Sistemas de Libertação Controlada de Fármacos

268 Pages·2010·5.73 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE COIMBRA
FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

PATRÍCIA MANUELA ALMEIDA COIMBRA

Preparação e Caracterização de Sistemas de
Libertação Controlada de Fármacos com base em
Polímeros de Origem Natural

Dissertação submetida à Faculdade de
Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Química

Coimbra, 2010

Agradecimentos

Expresso os meus agredecimentos aos orientadores desta tese, a Professora
Dra. Helena Gil e o Prof. Dr. Hermínio de Sousa, pela sua orientação, conselhos, e a
disponibilidade que sempre apresentaram para me ajudar.
Gostaria também de agradecer, pelo seu companheirismo e ajuda, a todas as
pessoas que, ao longo de quase cinco anos, foram meus colegas de laboratório. Em
particular apresento os meus agradecimentos ao João Maia e à Joana Branquinho,
pela ajuda que me prestraram na realização dos ensaios de H-RMN e de SEC.
Gostaria ainda de reconhecer e agradecer o apoio financeiro do Instituto de
Investigação Interdisciplinar da Universidade de Coimbra, prestado através da Bolsa
de Doutoramento III/BIO/35/2005.

Índice

Abstract .......................................................................................................................................................................... ix
Resumo ....................................................................................................................................................................... xiii
Lista de Figuras.............................................................................................................................................................. xvii
Lista de Tabelas .............................................................................................................................................................. xxi
Lista de Abreviaturas ............................................................................................................................................... xxiii
Preâmbulo ...................................................................................................................................................................... xxv

Capítulo 1 Introdução Geral ........................................................................................................ 1
1.1 Libertação controlada de fármacos ................................................................................................. 3
1.2 Sistemas de libertação controlada de base polimérica.......................................................... 4
1.3 Polímeros de origem natural e seus derivados: aplicações na área da libertação
controlada de fármacos .......................................................................................................................... 7
1.3.1 Polímeros de base proteica ............................................................................................................ 8
1.3.2 Polissacarídeos ..................................................................................................................................... 9
1.3.3 Polihidroxialcanoatos .................................................................................................................... 11
1.3.4 Derivados de polímeros naturais ............................................................................................ 14
1.4 Hidrogéis..................................................................................................................................................... 16
1.5 Nano- e micropartículas poliméricas ........................................................................................... 22
1.6 Referências bibliográficas .................................................................................................................. 26

Capítulo 2 Imobilização de um Fármaco Hidrofóbico em Micropartículas de
Poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) .................................................... 31
2.1 Imobilização de compostos bioactivos em nano/micropartículas produzidas
pelo método de extracção/evaporação do solvente ............................................................ 33
2.2 Imobilização de moléculas bioactivas em nano/micropartículas de PHB e PHBV 37
2.3 Parte experimental ................................................................................................................................ 41
2.3.1 Flurbiprofeno ..................................................................................................................................... 41
2.3.2 Planeamento de experiências .................................................................................................... 42
2.3.3 Reagentes ............................................................................................................................................. 45
2.3.4 Procedimento experimental ....................................................................................................... 46
2.4 Resultados e discussão ........................................................................................................................ 50
2.5 Conclusões ................................................................................................................................................. 63
2.6 Referências bibliográficas .................................................................................................................. 66
v
Índice

Capítulo 3 Preparação e Caracterização de Hidrogéis de base Pectina. Sua Utilização
na Libertação Controlada de Moléculas Bioactivas........................................... 69
3.1 Pectinas: estrutura, propriedades, produção industrial e aplicações ......................... 71
3.1.1 Estrutura química ............................................................................................................................72
3.1.2 Pectina comercial .............................................................................................................................74
3.1.3 Produção industrial.........................................................................................................................76
3.1.4 Propriedades da pectina ...............................................................................................................77
3.1.5 Aplicações comerciais ....................................................................................................................82
3.2 Aplicações da pectina em sistemas de libertação de compostos bioactivos............ 83
3.2.1 Libertação específica de compostos bioactivos no cólon por via oral ..................83
3.2.2 Sistemas de libertação mucoadesivos ...................................................................................91
3.2.3 Sistemas de libertação à base de pectina: perspectivas futuras. .............................94
3.3 Modificação química da pectina e preparação de hidrogéis de base pectina.......... 94
3.4 Parte experimental ................................................................................................................................ 98
3.4.1 Planeamento de experiências ................................................................................................. 101
3.4.2 Reagentes .......................................................................................................................................... 102
3.4.3 Procedimento experimental .................................................................................................... 103
3.5 Resultados e discussão ..................................................................................................................... 108
3.5.1 Caracterização dos derivados de pectina ......................................................................... 108
3.5.2 Caracterização dos hidrogéis de pectina modificada e hidrogéis híbridos de
pectina modificada e macrómero PEGDA ......................................................................... 132
3.5.3 Libertação in vitro de fármacos e proteínas modelo. ................................................. 148
3.6 Conclusões............................................................................................................................................... 163
3.7 Referências bibliográficas ............................................................................................................... 166

Capítulo 4 Esponjas de Pectina e Quitosano Formadas por Complexação
Polielectrolítica: Preparação e Caracterização ............................................... 173
4.1 Introdução ............................................................................................................................................... 175
4.1.1 Polielectrólitos e complexos polielectrolíticos .............................................................. 175
4.1.2 Aplicações farmacêuticas e biomédicas dos complexos polielectrolíticos...... 177
4.1.3 Complexos polielectrolíticos com quitosano .................................................................. 177
4.1.4 Complexos polielectrolíticos com quitosano e pectina ............................................. 179

vi
Índice

4.2 Parte experimental ............................................................................................................................. 181
4.2.1 Reagentes .......................................................................................................................................... 181
4.2.2 Especificações dos polissacarídeos utilizados ............................................................... 181
4.2.3 Procedimento experimental .................................................................................................... 182
4.3 Resultados e discussão ..................................................................................................................... 189
4.4 Conclusões .............................................................................................................................................. 221
4.5 Referências bibliográficas ............................................................................................................... 223

Capítulo 5 Considerações Finais e Sugestões para Trabalho Futuro .......................... 227
5.1 Imobilização de um fármaco hidrofóbico em micropartículas de
poli(hidroxibutiratoco-hidroxivalerato) ......................................................................................................... 229
5.2 Preparação e caracterização de hidrogéis de base pectina. Sua utilização na libertação
de moléculas bioactivas ........................................................................................................................................... 231
5.3 Esponjas de pectina e quitosano formadas por complexação polielectrolítica:
preparação e caracterização .................................................................................................................................. 234
5.4 Referências bibliográficas ....................................................................................................................... 235

Anexo 3.1 Quantificação dos fármacos e proteínas por espectroscopia UV/VIS ................... 237
Anexo 3.2 Resultados da análise elemental .............................................................................................. 240
Anexo 4.1 Resultados da análise elemental ............................................................................................. 241
vii
viii
Abstract

The main purpose of this work is the preparation and development of several
controlled drug delivery systems built with natural polymers and suitable for
different applications, like for colon-specific drug delivery or for the localized and
prolonged delivery of drugs.
With this objective, three potential controlled drug delivery systems, based
on natural polymers, were prepared and characterized.
In the first investigated system, the natural occurring polyester poly(3-
hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), PHBV, was processed in microparticles
loaded with the hydrophobic drug flurbiprofen, by means of an oil-in-water
emulsion/extraction solvent evaporation method, using chloroform as the organic
phase and polyvinyl alcohol (PVA) as the emulsion stabilizer.
A central composite experimental design was employed to evaluate the effect
of two process variables – the polymer concentration in the organic phase and the
surfactant concentration in the aqueous phase - on some of the final microparticles
properties, specifically the encapsulation efficiency of the drug, the mean particle
size, the width of the particles size distribution, and the required time for the in vitro
release of 50% of the encapsulated drug (t ). The statistical analysis of the
50%
implemented experimental design revealed that the two investigated variables had a
significant and opposite effect on the encapsulation efficiency of the drug. Also, it
was found that the microparticles mean particle size increased with increasing
concentrations of PHBV in organic phase and that the concentration of the
surfactant in the aqueous phase played a critical role in the aggregation degree of
the microparticles. It was concluded that a minimum PVA concentration was
required to stabilize the oil-in-water emulsion and, in this way, obtain non-
aggregated particles. The in vitro flurbiprofen release profiles from PHBV
microparticles were very similar for all the prepared formulations, showing that
more than 90% of the drug was released in the first eight hours of the essay. The
time for the in vitro release of 50% of the encapsulated drug, t , was not
50%
significantly influenced by any of the two investigated variables. The comparison
ix
Abstract

between the release profiles of flurbiprofen from the PHBV microparticles and the
dissolution profile of the pure drug lead to the conclusion that the drug was
essentially dispersed at the surface of the microparticles, rather than effectively
entrapped in the polymeric matrix.
Although the investigated formulations didn’t led to an effective
immobilization of the flurbiprofen in the PHBV microparticles, this objective can be
achieve with further investigation, namely by the manipulation of the drug/polymer
mass ratio used in the microparticles preparation, among other variables. With the
flurbiprofen effectively immobilized in the microparticles, it will be possible to then
optimize the drug release profile in order to obtain a controlled and prolonged
release of the immobilized flurbiprofen, suitable for the use of the microparticles as
localized and prolonged drug delivery systems.
In the second investigated system, the polysaccharide pectin was chemically
modified by introducing, in its structure, vinylic or methacrylic terminal functional
groups. The functionalized pectin derivatives, alone or together with the macromer
poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), were transformed in chemical hydrogels
by UV-induced free radical reticulation. In vitro drug release studies were used to
evaluate the behavior of the produced hydrogels as controlled drug delivery
systems. For this purpose, two low molecular weight hydrophilic drugs (gentamicin
sulphate and sodium flurbiprofen), and two model proteins (bovine serum albumin
(BSA) and lysosyme), were incorporate in the hydrogels during their formation and
subsequently released in vitro.
It was concluded that the extension of the chemical modification of pectin,
which was carried out in a heterogeneous environment, was limited/controlled by
the accessibility of the OH groups of the polysaccharide, which, in turn, was directly
controlled by the swelling degree of the polysaccharide particles in the reaction
solvent. The two low molecular weight hydrophilic drugs were rapidly liberated
from the hydrogels. The release profiles revealed that, in approximately four hours,
the entire incorporated drug was released. On the other hand, the in vitro release
studies of the model proteins revealed an incomplete release of the incorporated
proteins, probably because a fraction of protein was physical adsorbed in to
polymeric matrix and/or covalently bounded to it. The presence of pectinolytic
enzymes in the release medium result in a higher fraction of BSA released from the
x