Rektal uygulamalar için akrilik bazlı polimerik kontrollu ilaç salım sistemlerinin geliştirilmesi ve matematiksel modellenmesi

Abstract

ÖZET Sunulan çalışmanın amacı rektal yolla kullanılacak akrilik bazlı polimerik kontrollü İlaç salım sistemlerinin geliştirilmesidir. Taşıyıcı ve ilacın salimini kontrol etmek üzere kullanılan polimerik matriksteki esas bileşen yüksek biyokompatibilite gösteren bir hidrofilik polimer, polihidroksietilmetakrilattır (PHEMA). Döküm şurubuna HEMA'nın yanısıra, polimerik matrikste çapraz bağlanmayı sağlamak üzere etilenglikoldlmetakrilat (EGDMA), yapıya hldrofobisite kazandırmak üzere metilmetakrilat (MMA) ve mlkro morfolojik yapıyı değiştirmek üzere su ilave edilmiş ve çözücü döküm yöntemiyle film, tabaka ve içi boş silindir (rektal cihaz) geometrilerinde, farklı kimyasal ve fiziksel yapılarda sistemler elde edilmiştir. Sunulan çalışmada örnek ilaç olarak astım hastalığının tedavisinde kullanılan ve benzeri kontrollü salım sistemlerinde de yaygın olarak yer alan tiyofilin seçilmiştir. Hazırlanan tüm polimerik yapıların sulu ortamda dinamik şişmeleri ve denge şişme değerleri bulunmuştur. Tiyofilinin sudaki difüzyon katsayısı, film ve silindir formlarındaki yapılarda polimer/su dağılım katsayıları ölçülmüştür. Film formundaki polimerik yapılardan tiyofilin difüzyonu incelenerek, tiyofilin geçirgenlik ve difüzyon kat sayıları hesaplanmıştır. Literatürde yer alan ampirik denklikler değerlendirilerek bulunan difüzyon katsayıları deneysel bulgularla karalaştırılmıştır. Kuru ve şişmiş durumlardaki rektal cihazlardan tiyofin salımı deneysel ve matematiksel olarak incelenmiştir. Gerilim - gerinim testleriyle hazırlanan film formundaki matrikslerin mekanik özellikleri araştırılmıştır. Bulunan sonuçlar şöyle özetlenebilir: (1) Döküm şurubunda EGDMA, MMA ve su miktarlarının değiştirilmesi ile istenilen şişme hızı ve denge şişme değerinde yapılar elde edilebilir. Bu çalışmada hazırlanan tüm yapılar 25 -1500 dakika İçinde hızla şişerek denge şişme değerlerine ulaşmaktadır. Kalınlığı fazla olan matrikslerde heterojen polimerizasyon sonucu daha az şişen yapılara ulaşılmaktadır. (2) Bu çalışmada örnek İlaç olarak kullanılan tiyofilinin sudaki difüzyon katsayısı D0=3.027xlO`5 cm2/sn dir. (3) Tiyofilinin bu çalışmada hazırlanan polimerik yapılardaki dağılım katsayısı (Kd), yapının kimyasal ve fiziksel yapısına bağlı olarak 1.16-2.39 arasında değişmektedir. Tiyofilinin en yüksek ilgi gösterdiği yapı silindirik geometride hazırlanan &100 PHEMA'dan oluşan yapıdır. (4) Bu çalışmada hazırlanan farklı yapılardaki polimerik filmlerin tiyofilin geçirgenlikleri (P) ve deneysel difüzyon katsayıları (Dmcı), matrikslerin kimyasal ve fiziksel yapısına göre sırasıyla 1.920x10-7 - 2.66QXIO-5 cm/sn ve 3.477x10-9 - 3.035x10-7 cm2/sn aralığında değişmektedir. (5) Denklem 2.3 ile verilen, literatürde polimerik jellerden İlaç difüzyon katsayısının bulunmasında kullanılan ampirik ifade, bu çalışmada hazırlanan polimerik matrikslerden tiyofilin difüzyonunu vermek için yetersiz kalmıştır. (6) Denklem 2.4 ile verilen, yine literatürde jellerden ilaç dlfüzyonu ile yapısal özellikler arasındaki ilişkiyi bulmak için yaygın olarak kullanılan ampirik ifadenin değerlendirilmesiyle `n` üs değerlerinin matriksin kimyasal ve fiziksel yapısıyla değiştiği bulunmuştur, n değerleri PHEMA, PHEMA+EGDMA ve P(HEMA+MMA) matriksler için, ortalama olarak, sırasıyla 4.48,3.22 ve 3.46 dır. Bu değerler kullanılarak hesaplanan farklı yapılardaki rektal cihazlardan tiyofilin difüzyon katsayıları 6.200xlO-9 - 1.138x10-7 cm2/sn aralığında değişmektedir.(7) Bu çalışmada hazırlanan polimerik rektal cihazlardan tiyofilin saliminin yaklaşık £90'lık bölümü sabit hızda gerçekleşmektedir. Polimerik cihazların hazırlanmasında kullanılan döküm şurubunda HEMA/EGDMA/MMA/su oranları değiştirilerek 1.05x10-5 _ 2.70x10-4 mg/dak.cm2 aralıgındaki hızlarda salım yapmak mümkün olmaktadır. (8) Kuru ve şişmiş rektal cihazlardan tiyofilin salım hızı yaklaşık aynı hızla olmaktadır. Başka bir ifadeyle her iki durumdada salım difüzyon kontrollüdür (şişme kontrollü değil). (9) Geliştirilen matematik model teorik salım eğrisi rektal cihazlar dan İlaç saliminin teorik olarak hesabında iyi bir yaklaşımla kullanılabilir. (10) Bu çalışmada hazırlanan polimerik matrikslerin mekanik özellikleri kimyasal ve fiziksel yapılarına göre önemli oranda değişmektedir. Test edilen matrikslerin Young modülleri 137 - 56000, kopma gerilimleri ve kopma anında uzama değerleri ise, sırasıyla, 508-7619 kN/m2, 0.19 - 6.30'dur.

vii SUMMARY The aim of the presented study is developing acrylic based, polymeric, controlled release systems by rectal route. The main component in the polymeric matrix which is used as carrier and for controlling drug release-rate was a highly biocompatible, hydrophilic polymer, polyhydroxyethylmethacrylate (PHEMA). To the casting solution.ethylene glycol dimethacrylate is added as cross-linker, methyl methacrylate is added as hydrophobic comonomer and water is added for changing micromorphologic structure. Systems, in different chemical and physical structures and in different geometries such as film, slab and hollow cylin der (rectal device) obtained using solution casting method. Theophylline, which is administered for asthma and used widely in similar controlled-release studies Is selected as sample drug. Dynamic swelling rates and equilibrium swelling values have been investigated in water, for all prepared polymeric samples. Diffu sion coefficient in water and polymer/water distribution coeffi cients for all sample compositions in film and hollow cylinder ge ometries have also been investigated. Diffusion and permeability coefficients for theophylline is experi mentally found for film samples through study of theophylline dif fusion. Diffusion coefficients determined by solving some ampirical equations are compared with experimental results. Theophylline release from dry and swelled rectal samples is studied experi mentally and mathematically. Some mechanical specifications for matrices are found through application of stress-strain tests to samples in film forms.viii The obtained results can be summarized as follows: (1) Structures with preferred swelling rate and equilibrium swelling value can be realized by changing thickness and E6DMA, MMA, water ratios in the casting solution. Matrices, prepared in this study swelled to the equilibrium swelling value between 25-1500 minutes. Less swelling structures have been reached with thicker matrices. (2) The diffusion coefficient of sample drug, theophylline is ex perimentally found as D0=3.027xlO~5 cm2/sn. (3) The distribution coefficient (Kd) of theophylline changes in the range of 1.16-2.39, as a result of chemical and physical structure of the matrices. Theophylline is mostly attracted to the rectal de vice, prepared with 8100 HEMA monomer solution. (4) In this study, theophylline permeability and diffusion coeffi cients through prepared polymeric films with different structures are found. These change in the ranges 1.920xlO_7 - 2.660xl0-5 cm/sn and 3.477x10-9 _ 3.035x1 0-7 cm2/sn depending on the physical and chemical structures of the matrices. (5) The ampirical equation which is used to find drug-diffusion co efficients in polymeric gels and given as equation 2.3 in the text has failed to explain diffusion of theophylline through prepared polymeric matrices in this study. (6) The ampirical equation 2.4, which is widely used in literature to find the relationship between the structural properties and drug diffusion is evaluated for exponential factors, `n`. These `n` val ues are observed to vary with physical and chemical structures of the matrices and the average values are 4.4Ö for PHEMA, 3.22 for PHEMA+EGDMA and 3.46 for P(HEMA+MMA). The diffusion coeffi cients for different rectal devices that have been calculated usingix equation 2.4 and n values given above are between 6.200x1 0-9 - 1.138x10-7 cm2/sn. (7) In this work, about 90& of theophylline release from rectal de vices has been observed to occur at a constant rate. It is possi ble to have 1.Q5xlO-5 -2.70xlO`4 mg/dak.cm2 release rates by changing HEMA/Water/EGDMA/MMA ratios in casting solutions. (8) Release rates from dry and swelled rectal devices remains the same. As a result, it can be concluded that the release is diffusion controlled (not swelling controlled). (9) The developed mathematical model and theoretical release curve can be successfully used for calculating drug release from rectal devices. (10) Mechanical specifications of prepared polymeric matrices change sufficiently with their chemical and physical structures. The Modulus of Elasticity (Young Modulus) varies between 137 - 56000. Breaking stress and strain at the breaking point change between 508-7619 kN/m2 and 0.19 - 6.30 respectively, for the matrices tested.