim of obtaining further evidences supporting the occurrence of eliminative pathways within the polymeric matrix during the extrusion process a pure sample of the intact polymer (Hybrane® S1200), the extruded polymer and the extruded polymer containing the active compounds exhibiting different delivery behavior (NIF and HCT) were comparatively analyzed employing different spectroscopic and spectrometric techniques (e.g. IR, 1H-NMR and mass spectrometry). 114 | C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … Figure 10.- Proposed acid-catalyzed carbocation-mediated elimination pathway which could be operating during the HME of Hybrane S1200 with NIF or KET. The comparative analysis of the IR spectra obtained did not reveal significant differences (data not shown), probably due to the low concentration of the hypothetical alkene within the mixture and the weak intensity of the peaks of the C=C-H stretching vibrations. The comparative analysis of 1H-NMR spectra (CDCl3 or DMSO-d6) of NIF, Hybrane® S1200, NIF-Hybrane S1200 extrudate and "precipitates" obtained during the dissolution experiments suggest that insoluble "precipitate" contains, in addition to the signals corresponding to NIF, a few signals that could correspond to polymeric material. Regrettably, the weak intensity of these signals did not allow an unequivocal assignation. C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … | 115 A similar comparison of the mass spectra provided evidences that extrusion process with acidic drugs affected the structure of the polymeric matrix of the polyesteramide Hybrane® S1200. As observed (Figure 11), the mass spectrum obtained for the intact polymer (Figure 11, a) is identical to those for the extruded polymer and the HCT extrudate (Figure 11, b and c), although NIF extrudate spectra is significantly different (Figure 11, d); not only in the molecular ion peak, but also in all the subsequent fragmentation peaks. This behavior would enable us to postulate the occurrence of eliminative pathways in the HP during the extrusion of acidic drugs. According to mass spectra, the eliminative sequence B (conducting to oxazine derivatives X Figure 10) could represent a plausible degradation pathway. Figure 11.- Mass spectra of S1200 (A), extruded S1200 (B) and extruded S1200 containing HCT (C) and NIF (D). 116 | C h a r a c t e r i z a t i o n o f a c h e m i c a l i n t e r a c t i o … It is important to emphasize that the acid-catalyzed degradation sequence would greatly modify the structure of the polymeric matrix; reverting its polar nature. Accordingly, such a modified structure could enable the formation of stable "precipitates" or vesicles that may encapsulate the lipophilic drug thus making its delivery difficult or even preventing it. While NIF and KET share lower pKa values, they critically differ in acid-base nature; the first one exhibiting acidic character and the second being a dibasic compound. These differences may explain the unlikely drug delivery profile experienced. The heterocyclic NH in NIF confers this molecule to be of a relatively high acid character (pKa = 5.3), its dissociation would provide the required acidic media to promote hydroxyl protonation; which ultimately could favor elimination pathways within the polymer structure that would accelerate NIF precipitation or its entrapment into the lipophilic micro-environment generated into the polymer as a consequence of the elimination pathways. It should be noted that structural analysis (1H- NMR and mass spectra) of nifedipine samples obtained during the delivery experiments enabled us to confirm the extrusion process did not affect the structure of the drug. A similar analysis for KET would require the consideration a few additional factors derived from its particular structural characteristics, such as higher molecular weight, two stereogenic centres and diverse heterocycles in its structure. KET, as anticipated above, is a slightly hydrosoluble diprotic base, pKa values 6.5 and 2.9, which correspond to the acidity of its corresponding acid-conjugates. It is well-known that KET may undergo degradation including oxidation and hydrolysis, especially in an aqueous media, if it is not properly formulated; therefore the experienced partial failures during delivery could be related to the occurrence of degradation 3.4.-Evaluation of the hyperbranched polymer Hybrane® H1500 for production of matricial controlled-release particles by hotmelt extrusion Abstract Extrudates of the hyperbranched polymer Hybrane® H1500 prepared by hot melt extrusion, with five particle sizes (from <250 µm to 1.5-2.0 mm) and three drug content (10, 20 and 30%) of acetaminophen or caffeine, were evaluated in this study as potential multiparticulate controlled release systems. Hybrane® H1500 extrudates (of very low porosity), experienced a very slow hydration, with a limited swelling capacity, and they do not behave as true gels when fully hydrated. Hot melt extrusion provokes the conversion of the acetaminophen into an amorphous state inside the extrudates, whereas for those containing caffeine, some crystals remain for the highest drug proportions (20 and 30%). From both drug extrudates a wide range of dissolution profiles are obtained. Drug release rate depends mostly on extrudate particle size, and in those extrudates containing caffeine, a slight effect of the drug proportion is observed. Dissolution profiles' kinetic analysis suggests that drug release is controlled by the diffusion of the drug through the polymeric hydrated structure, although this mechanism is only 126 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … clearly and efficiently displayed for the greatest extrudate particles (1.5-2.0 mm). Keywords: hot melt extrusion; Hybrane® H1500; controlled release particles; acetaminophen; caffeine; hyperbranched polymer Introduction Controlled release multiparticulate forms offer several advantages over classic monolitic systems (Brouwers, 1996; Chandrikapure et al., 2011; Schilling and Shah, 2010; Uhrich et al., 1999). The small particles of multiparticulate forms (typically consisting of numerous particles with diameter 0.05-2.00 mm), when taken orally, experiment a rapid and uniform dispersion along the gastro-intestinal tract avoiding high local drug concentrations, reducing the possibility of the appearance of side-effects and the inter and intrasubjet variability (Chandrikapure et al., 2011, Rahman et al., 2009). Additionally, they offer greater flexibility to achieve the required drug release profiles and dose-dumping risks decrease significantly (Uhrich et al., 1999). However, multiparticulte dosage forms, and specifically those with a matricial structure, also present some important limitations such as difficulties to avoid excessive "burst" effects, to achieve an effective drug release control, or to prolong the drug release process for a sufficient period post-administration, mostly with highly soluble drugs (Patweker and Baramade, 2012). Hot melt extrusion (HME) has, in recent years, received increasing attention in the pharmaceutical field for modulating drug dissolution rates, E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 127 mainly improving poorly soluble drugs (Repka et al., 2007; Sarode et al., 2013; Thommes et al., 2012). This technique achieves intimate mixing of the active compound and carrier excipient under pressure at temperatures above the glass transition temperature of the polymeric carrier and has several advantages over conventional extrusion-spheronization: it needs no water or other solvents, involves fewer processing steps, is independent of the compaction properties of the excipient, and is not so acutely sensitive to the ratio of active principle-excipient (an aspect of particular relevance for poorly water-soluble drugs) (Crowley et al., 2007; Maniruzzaman et al., 2012; Repka et al., 2007). Its major requirement is that the active principle and the carrier must be able to withstand extrusion temperatures (Crowley et al., 2007). Hyperbranched polymers are dendritic macromolecules that have been receiving increasing attention because of their attractive properties and for their nontoxicity and biocompatibility (Mallepally et al., 2009). They present a treelike topology and a large number of functional groups, with no structural perfection, and are synthesized via one-step reactions (Seiler, 2006; Suttiruengwong et al., 2006; Yan et al., 2011). Among the commercially available varieties are polyesters (Boltorn®, marketed by Perstorp) and polyesteramides (Hybrane®, marketed by DSM) which have received major attention in the pharmaceutical field. Hyperbranched polymers have previously been investigated as possible coating materials for controlled release dosage forms (Mallepally et al., 2009; Suttiruengwong et al., 2006) as carriers for conventional and controlled release microparticles prepared through different methods (anti-solvent precipitation, coacervation and particles from gas saturated solutions with an hyperbranched polyester variety and solvent method with three polyesteramides varieties) 128 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … (Suttiruengwong et al., 2006) and for instant release particles prepared by HME with a polyesteramide variety soluble in water and of very low glass transition temperature, containing a poorly soluble drug (Ravina-Eirin et al., 2013). The objective of the present study is the elaboration and evaluation of a multiparticulate dosage form composed by controlled-release matrix particles (obtained by HME) incorporating high water-soluble drugs using Hybrane® H1500 (hyperbranched variety not soluble in water) as a carrier. Two drugs have been selected, acetaminophen (ACT) and caffeine (CAF), both with high but different water-solubility. Materials and methods Materials Active principles: acetaminophen, batch 9374200025 (Guinama, Spain); caffeine, batch 0012939 (Guinama, Spain) (Figure 1). ACT water-solubility is 14mg/mL and CAF water-solubility is 22mg/mL at 25ºC (Yalkowsky and Dannenfelser, 1992). E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 129 (a) (c) (b) Figure 1. Chemical structures of (a) acetaminophen, (b) caffeine, (c) a typical Hybrane® H1500 molecule. Excipient: Hybrane® H1500, batch HvH (DSM, The Netherlands). Hybrane® H1500 is not soluble in water and has a glass transition temperature of 78°C (Figure 1). Methods Characterization of the Hybrane® 1500 extrudates Extruded polymer discs of 1.36 cm diameter and 0.50 cm width in average, were prepared in similar conditions as the formulations assessed in this study (see 2.3 section). Polymer discs underwent the following tests in order to characterize several properties related to: 130 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … - Water penetration rate. Dye penetration rate tests were performed in triplicate. Extrudate discs, with their upper and lower surface blocked by circular coverglasses were introduced in dyed water (methylene blue, 2.5% w/v) at 37ºC under agitation in order to swell only peripherally. The radius of the undyed discs cores ru (mm), were measured at regular intervals as the mean of four normal radius. - Swelling capacity. Disc hydration test was performed in triplicate, letting six polymer discs to swell in excess water until total hydration. Polymer swelling capacity was tested measuring the weight difference at the beginning (W0) and the end (W) of the hydration process and was calculated as: Swelling capacity (%)= (W-W0)*100/W0 - Rheology characterization. The viscoelastic behavior of the polymer discs after being completely hydrated was characterized in duplicate using a Rheolyst AR-1000N rheometer equipped with an AR2500 data analyzer, a Peltier plate and a plate geometry (4 cm diameter) (TA Instruments, Newcastle, UK). The gap and the temperature were set at 2 mm and at 37ºC, respectively. Water was placed around the sample to avoid surface dryness during the experiment. The storage or elastic (G´) and the loss or viscous (G´´) moduli were recorded at 0.1 Pa in the angular frequency range of 0.05 to 50 rad/s. - Micropore volume. The porosity of the discs was measured by mercury intrusion porosimetry in a Micromeritics Autopore IV 9500 apparatus over the range 1-25,000 psi; micropore volume was calculated as the total volume of pores larger than 0.1 µm in diameter. E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 131 Table 1.- Composition, particle size, mean %D5min. and DE24h obtained values for the studied formulations. Drug Polymer /Drug Nominal size (µm) Actual Particle size (mean±SD) (µm) %D5min.±SD DE24h±SD ACT 90/10 <250 250-500 500-1000 1000-1500 >1500 146,34±32,04 375,79±71,70 729,1 ±136,09 1373,13±309,68 1924,79±498,56 25,09±4,17 23,08±1,95 12,54±0,95 10,48±1,76 8,61±1,27 88,95±6,01 76,54±2,18 43,66±1,76 41,12±1,63 33,58±1,19 80/20 <250 250-500 500-1000 1000-1500 >1500 184,46±50,80 370,77±70,16 761,14±141,69 1432,09±272,10 2030,49±672,85 28,57±6,10 20,73±0,66 15,01±0,19 13,13±2,24 7,27±0,86 81,97±6,59 67,33±1,39 52,31±1,02 28,18±2,93 29,89±0,46 70/30 <250 250-500 500-1000 1000-1500 >1500 185,40±48,98 389,82±67,49 827,27±113,41 1440,02±231,19 2001,43±943,70 27,00±2,72 18,78±0,32 12,50±0,27 11,28±2,33 6,34±0,27 81,57±2,29 56,72±1,22 39,23±0,80 31,44±1,36 20,27±0,45 CAF 90/10 <250 250-500 500-1000 1000-1500 >1500 168,48±37,51 372,80±72,00 763,49±132,36 1439,46±190,15 1609,22±343,85 54,43±0,11 32,85±3,93 21,31±0,56 9,46±0,30 7,55±0,29 99,33±3,69 82,77±1,77 58,92±1,86 26,33±0,36 26,84±1,14 80/20 <250 250-500 500-1000 1000-1500 >1500 169,72±36,87 402,71±65,37 825,05±109,18 1486,29±130,84 1912,14±298,68 55,46±0,9 36,31±1,68 22,57±0,77 11,57±1,29 8,01±0,28 90,52±0,87 81,85±2,27 50,97±2,14 20,37±0,75 19,96±1,16 70/30 <250 250-500 500-1000 1000-1500 >1500 167,62±37,96 360,62±66,20 805,711±122,21 1474,40±160,99 1977,74±368,93 44,47±0,34 24,99±1,81 11,60±2,19 9,50±0,01 3,32±3,92 85,07±2,69 73,63±3,26 40,28±2,17 22,88±0,85 16,14±1,52 Formulations The 30 formulations studied conformed a 3 × 5 factorial design of three drug loadings (10%, 20% and 30%) and five nominal particle sizes (< 250, 250, 500, 500-1000, 1000-1500 and > 1500 µm) for each active principle. 132 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … Formulations' actual particle size distributions are summarized in Table 1. In each case, particle sizes were best fitted by a normal distribution, for which the mean and standard deviation were calculated. The formulations were prepared by mixing the polymer and active principle in a Turbula® T2C apparatus for 15 minutes at 30 rpm; processing the mixture in a Randcastle RCP 0375 extruder equipped with a vertical single screw rotating at 30 rpm and with temperatures of 105, 110, 115 and 115ºC on the extruder temperature control zones (the first three along the barrel, and the last one in the die); cutting extrudates (for particles >1.5 mm) and grinding them (to < 1.5 mm particles) in a mortar; and sifting to obtain the five nominal size fractions. Batch size was approximately 40 grams, and mixtures mean residence time inside the extruder was about 20 minutes. Characterization of the formulations - Powder X-ray diffraction. Spectra of drugs, polymer, the extrudates and the corresponding physical mixtures were recorded in a Philips PW1710 diffractometer in the 2Ɵ range 0-70°. Extra spectra of the 10%, 20% and 30% acetaminophen extrudates after 24 months storage under refrigeration (4-8ºC) and 10% caffeine extrudate after 12 months storage in the same conditions were recorded in order to detect if a recrystallisation of any of the drugs had occurred. - Differential scanning calorimetry (DSC). Was performed on a TA Instruments Q100 and thermograms of the drugs, Hybrane® H1500 and the extrudates were obtained. Approximately 2 mg of each sample were E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 139 20 40 60 80 160 180 200 ACT 30% 20% 10% 30% 20% 10% 30% 20% Endothermic Temperature (ºC) ACT melting point 178ºC Hybrane H1500 10% ACT CAF Hybrane H1500 Tg:78ºC Figure 6.- DSC thermograms for the indicated products. These statements are corroborated by the scanning electron photomicrographs performed on the formulations (Figures 7 and 8). ACT extrudates present a compact structure (with a very low micropore volume, similar to that obtained for the extrudate discs, and in all cases, less than 0.016cc/g) and no visible crystals on the surface. However, those extrudates containing CAF also present a compact structure, but with appreciable particles of the drug on their surface, due to its incomplete dispersion within the carrier when the drug content was above 10%. 140 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … Figure 7. SEM photomicrographs of cross-sections of extrudates. 90:10 (A) and 70:30 (C) Hybrane H1500:ACT and details of the surface of particles of these extrudates (B and D respectively). B A C D A B E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 141 Figure 8. SEM photomicrographs of cross-sections of extrudates. 90:10 (A) and 70:30 (C) Hybrane H1500:CAF and details of the surface of particles of these extrudates (B and D respectively). In Figures 9 and 10 the mean dissolution curves of ACT and CAF are presented for the 30 formulations under study. Samples were initially directly dropped into dissolution medium and floated for a short period of time. Afterwards, they sank and dispersed, despite a very small quantity remained on the surface. As it can be observed, for both drugs, a wide range of dissolution profiles have been obtained, thus being able to highlight that, in some formulations, the dissolution process is not completed within 24 hours. This fact shows that Hybrane® H1500 extrudates lead to high efficacy retention systems, even for remarkable water-soluble drugs such as CAF. It is important to remark that pH of dissolution medium was measured all through the dissolution process changing from 6,30 to 6,80 in the case of ACT, and from 6,46 to 6,90 in the case of CAF. This ranges are low enough and should not affect noticeably drug solubility nor drug dissolution rate. C D 142 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … a) 0200 400 600 800 1400 0 20 40 60 80 100 % Released Acetaminophen Time (min.) 0200 400 600 800 1400 0 20 40 60 80 100 % Released Acetaminophen Time (min.) 0200 400 600 800 1400 0 20 40 60 80 100 % Released Acetaminophen Time(min.) b) c) Figure 9.- Cumulative ACT dissolution curves for: (a) 10%ACT-90%H1500; (b) 20% ACT-80%H1500; (c) 30% ACT-70%H1500. ◄<250µm, ▼250- 500µm, ▲500-1000µm, ●1000-1500µm, ■>1500µm. a) 0200 400 600 800 1400 0 20 40 60 80 100 % Released Caffeine Time (min.) E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 143 b) 0200 400 600 800 1400 0 20 40 60 80 100 % Released Caffeine Time (min.) c) 0200 400 600 800 1400 0 20 40 60 80 100 % Released Caffeine Time (min.) Figure 10.- Cumulative CAF dissolution curves for: (a) 10%CAF-90%H1500; (b) 20% CAF-80%H1500; (c) 30% CAF-70%H1500. ◄<250µm, ▼250-500µm, ▲500-1000µm, ●1000-1500µm, ■>1500µm. In a first approach, dissolution profiles were characterized in terms of percentage of dissolved dose in 5 minutes (%D5min), as a measure of the formulations burst effect, and through the 0-24h dissolution efficiency, as a measure of the global drug release rate. Referring to %D5min (Table 1, Figure 11), the importance of the initial drug release should be pointed out, which mostly depends on the extrudates particle size. The effect of the drug content was only noticeable for CAF extrudates and a progressive reduction of the %D5min value was observed when the proportion of drug was increased. This 144 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … behaviour could be attributed to the CAF crystals inside the extrudates containing 20%, and, especially, 30% of the drug. Additionally, it is interesting to point out that if it is assumed that extrudate particles are spherically perfect, it can be estimated that the CAF dose immediately released corresponded to a superficial film of the extrudate particles of 18.4±2.7 µm thickness whereas, for ACT particles, film thickness was slightly smaller, 13.7±4.3 µm. Higher CAF water-solubility, and a small amount of water to penetrate inside the extrudates' structure would justify this difference. a) 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 2000 15 20 25 30 %D5min Size (µm) %ACT %D5min=30.9-0.03*Size+8.4E-6*Size2+1.4E-5xSize*%ACT R2=0.946 b) 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 2000 10 15 20 25 30 %D5min Size(µm) %CAF %D5min=62.5-0.066*Size+2.09E-5*Size2-0.009*%CAF R2=0.932 Figure 11.- Response surface for %D5min: (a) Acetaminophen and (b) Caffeine. On the other hand, the response surface of DE24h parameter (Figure 12), shows its strong dependence with respect to the extrudate particle size and, again, a significant quantitatively less important dependence of the drug proportion incorporated into the extrudates for the formulations containing CAF. Furthermore, the comparison between the surface responses of the E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 145 extrudates containing ACT with respect to those containing CAF, reveal that the differences among DE24h values decreased when the particle size increases, until almost disappearing, for the largest particles. This fact suggests that changes in the mechanism are responsible for drug release control, linked to the extrudate particle size, which will be further commented upon later. In a second approach for characterizing the dissolution rates, a kinetic analysis of ACT and CAF dissolution profiles was carried out. In this respect, it should be pointed out that, for both drugs, dissolution profiles are widely variable and it is not easy to adjust the predictable reference kinetic models for this type of system to them. This issue should be attributable to the fact that the small particle size does not allow a stabilization of the drug release mechanism, summed up with the particle agglomeration phenomena observable on the dissolution rate tests, mostly for the smallest sized particles. However, dissolution profiles from the largest sized particles are adjusted adequately by Higuchi's kinetic for spherical matrices (Higuchi, 1963, Husson et al., 1991) as is reported on Table 2, which suggests that the drug release process is regulated by its diffusion through the polymeric hydrated structure. Obtained values for the Higuchi's kinetic rate constant (Table 2) are similar for both drugs, in accordance with those observed on the DE24h parameter response surface (Figure 12). That is to say, when the extrudates particle size increases, drug release rate becomes more dependent on the drug diffusion and less on its water-solubility, which indicates the progressive establishment of the above mentioned drug release mechanism. These results, at first, contrast with ACT release profiles obtained by Suttiruengwong et al. (2009) from ACT-Hybrane H1500 microparticles prepared by the solvent evaporation technique, characterized as biphasic. Nevertheless, the presence of ACT crystals in the microparticles with the 146 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … highest drug content and the lack of data of microparticle size and porosity make the comparison between the results of Suttiruengwong et al. (2009) and those of our extrudates difficult. a) 20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 2000 15 20 25 30 DE24h Size( m) %ACT DE24h=91.77-0.07*Size+1.9E-5*Size2 R2=0.890 b) 0 20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 2000 15 20 25 30 DE24h Size( m) %CAF DE24h=116.48-0.089*Size+2.44E-5*Size2-0.017*CAF2 R2=0.979 Figure 12.- Response surface for DE24h: (a) Acetaminophen and (b) Caffeine. Furthermore, the reduction of the values of Higuchi's kinetic constant when the proportion of CAF increased in the extrudates could be caused by the rising presence of crystals that slow down the global release process as a consequence of the, previously commented upon, limited water volume able to penetrate inside the extrudates. Finally, the physical stability of the extrudates after 24 months storage for ACT and 12 months storage for CAF should be noted. Samples of the extrudates where initially the drug was completely dispersed (10%, 20% and 30% ACT and 10% CAF extrudates) were analyzed to test if recrystallization had occurred during storage. X-ray diffraction spectra results show there is E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … | 147 no evidence of the formation of new crystals inside the extrudates except for the 30% ACT extrudate where a minimal presence of the characteristic peaks of ACT seem to sprout (Figure 13). 010 20 30 40 50 60 70 d c b a 2-Theta 1500 counts Figure 13. X-ray diffractograms of the indicated products: (a) 12 months stored 10% ACT-90%H1500 extrudate; (b) 12 months stored 20% ACT-80%H1500 extrudate; (c) 12 months stored 30% ACT-70%H1500 extrudate; (d) 12 months stored 10% CAF-90%H1500 extrudate. In conclusion, hot melt extrusion on hyperbranched polymer Hybrane® H1500 leads to extrudate particles containing ACT or CAF with no need for other processing aids like plasticizers and using temperatures not exceeding 115ºC. These extrudates permit a wide variety of drug dissolution rates to be obtained depending on the extrudate particle size, and, at a much lower extent, on the solubility of the drug for the smallest size particles and on the proportion of drug incorporated for the particles containing CAF. Dissolution profiles kinetic analysis suggest that the control release mechanism is the diffusion of the drug through the hydrated structure of the 148 | E v a l u a t i o n o f t h e h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r … Hybrane® H1500 matrices when the particle size is the largest, that is to say, 1.5-2.0 mm. Aknowledgements This work was supported by grant 07CSA006203PR from the Xunta de Galicia (Spain).