Preparation, characterization and pharmatech application of drug loaded nanofibers  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
108975
Type PD
Principal investigator Nagy, Zsombor Kristóf
Title in Hungarian Hatóanyag tartalmú nanoszálak előállítása, szerkezetvizsgálata és gyógyszertechnológiai alkalmazása
Title in English Preparation, characterization and pharmatech application of drug loaded nanofibers
Keywords in Hungarian nanoszálak, elektroszálképzés, gyógyszerhordozó, amorfizáció
Keywords in English nanofibers, electrospinning, drug delivery, amorphization
Discipline
Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Macromolecular chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Department of Organic Chemistry and Technology (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2013-09-01
Closing date 2016-11-30
Funding (in million HUF) 7.950
FTE (full time equivalent) 2.15
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Napjainkban a gyógyszertechnológia területén (gyógyszerkészítmény technológia) az egyik legnagyobb kihívás a hatóanyagok kioldódásának javítása szilárd gyógyszerformákból, mivel az új fejlesztésű hatóanyagok (originális) nagy része gyakorlatilag nem oldódik a gasztrointesztinális folyadékokban, így azok nem tudják kifejteni a kívánt hatásukat, hiszen felszívódás előfeltétele az oldódás. A kioldódás javításának területén a hagyományos technológiák gyakran nem járnak sikerrel, ilyenkor egyre többször kerülnek előtérbe nanotechnológiai eljárások.
A hatóanyag-leadás sebességének és mértékének javítása területén, az elektrosztatikus szálképzés egy új és igen ígéretes módszer, amellyel a kioldódás javítás számos elméleti stratégiája ötvözhető (megnövelt fajlagos felület, amorfizáció, stb.).
A kutatás arra keresi a választ, hogy lehetséges-e gyógyszerhatóanyagok kioldódását jelentősen javítani elektrosztatikus szálképzéssel, és ez a módszer hatékonyabb lehet-e egyéb, hasonló célra alkalmazott technikáknál (pl. olvadék extrúzió, porlasztva szárítás és filmöntés). Ezt a kérdést makroszkopikus és molekuláris szinten végbemenő folyamatok, mechanizmusok és a kialakuló szerkezetek feltérképezésén keresztül lehet csak teljes mélységében megválaszolni, ami közelebb visz minket a gyógyszertechnológiában növekvő jelentőségű amorf formulációk (szilárd diszperziók, szilárd oldatok) jobb megértéséhez.
Mindemellett az elektrosztatikus nanoszálképzéssel előállított szálakon alapuló új, innovatív gyógyszerhordozó rendszerek fejlesztését is tervezzük.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás átfogó célja, hogy felmérje az elektrosztatikus szálképzési módszer technológiai és tudományos lehetőségeit és határait új, jobb biohasznosulást és/vagy jobb beteg együttműködést biztosító gyógyszerhordozó rendszerek fejlesztése területén.
Feltételezésünk szerint az elektrosztatikus szálképzési eljárás hatékonyabb az amorfizáció területén, mint az olvadék extrúzió, porlasztva szárítás vagy a film öntés.
Részletezett célok:
Vízben rosszul oldódó hatóanyagok szájban oldódó elektroszálképzett szövetének előállítása és vizsgálata;
Nagy hatóanyag tartalmú elektroszálképzett szálak előállítása, vizsgálata és összehasonlítása porlasztva szárított mintákkal;
Ciklodextrin alapú, gyors oldódású szálak előállítása és vizsgálata;
Elektroszálképzett szál alapú szilárd gyógyszerformák előállítási lehetőségeinek a vizsgálata;
Megfelelő polimer mátrixok fejlesztése hatóanyag tartalmú olvadékos elektrosztatikus szálképzéssel előállított szálak gyártására;
Különböző szálgyártási eljárások és méretnövelési lehetőségek vizsgálata és összehasonlítása

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A várható fő eredménye a projektnek a tudományos ismeretanyag jelentős növekedése a gyógyszeripar területén igen fontos amorf szilárd diszperziók szilárd oldatok és összességében amorf formulációk tekintetében. További hozadéka a projektnek a komoly technológiai jártasság, szakértelem kialakulása érzékeny és vízben rosszul oldódó hatóanyagok elektrosztatikus szálképzése területén. Ezen túlmenően a kutatás-fejlesztési tevékenység eredményeként új, innovatív, gyermekek és idősek számára is megfelelő nanoszálas formulációk és gyógyszerhordozók kifejlesztése várható, melyek lehetővé teszik számos terápiásan fontos hatóanyag kényelmes, orális bevételét. Szabadalmaztatható eredmények, eljárások ugyancsak várhatók.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Napjainkban a gyógyszertechnológia területén (gyógyszerkészítmény technológia) az egyik legnagyobb kihívás a hatóanyagok kioldódásának javítása szilárd gyógyszerformákból, mivel az új fejlesztésű hatóanyagok nagy része gyakorlatilag nem oldódik vizes közegben, így azok nem tudják kifejteni a kívánt hatásukat a szervezetben, hiszen felszívódás előfeltétele az oldódás. A kioldódás javításának területén a hagyományos technológiák gyakran nem járnak sikerrel, ilyenkor egyre többször kerülnek előtérbe nanotechnológiai eljárások.
A hatóanyag-leadás sebességének és mértékének javítása területén, az elektrosztatikus szálképzés egy új és igen ígéretes módszer, amellyel a kioldódás javítás számos elméleti stratégiája ötvözhető (pl. megnövelt fajlagos felület).
A kutatás arra keresi a választ, hogy lehetséges-e gyógyszerhatóanyagok kioldódását jelentősen javítani elektrosztatikus szálképzéssel, és ez a módszer hatékonyabb lehet-e egyéb, hasonló célra alkalmazott technikáknál. Ezt a kérdést makroszkopikus és molekuláris szinten végbemenő folyamatok, mechanizmusok és a kialakuló szerkezetek feltérképezésén keresztül lehet csak teljes mélységében megválaszolni, ami közelebb visz minket a gyógyszertechnológiában növekvő jelentőségű amorf formulációk jobb megértéséhez. Mindemellett az elektrosztatikus nanoszálképzéssel előállított szálakon alapuló új, innovatív gyógyszerhordozó rendszerek fejlesztését is tervezzük.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
One of the largest challenges in the field of pharmaceutical technology is the enhancement of drug release from orally taken solid dosage forms, as most recently developed APIs are poorly soluble in water.
In the age of nanotechnology new approaches became available for improving the dissolution of approved and candidate drug molecules. The applicability of electrospun nanofibers for this purpose is hardly known in the pharmaceutical industry, although it can combine several theoretical approaches for accelerating the dissolution and hence increase bioavailability of drugs that are poorly soluble in water (increased specific surface area, amorphization, etc.).
Questions which are planned to be answered during the research project:
Is it possible to improve the dissolution of drugs using electrospinning?
Is electrospinning more effective method in dissolution enhancement than melt extrusion, spray drying or film casting?
Detailed answering of these questions at molecular and macroscopic level provides valuable scientific information and better understanding about amorphous formulations (solid dispersions, solid solutions) which have great and increasing importance in the field of pharmacetical technology. Furthermore, development of electrospun nanofiber-based new, innovative drug delivery systems is also planned.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main aim of this project is to map the technological/scientific capability and limitations of the promising electrospinning method for producing new drug delivery systems with improved drug bioavailability and/or patient compliance. It is hypothesized that electrospinning has better amorphization efficiency than melt extrusion, spray drying, film casting.
Detailed aims:
Preparation and characterization of electrospun orally dissolving webs of drugs with poor water solubility;
Preparation and characterization of drug loaded nanofibers with high drug content and comparison to spray dried systems;
Preparation and characterization of fast dissolving cyclodextrin-based fibers;
Investigation of the possibilities of the preparation of electrospun fiber-based solid dosage forms;
Development of adequate polymer matrices for the preparation of melt electrospun drug loaded fibers;
Investigation and comparison of different fiber manufacturing techniques and scale-up possibilities.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The main result expected is the scientific knowledge to be gained at the utmost challenging area of amorphous solid dispersions, solid solutions and amorphous formulations in the field of pharmaceutical industry. Further outcome of the project is the skill on the technology of electrospinning of sensitive active ingredients and drugs with poor water solubility. Additionally, as result of the R&D work new, innovative, age-appropriate nanofibrous formulations and delivery system (ODW) with significantly better patient compliance are expected, which are capable for convenient oral administration of several therapeutically important APIs. Patentable results are also foreseen.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
One of the largest challenges in the field of pharmaceutical technology is the enhancement of drug dissolution from orally taken solid dosage forms, as most recently developed drugs are poorly soluble in water.
In the age of nanotechnology new approaches became available for improving the dissolution of approved and candidate drug molecules. The applicability of electrospun nanofibers for this purpose is hardly known in the pharmaceutical industry, although it may combine several theoretical approaches for accelerating the dissolution and hence increase bioavailability of drugs that are poorly soluble in water (increased specific surface area, amorphization, etc.).
Questions which are planned to be answered during the research project.
Is it possible to improve the dissolution of drugs using electrospinning?
Is electrospinning more effective method in dissolution enhancement than other techniques applied for the same purpose?
Detailed answering of these questions at molecular and macroscopic level provides valuable scientific information and better understanding about amorphous formulations which have great and increasing importance in the field of pharmacetical technology. Furthermore, development of electrospun nanofiber-based new, innovative drug delivery systems is also planned.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A gyógyszertechnológia területén (gyógyszerkészítmény technológia) az egyik legnagyobb kihívás a hatóanyagok kioldódásának javítása szilárd gyógyszerformákból, mivel az új fejlesztésű (originális) hatóanyagok nagy része gyakorlatilag nem oldódik a gasztrointesztinális folyadékokban, így azok nem tudják kifejteni a kívánt hatásukat, hiszen a felszívódás előfeltétele az oldódás. A kioldódás javításának területén a hagyományos technológiák gyakran nem járnak sikerrel, ilyenkor egyre többször kerülnek előtérbe nanotechnológiai eljárások. A hatóanyag-leadás sebességének és mértékének javítása területén, az elektrosztatikus szálképzés egy új és igen ígéretes módszer, amellyel a kioldódás javítás számos elméleti stratégiája ötvözhető (megnövelt fajlagos felület, amorfizáció, stb.). A project során kapott eredmények alapján az elektrosztatikus nanoszálképzés az egyik leghatékonyabb amorfizáló technika és a vízben rosszul oldódó hatóanyagok kioldódása jelentősen javítható az így kapható „nanoamorf” rendszerekkel. Mindemellett a legfőbb kiemelendő eredményei a projektnek: - Biohatóanyagok kíméletes szárítása és formulálása is kivitelezhető nanoszálképzéssel - Szálas gyógyszerhordozó rendszerek oldószer nélküli gyártása is megvalósítható - Nanoszálak méretnövelt gyártása is kifejlesztésre került (nagy sebességű elektrosztatikus szálképzés) - Nanoszálak tablettává történő feldolgozása is megvalósítható
Results in English
One of the largest challenges in the field of pharmaceutical technology is the enhancement of drug release from orally taken solid dosage forms, as most recently developed APIs are poorly soluble in water. In the period of nanotechnology there are new possibilities to improve dissolution of these already developed and candidate drug molecules. In the age of nanotechnology new approaches became available for improving the dissolution of approved and candidate drug molecules. The applicability of electrospun nanofibers for this purpose is hardly known in the pharmaceutical industry, although it may combine several theoretical approaches for accelerating the dissolution and hence increase bioavailability of drugs that are poorly soluble in water (increased specific surface area, amorphization, etc.). The obtained results proved that the nanofiber formation using electrospinning is one of the most efficient techniques for amorphization, and the dissolution of drugs with poor water solubility can be enhanced significantly by the obtainable “nanoamorphous” systems. Furthermore the main highlights of the project: - gentile drying and formulation of biodrugs is possible by electrospinning - solventless production of fibrous drug delivery systems from melts is feasible - scaled-up production of nanofibers has been developed (high speed electrospinning) - downstream processing of nanofibers into tablet formulations is achievable
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108975
Decision
Yes





 

List of publications

  
Hajnalka Pataki, Peter Soti, Tamas Vigh, Zsombor K Nagy, Balazs Vajna, Istvan Csontos, Gyorgy Marosi: Controlled Formation of Free-Flowing Carvedilol Particles in the Presence of Polyvinylpyrrolidone, CHEM ENG TECHNOL 37: (2) 249-256, 2014
Nagy Zsombor K: Gyógyszerhordozó rendszerek fejlesztése folyamatos gyógyszertechnológiai eljárásokkal, MAGY KÉM FOLY 119: (4) 175-179, 2013
A Balogh, B Farkas, K Faragó, A Farkas, I Wagner, IV Assche, G Verreck, ZK Nagy, G Marosi: Melt‐Blown and Electrospun Drug‐Loaded Polymer Fiber Mats for Dissolution Enhancement: A Comparative Study, J PHARM SCI 104: (5) 1767-1776, 2015
A Balogh, T Horvathova, Z Fulop, T Loftsson, A H Harasztos, G Marosi, Z K Nagy: Electroblowing and electrospinning of fibrous diclofenac sodium-cyclodextrin complex-based reconstitution injection, J DRUG DELIV SCI TEC 26: 28-34, 2015
B Démuth, ZK Nagy, A Balogh, T Vigh, G Marosi, G Verreck, IV Assche, ME Brewster: Downstream processing of polymer-based amorphous solid dispersions to generate tablet formulations, INT J PHARM 486: (1-2) 268-286, 2015
Farkas A, Vajna B, Soti PL, Nagy ZK, Pataki H, Van der Gucht F, Marosi G: Comparison of multivariate linear regression methods in micro-Raman spectrometric quantitative characterization, J RAMAN SPECTROSC 46: (6) 566-576, 2015
Firkala Tamás, Farkas Attila, Vajna Balázs, Nagy Zsombor Kristóf, Pokol György, Marosi György, Szilágyi Imre Miklós: Quantification of low drug concentration in model formulations with multivariate analysis using surface enhanced Raman chemical imaging, J PHARMACEUT BIOMED ANAL 107: 318-324, 2015
I Wagner, Z K Nagy, Á Suhajda, H Pataki, P Sóti, T Vigh, A Balogh, A H Harasztos, G Marosi: Film Coating as a New Approach to Prepare Tablets Containing Long-Term Stable Lactobacillus acidophilus, PERIOD POLYTECH CHEM ENG 59: (1) 96-103, 2015
Péter Lajos Sóti, Katalin Bocz, Hajnalka Pataki, Zsuzsanna Eke, Attila Farkas, Geert Verreck, Éva Kiss, Pál Fekete, Tamás Vigh, István Wagner, Zsombor K Nagy, György Marosi: Comparison of spray drying, electroblowing and electrospinning for preparation of Eudragit E and itraconazole solid dispersions, INT J PHARM 494: (1) 23-30, 2015
Sóti Péter L, Nagy Zsombor K, Serneels Geert, Vajna Balázs, Farkas Attila, Van der Gucht Filip, Fekete Pál, Vigh Tamás, Wagner István, Balogh Attila, Pataki Hajnalka, Mező Gábor, Marosi György: Preparation and comparison of spray dried and electrospun bioresorbable drug delivery systems, EUR POLYM J 68: 671-679, 2015
Zsombor K Nagy, Attila Balogh, Balázs Démuth, Hajnalka Pataki, Tamás Vigh, Bence Szabó, Kolos Molnár, Bence T Schmidt, Péter Horák, György Marosi, Geert Verreck, Ivo Van Assche, Marcus E Brewster: High speed electrospinning for scaled-up production of amorphous solid dispersion of itraconazole, INT J PHARM 480: (1-2) 137-142, 2015
T Vigh, M Sauceau, J Fages, E Rodier, I Wagner, P L Sóti, G Marosi, Z K Nagy: Effect of supercritical CO2 plasticization on the degradation and residual crystallinity of melt-extruded spironolactone, POLYM ADVAN TECHNOL 25: (10) 1135-1144, 2014
A Balogh, B Farkas, G Verreck, J Mensch, E Borbás, B Nagy, G Marosi, Z K Nagy: AC and DC electrospinning of hydroxypropylmethylcellulose with polyethylene oxides as secondary polymer for improved drug dissolution, INT J PHARM 505: (1-2) 159-166, 2016
B Démuth, A Farkas, H Pataki, A Balogh, B Szabó, E Borbás, P L Sóti, T Vigh, É Kiserdei, B Farkas, J Mensch, G Verreck, I Van Assche, G Marosi, Z K Nagy: Detailed stability investigation of amorphous solid dispersions prepared by single-needle and high speed electrospinning, INT J PHARM 498: (1-2) 234-244, 2016
Borbás E, Sinkó B, Tsinman O, Tsinman K, Kiserdei E, Démuth B, Balogh A, Bodák B, Domokos A, Dargó G, Balogh GT, Nagy ZK: Investigation and mathematical description of the real driving force of passive transport of drug molecules from supersaturated solutions, MOL PHARM 13: (11) 3816-3826, 2016
Démuth Balázs, Farkas Attila, Balogh Attila, Bartosiewicz Karolina, Kállai-Szabó Barnabás, Bertels Johny, Vigh Tamás, Mensch Jurgen, Verreck Geert, Van Assche Ivo, Marosi György, Nagy Zsombor K: Lubricant-Induced Crystallization of Itraconazole From Tablets Made of Electrospun Amorphous Solid Dispersion, J PHARM SCI 105: (9) 2982-2988, 2016
Edit Hirsch, Hajnalka Pataki, Attila Farkas, Henrik Bata, Panna Vass, Csaba Fehér, Zsolt Barta, László Párta, István Csontos, András Ballagi, Zsombor K Nagy, György J Marosi: Raman-Based Feedback Control of the Enzymatic Hydrolysis of Lactose, ORG PROCESS RES DEV 20: (10) 1721-1727, 2016
Kolos Molnar, Zsombor K Nagy: Corona-electrospinning: Needleless method for high-throughput continuous nanofiber production, EUR POLYM J 74: (1) 279-286, 2016
Nagy Brigitta, Farkas Attila, Balogh Attila, Pataki Hajnalka, Vajna Balázs, Nagy Zsombor K, Marosi György: Quantification and handling of nonlinearity in Raman micro-spectrometry of pharmaceuticals, J PHARMACEUT BIOMED ANAL 128: 236-246, 2016
Sóti PL, Weiser D, Vigh T, Nagy ZK, Poppe L, Marosi G: Electrospun polylactic acid and polyvinyl alcohol fibers as efficient and stable nanomaterials for immobilization of lipases, BIOPROC BIOSYST ENG 39: (3) 449-459, 2016
Weiser Diána, Sóti Péter L, Bánóczi Gergely, Bódai Viktória, Kiss Bálint, Gellért Ákos, Nagy Zsombor K, Koczka Béla, Szilágyi András, Marosi György, Poppe László: Bioimprinted lipases in PVA nanofibers as efficient immobilized biocatalysts, TETRAHEDRON 72: (46) 7335-7342, 2016
Wagner I, Nagy ZK, Vass P, Feher C, Barta Z, Vigh T, Soti PL, Harasztos AH, Pataki H, Balogh A, Verreck G, Van Assche I, Marosi G: Stable formulation of protein-type drug in electrospun polymeric fiber followed by tableting and scaling-up experiments, POLYM ADVAN TECHNOL 26: (12) 1461-1467, 2015
A Balogh, R Cselkó, B Démuth, G Verreck, J Mensch, G Marosi, ZK Nagy: Alternating current electrospinning for preparation of fibrous drug delivery systems, INT J PHARM 495: (1) 75-80, 2015
E Borbás, A Balogh, K Bocz, J Müller, É Kiserdei, T Vigh, B Sinkó, A Marosi, A Halász, Z Dohányos, L Szente, GT Balogh, ZK Nagy: In vitro dissolution–permeation evaluation of an electrospun cyclodextrin-based formulation of aripiprazole using μFlux™, INT J PHARM 491: (1-2) 180-189, 2015
Balogh A, Drávavölgyi G, Faragó K, Farkas A, Vigh T, Sóti PL, Wagner I, Madarász J, Pataki H, Marosi G, Nagy ZK: Plasticized drug-loaded melt electrospun polymer mats: characterization, thermal degradation and release kinetics, J PHARM SCI 103: (4) 1278-1287, 2014
Csontos István, Pataki Hajnalka, Farkas Attila, Bata Henrik, Vajna Balázs, Nagy Zsombor Kristóf, Keglevich György, Marosi György: Feedback control of oximation reaction by inline Raman spectroscopy, ORG PROCESS RES DEV 2014: , 2014
P L Sóti, L Telkes, Z Rapi, A Tóth, T Vigh, Z K Nagy, P Bakó, G Marosi: Synthesis of an Aza Chiral Crown Ether Grafted to Nanofibrous Silica Support and Application in Asymmetric Michael Addition, J INORG ORGANOMET P 24: (4) 713-721, 2014
T Vigh, G Drávavölgyi, P L Sóti, H Pataki, T Igricz, I Wagner, B Vajna, J Madarász, G Marosi, Z K Nagy: Predicting final product properties of melt extruded solid dispersions from process parameters using Raman spectrometry, J PHARMACEUT BIOMED ANAL 98: 166-177, 2014
Z K Nagy, I Wagner, A Suhajda, T Tobak, A H Harasztos, T Vigh, P L Soti, H Pataki, K Molnar, G Marosi: Nanofibrous Solid Dosage Form of Living Bacteria Prepared by Electrospinning, EXPRESS POLYM LETT 8: (5) 352-361, 2014
I Sebe, B Szabó, ZsK Nagy, D Szabó, L Zsidai, B Kocsis, R Zelkó: Polymer structure and antimicrobial activity of polyvinylpyrrolidone-based iodine nanofibers prepared with high-speed rotary spinning technique, INT J PHARM 458: (1) 99-103, 2013
T Vigh, T Horváthová, A Balogh, G Drávavölgyi, Z K Nagy, G Marosi: Polymer-free and polyvinylpirrolidone-based electrospun solid dosage forms for drug dissolution enhancement, EUR J PHARM SCI 49: (4) 595-602, 2013



Back »