Development of ocular implants using a supercritical fluid foaming/ mixing methodology

Abstract

Despite advances in ophthalmological pharmacology, the treatment of eye diseases have limitations since conventional methods of drug delivery are not completely effective. A possible solution for the maintenance of therapeutic levels within the eye includes the controlled release systems such as implants, capsules, liposomes and iontophoresis. Supercritical carbon dioxide (scCO2) foaming/mixing methodology (SFM) is an alternative processing method that has unique advantages over standard techniques, including porosity control, absence of organic solvents and reduction of the melting (Tm) and glass transition temperatures (Tg) which is an important condition in what concern the incorporation of thermally and chemically sensitive drugs. In this type of processing, the polymer phase melts due to the dissolution of the fluid phase, and pores are formed upon fluid release. Thus, the main propose of this work was the development of poly (ε-caprolactone) (PCL) ocular implants loaded with drugs of ophthalmological interest (dexamethasone (DXMT), used to prove the concept and due to its lower price and frequent use in the treatment of ophthalmological disorders, and 2-Chloro-N6-(3-iodobenzyl)-adenosine-5'-N-methyluronamide (2-Cl-IB-MECA), a promising drug for future in vivo application) using SFM process. To achieve viable implant dimensions and to evaluate the effect of material porosity in drug release were also defined objectives. Pure PCL, PCL with glycofurol and PCL with glycofurol and the selected drugs were processed by scCO2 at 45 ° C, 200 bar, for two hours. Depressurization rates tested were 10, 20 and 30 bar/min. Produced implants have similar dimensions to ophthalmologic implants currently marketed (length 2 mm and diameter ≤ 0.464 mm). Glycofurol was shown to be important to ensure compatibilization of the polymer/drug mixture because, when used, there was greater drug incorporation. The ideal percentage of glycofurol determinate was 8% (w/w). SEM images show that all samples have a heterogeneous pore distribution influenced by depressurization rate and glycofurol presence: higher depressurization rate produces smaller pores and additive presence generates larger pores at the same depressurization rate. Largest pores obtained were for SFM10. There is a small difference in pore size between SFM20 and SFM30 which suggests that, on a small scale, like the ocular implants one, this variation in the depressurization rate may not be relevant. At same depressurization rate, additive presence generates larger pores. DSC analysis shows that PCL thermal properties were not significantly altered after processing. Dexamethasone implants revealed controlled release for more than 500 hours. Comparing DXMT implants produced by hot melting and processed with supercritical carbon dioxide, it is observed that until 200h of release, SFM implants release is more stable and higher than HM implants. After that time, HM appears to become stable but still lower. This is due to higher porosity in SFM implants. Implants produced by hot melting have smaller surface area and less porosity. Despite a similar release trend, due to porosity effect, 2-Cl-IB-MECA SFM20-G implants have higher drug release than 2-Cl-IB-MECA SFM30-G. 2-Cl-IB-MECA implants showed sustained release over 100 h. Release is greater in the first 60% of release profile and faster without additive addition due to less polymer-drug compatibilization. The amount of drug released in the first hour was eight times higher than the required on an intravitreal injection. Preliminary in vivo tests with PCL implants drug free didn’t reveal adverse side effects.

Apesar dos avanços na farmacologia oftalmológica, o tratamento das patologias do olho apresenta limitações uma vez que os métodos convencionais de administração de fármacos não são completamente eficazes. Uma possível solução para a manutenção de níveis terapêuticos no interior do olho inclui os sistemas de libertação controlada na forma de implantes, cápsulas, lipossomas e iontoforese. A metodologia de foaming/ mistura com dióxido de carbono supercrítico é um método de processamento alternativo que tem vantagens únicas relativamente às técnicas padrão, incluindo o controlo da porosidade, a possibilidade de ausência de solventes orgânicos e a redução da temperatura de fusão e de transição vítrea, que é uma condição importante no que se refere à incorporação de fármacos térmica e quimicamente sensíveis. Neste tipo de processamento ocorre fusão da fase polimérica, devido à dissolução da fase do fluido, e formam-se poros aquando da libertação do fluido. Assim, o principal objectivo deste trabalho é o desenvolvimento de implantes oculares de poly(ε-caprolactona) (PCL) carregados com fármacos de interesse terapêutico a nível oftalmológico (a dexametasona (DXMT), utilizada para provar o conceito e devido ao seu baixo preço e à sua utilização frequente no tratamento de patologias oftalmológicas, e 2-Cloro-N6-(3-iodobenzil)-adenosina-5′-N-metiluronamida (2-Cl-IB-MECA), um fármaco promissor para futura aplicação in vivo) utilizando foaming/ mistura com dióxido de carbono supercrítico. Obter implantes de dimensões viáveis e avaliar o efeito da porosidade do material na libertação do fármaco foram também objectivos definidos. PCL pura, PCL com glicofurol e PCL com glicofurol e os fármacos seleccionados, foram processados por dióxido de carbono supercrítico, a 45ºC, 200 bar, durante duas horas. As taxas de despressurização testadas foram 10, 20 and 30 bar/min. Os implantes produzidos têm dimensões semelhantes aos implantes de aplicação oftalmológica actualmente comercializados (comprimento de 2 mm e diâmetro ≤ 0.464 mm). O glicofurol mostrou ser importante para garantir a compatibilização da mistura polímero/ fármaco porque aquando da sua utilização houve maior incorporação de fármaco. A percentagem ideal de glicofurol a utilizar foi de 8% (m/m). As imagens de SEM mostram que todas as amostras apresentam uma distribuição de poros heterogénea influenciada pela taxa de despressurização e presença de glicofurol: maior taxa de despressurização gera poros mais pequenos e a presença de aditivo gera poros maiores para uma mesma taxa de despressurização. Os maiores poros obtidos foram para SFM10. Existe pouca diferença no tamanho de poro entre SFM20 e SFM30 o que sugere que, numa escala pequena, esta variação da taxa de despressurização poderá não ser relevante. A presença de aditivo para uma mesma taxa de despressurização gera poros de maiores dimensões. A análise de DSC mostra que as propriedades térmicas da PCL não foram significativamente alteradas depois do processamento. Os implantes de Dexametasona revelaram libertação controlada durante mais de 500h. Comparando os implantes de DXMT produzidos por hot melting e processados com dióxido de carbono supercrítico, constata-se que até às 200h de libertação, esta é mais estável e elevada no caso do foaming do que no caso do hot melting. Depois deste tempo a libertação dos implantes de HM estabiliza mas continua mais baixa. Isto fica a dever-se a uma porosidade superior nos implantes processados por tecnologia supercrítica. Os implantes produzidos por HM têm uma área de superfície e porosidade menores. Apesar de uma tendência de libertação semelhante, nos implantes de 2-Cl-IB-MECA com uma taxa de despressurização de 20 bar/min a libertação de fármaco é maior do que nos implantes com uma taxa de despressurização de 30 bar/min devido ao efeito da porosidade. Os implantes de 2-Cl-IB-MECA apresentaram libertação sustentada mais de 100 h. A libertação foi muito superior nos primeiros 60% do perfil de libertação e foi mais rápida na ausência de aditivo devido a uma menor compatibilização entre o polímero e o fármaco. A quantidade de fármaco libertada foi, na primeira hora de libertação, oito vezes superior ao requerido numa injecção intra-vítrea. Os testes preliminares in vivo com implantes de PCL sem fármaco não revelaram efeitos secundários adversos.