Development of Methods for Drug Release Evaluation from Advanced Nanoporous Anodic Alumina Structures

Abstract

L'alliberament controlat de fàrmacs en llocs indicats del cos humà ha estat sempre un desafiament en aplicacions d'administració de tractaments. En aquest respecte, diferents materials porosos nanoestructurats com l'òxid de silici, l'òxid de titani i l'òxid d'alumini s'han explorat de forma continuada a causa de les seves facilitat de preparació, excel·lent biocompatibilitat i propietats físicoquímiques. Tot i que l'alliberament de fàrmacs des de les estructures esmentades ha estat estudiat prèviament, encara cal establir una explicació detallada de la cinètica de l'alliberament i dels seus mecanismes. Aquesta tesi proposa desenvolupar una metodologia per investigar l'alliberament de fàrmacs des de l'alúmina porosa nanoestructurada. Per aconseguir-ho s'han utilitzat diferents estratègies d'anodització per preparar nanoestructures poroses avançades, infiltrar-les amb fàrmacs i estudiar-ne l'alliberament controlat. Dissenyant nanoestructures amb una banda prohibida fotònica a la mateixa regió espectral que l'absorció òptica del fàrmac és possible obtenir una mesura de la quantitat de fàrmac a l'interior dels porus. A més, la regió espectral lluny de l'esmentada absorció es fa servir com a referència per compensar els canvis no relacionats amb el propi procés d'alliberament. La infiltració del fàrmac s'ha aconseguit amb el mètode de 'drop-casting' i s'ha estudiat en detall mitjançant espectroscòpia UV-Visible. L'alliberament del fàrmac s'ha estudiat en temps real mitjançant espectroscòpia de reflexió integrada en una cel·la de fluids, amb la llargada dels porus i la magnitud del flux com a variables. La cinètica s'ha explorat amb un model que demostra un alliberament des de la nanoestructura controlat per la difusió. En resum, les estructures fotòniques avançades desenvolupades en aquesta tesi estableixen un punt de partida per a l'estudi de la cinètica d'alliberament amb l'objectiu d'obtenir administracions sostingudes de fàrmacs.

La descarga controlada de fármacos en lugares indicados del cuerpo humano siempre ha sido un desafío en aplicaciones de administración de tratamientos. En este respecto, diferentes materiales porosos nanoestructurados como el óxido de silicio, el óxido de titanio y el óxido de aluminio se han explorado continuadamente a causa de su facilidad de preparación, excelente biocompatibilidad y sus propiedades fisicoquímicas. Aunque la descarga de fármacos desde las mencionadas estructuras porosas ha sido estudiada previamente, se debe establecer aún una explicación detallada de la cinética de la descarga y de sus mecanismos. Esta tesis propone desarrollar una metodología para investigar la descarga de fármacos desde la alúmina porosa nanoestructurada. Para conseguirlo se han usado diferentes estrategias de anodización para preparar nanoestructuras porosas avanzadas, infiltrarlas con fármacos y estudiar su descarga controlada. Diseñando nanoestructuras con una banda prohibida fotónica en la misma región espectral que la absorción óptica del fármaco es posible obtener una medida de la cantidad de fármaco en el interior de los poros. Además, la región espectral lejos de la mencionada absorción se utiliza como referencia para compensar aquellos cambios no relacionados con el propio proceso de descarga. La infiltración del fármaco se ha conseguido con el método de 'drop-casting' y se ha estudiado en detalle mediante espectroscopía UV-Visible. La descarga del fármaco se ha estudiado en tiempo real mediante espectroscopía de reflexión integrada en una celda de fluidos, con la longitud de los poros y la magnitud del flujo como variables. La cinética se ha explorado con un modelo que demuestra una descarga desde la nanoestructura controlada por la difusión. En resumen, las estructuras porosas fotónicas avanzadas desarrolladas en esta tesis establecen un punto de partida para el estudio de la cinética de descarga con el objetivo de obtener administraciones sostenidas de fármacos.

Controlled drug release at targeted sites has always been a challenging problem in therapeutic delivery approaches. In this regard, several porous nanostructured materials like silica, titania, and alumina have continuously been explored due to their ease of preparation, excellent biocompatibility, and physicochemical properties. Although the release of drug from the mentioned above structures has been previously studied, a detailed explanation of the release kinetics and their mechanisms is still yet to be established. This thesis proposes to develop a methodology to investigate the drug release from nanoporous anodic alumina. To achieve this different anodization strategies have been employed to prepare advanced nanostructures, load them with drugs and study their controlled release. By designing nanostructures with a photonic stop band in the same spectral region as the optical absorption of the drug, it is possible to obtain a measure of the amount of drug infiltrating the pores. Furthermore, the spectral region far from such absorption is used as a reference to compensate for any changes not related to the very release process. The drug infiltration has been achieved with the drop-casting method and studied thoroughly using UV-Visible spectroscopy. The drug release was studied in real-time by reflectance spectroscopy integrated in a flow cell, with the pore length and flow rate as variables. The kinetics of the drug release has been explored with a model that demonstrates a diffusion-controlled release from the nanostructures. In brief, the advanced photonic structures developed in this thesis could pave the way as a starting point in studying the drug release kinetics with the main aim of achieving a sustained drug release.