Physical properties, relaxation dynamics and applications of polymer solid dispersions

Abstract

(English) Polymers can have a wide range of application, thanks to the capacity of designing them to meet specific requirements (e.g. mechanical, thermal, optical or electrical). In particular, polymeric materials with high biocompatibility and degradability can be easily prepared, for applications in the biomedical fields as scaffolds for tissue regeneration or matrices for drug delivery. A large number of drugs, in fact, display low solubility and/or poor temporal dissolution profile in aqueous environments. A low solubility, and especially a poor temporal dissolution profile, hinder the bioavailability and thus the implementation of these drugs in pharmaceutical formulations. Besides chemical modification of the drug, also physical strategies are available to enhance bioavailability, such as particle size reduction or amorphization, as well as co-crystal formation or drug dispersion in an appropriate carrier. Amorphous drugs show more solubility and better dissolution profiles (and hence better bioavallability) than crystal phases, in some cases they can be compactad into tablets more effectively than polycrystalline powders, and beneficial effects of amorphous formulations have been reported also in vivo. The amorphous phase is, however, thermodynamically unstable against crystallization and crystalline drug forms dominate the pharmaceutical market for practical and economical reasons. Even so, many drugs with originally poor aqueous solubility have reached the drug development stage, only thanks to its formulation in amorphous phase. One of the ways to improve the dissolution profile of a low-solubility drug and enhance the metastability of its amorphous state, is dispersing it in a polymer excipient with higher water solubility. Such binary mixtures may also allow controlled drug release or even targeted delivery if the dispersion of the drug is carried out in polymers that are only swellable or water-insoluble. lf a polymer is mixed with an inorganic nanofiller, instead of a drug, then the mixture is usually called a polymer nanocomposite. The addition of nanofillers can drastically change and improve the properties of polymers even at low filler content. Nanocomposites can now commercially compete with traditional materials thanks to the great improvements that can be achieved on thermal endurance, flame retardance, liquid and gas impermeability, or targeted electric, electronic and optical properties. While the potential for industrial scale applications of nanocomposites is vast, current applications have been developing ata very slow pace. In many cases, the performance of the rnaterials did not meet the expectations and sorne unexpected drawbacks or flaws were found. Further development of nanocomposites can only be achieved by a specific study of each polymer-filler system, and requires a deep understanding of the interfacial effects between polymer and fillers. While a plethora of studies can be found on small molecules, polymer blends, and polymer solutions, asymmetric binary mixtures (dispersions) of small molecules in polymer matrices have been sornewhat less studied, probably dueto the fact that this type of sample is located at the frontier between molecular physics and chemistry and macromolecular physics, and techniques which are valid for both of them are needed to carry out a comprehensive researcti on these systems. This thesis focuses on binary systems composed by polyrners (macrornolecules) and srnall, organic molecules or inorganic fillers such as carbon nanotubes. We have studied experimentally several distinct molecules (chloramphenicol, diazepam, nordazepam, tetrazepam, curcumin and morniflumate), fillers (carbon nanotubes) and polymers (polylactide, poly(4- hydroxybutyrate), polyurethane anda poly(ester amide)). Different polymer compositions (enantiomeric pure, racemic, or polymer blends) and sample preparation methods, such as film casting and solution or melt-electrospinning, were examined.

(Español) Los polímeros pueden tener una amplia gama de aplicaciones, gracias a la posibilidad de diseñarlos para cumplir requisitos especificas (por ejemplo, mecánicos, térmicos, ópticos o eléctricos). Concretamente, materiales poliméricos con alta biocompatibilidad y degradabilidad, que pueden ser fácilmente preparados para aplicaciones en el campo biomédico, como estructuras para la regeneración de tejido o matrices para la liberación de fármacos. Un gran número de fármacos, exhiben baja solubilidad y/o perfiles de disolución inadecuados en ambiente acuoso. La biodisponibilidad de estos fármacos resulta entonces afectada, impidiendo su implementación en una formulación farmacéutica. Varias estrategias están disponibles para mejorar la biodisponibilidad de un fármaco, como la reducción del tamaño de las partículas, armorfización, formación de co-cristales o dispersión del fármaco en una matriz apropiada. Los fármacos en fase amorfa exhiben mejor solubilidad y biodisponibilidad que en fase cristalina, incluso en algún caso se han podido compactar en pastillas con menos dificultad que los correspondientes polvos policristalinos y se han reportado efectos benéficos de las formulaciones amorfas en vivo. Por contra, la fase amorfa es termodinámicamente inestable respecto a la recristalización y, por eso, los fármacos cristalinos dominan el mercado farmacéutico, por razones prácticas y económicas. Sin embargo, muchos fármacos que originariamente exhibían una baja solubilidad acuosa, han llegado al estadio de desarrollo clínico debido a su formulación en fase amorfa. Uno de los métodos para mejorar el perfil de disolución de un fármaco y metaestabilizar su fase amorfa, es mezclarlo con un excipiente polimérico que tenga una solubilidad mas alta. La preparación de estas mezclas binarias permitiria también la liberación controlada, o incluso dirigida, del fármaco siempre y cuando el polímero en cuestión sea poco soluble en agua. Otras aplicaciones con polímeros están basadas en mezclas con nanorefuerzos inorgánicos, llamadas nanocompósitos. La incorporación de nanorefuerzos, incluso a bajas concentraciones, puede cambiar y mejorar drásticamente las propiedades de un polímero. Los nanocompósitos a día de hoy ya pueden competir comercialmente con materiales más tradicionales gracias a las mejoras que se pueden obtener en propiedades como la resistencia térmica, retardación de la llama, permeabilidad a gases y liquidas, o propiedades ópticas, electrónicas y eléctricas. A pesar de que el potencial para las aplicaciones a escala industrial de los nanocompósitos es muy grande, las aplicaciones se están desarrollando a un ritmo muy lento. En muchos casos el rendimiento de los materiales no ha alcanzado las expectativas, debido a que las propiedades son muy especificas para cada sistema de polímero y nanorefuerzo ya que se necesita una profunda comprensión de los efectos interfaciales entre polímero y nanorefuerzo. Si bien por un lado se puede encontrar una gran cantidad de estudios sobre pequeñas moléculas, mezclas entre polímeros y soluciones poliméricas, por otro lado las dispersiones solidas asimétricas de una pequeña molécula en matriz polimérica han sido estudiadas en menor medida, probablemente debido al hecho de que este tipo de material está en la frontera entre la física, la química molecular y la física macromolecular. Esta tesis se centra en sistemas binarios compuestos por polímeros y pequeñas moléculas, orgánicas o inorgánicas. Se han estudiado experimentalmente varias moléculas (cloranfenicol, diazepam, nordazepam, tetrazepam, curcumina y morniflumato), nanorefuerzos (nanotubos de carbono), y polímeros (polilactida, poli(4-hidroxibutirato), poliuretano y una poli(ester amida)}. .Además se han examinado diferentes composiciones poliméricas y métodos de preparación como el electrohilado y la evaporación de disolvente.