Composite nanofiber patches for topical drug delivery systems - Barbak, Zarife (Graduate School, 2021)
Nanofibers are ultrafine, continuous, solid state textile fibers that have diameters less than 1 micrometre. Nanofibers possess remarkable properties such as high interconnected porosity, specific surface area, ability to imitate the Extra Cellular Matrix (ECM) and potential carrier for drug delivery. Due to these fascinating properties, nanofibers are attractive candidates for medical applications for instance wound dressings, tissue scaffolds and artificial blood vessels. Electrospinning is the simplest and most practical among all methods to produce fine fibers with diameters ranging from micrometres to nanometres. Basic electrospinning equipment includes a high voltage source, a solution feeding unit, a syringe with a tip and a collector. At first, high voltage is applied to the polymer solution to produce an electrical field between the tip and the collector to shape the droplet on the tip as Taylor Cone. When the electrostatic force is higher than the surface tension of the polymer solution, polymer jet is ejected from the tip to the collector. Then, polymer jet reaches to collector following a spiral way by getting longer and thinner. Finally, nanoscale fibers are obtained on the collector. Topical drug delivery systems are composed of a formulation that applied to the skin directly to heal disorders or disease of the skin which guide/target pharmacological effect of the drug to the skin surface. Different pharmaceutical dosage forms can be used in topical drug delivery such as gels, creams, ointment, liquid preparation, sprays and solid powders. Electrospun nanofibers are excellent materials for drug delivery systems due to high interconnected porosity, high surface area, ability to imitate the Extra Cellular Matrix (ECM), potential carrier for drug delivery. Utilization of nanofibers in drug delivery systems is based on the principle that the high surface area of the nanofibrous formulation increases the dissolution rate of the drug. Compared with other dosage forms such as; liposomes, micelles and hydrogels, major advantages of nanofibers are increment in drug loading efficiency and loading capacity, low systemic toxicity and excellent stability. Furthermore, several drugs can be carried within nanofibers with high local drug concentration due to their excellent targeting and drug transportation ability in a safe way. Electrospinning offers the opportunity for direct loading of drugs or biological agents for instance antibacterial molecules, antibiotics, enzymes, growth factors, proteins, peptides, vitamins, DNA into the electrospun nanofibers. Poly (ε-caprolactone) (PCL), Poly Lactic Acid (PLA) and Poly (ethylene oxide) (PEO) were used as carrier polymers for drug delivery. PEO is a highly aqueous soluble polymer, that interacts with the body fluid quickly due to its hydrophilicity resulting in dissolution. PEO is widely used in the polymer matrix to enhance bioavailability and solubility of drugs because of its high aqueous solubility and unique properties in drug delivery applications. The compatibility of PCL and PLA with different types of drugs enables uniform drug distribution in the polymer matrix and the slow degradation rate makes them favourable for prolonged drug delivery systems. In recent years, various studies were reported on the fabrication of drug delivery systems, generated by electrospinning of PCL, PEO, PLA and their blends. PCL, PEO, PLA nanofibers or their blends were loaded with different drugs and biological agents such as; Niclosamide, Silver nanoparticles, Vitamin B12, Curcumin, Lysozyme, AgNO3, Metronidazole (MNA). Polymer blending is an effective approach to prepare functional nanofibers by incorporating the favourable properties of the component polymers. Furthermore, polymer blending facilitates the manipulation of physical, mechanical or biochemical properties of nanofibers. Hydrophilic/hydrophobic polymer blends have been electrospun into nanofibers to fabricate controlled DDS. The hydrophobic polymer forms the backbone structure and it degrades slowly, creating a long term but steady-state drug release. On the other hand, the hydrophilic polymer degrades with a more rapid process, faster than hydrophobic, which accelerates the drug release. In this study, hydrophilic water-soluble PEO was selected for the polymer matrix to enhance the solubility and bioavailability of insoluble SSD. The hydrophobic character of PCL and PLA offers a long period SSD release therefore hydrophilic PEO was blended with hydrophobic PCL and PLA. Thus, PCL/ PEO and PLA/PEO composite polymer matrix was used to provide both increased solubility and controlled release of SSD. Silver sulfadiazine (SSD) is a non-ionized, water-insoluble, topical agent with a wide range of antimicrobial activity that is affected both on bacteria and fungi. SSD is a sulfonamide based drug that is formed by the reaction of sulfadiazine with silver nitrate to form complex silver salt. SSD is used extensively in the topical treatment of infected burns. Silver sulfadiazine provides a long-term release of silver ions, whereas in the case of other silver salts, such as silver nitrate, large amounts of silver ions are released all at once. Thus, the use of SSD decreases the need for frequent application. This makes SSD a desirable and favourable agent since the frequent application is not always practical or possible for patients. However, the low aqueous solubility (3.4 mg/l at pH = 6.8) restricts the drug efficiency, bioavailability and potential antimicrobial activity of SSD thus its applications are limited. Drug solubility is an important issue since efficient drug release and antimicrobial efficiency is contributed just by decomposition of SSD to sulfadiazine and silver ions. Also, the solubility problem of SSD makes it difficult to be stabilized and incorporated into the polymer matrix. The aim of the thesis is to produce a novel SSD loaded topical drug delivery system by using advantages of electrospun nanofibers. Also, a new buffer, Water/Propylene Glycol/ Phosphoric Acid (82:16:2) was utilized to investigate the dissolution and release behaviour of SSD. Thereby SSD containing PCL/PEO and PLA/PEO composite nanofiber carriers were electrospun to achieve the enhancement in solubility, effective drug release and efficient drug loading of SSD. For this purpose, initially, the water-insoluble SSD was incorporated into highly aqueous soluble PEO to increase the solubility. Afterwards, the PEO+SSD solution was blended with PCL and PLA solution to produce composite PCL/(PEO+SSD) and PLA/(PEO+SSD) nanofibers and PCL/(PEO+SSD) casting films for topical drug delivery. SEM method was used to enable the observations of fiber defects and irregularities in the nanofibers structures and to measure the average fiber diameters of the nanofibers. The morphological characterization of the casting films was carried out by SEM and Optical Profilometer. Energy dispersive spectra (EDS) analysis was performed to confirm that the composite nanofibers and casting film which contain SSD, by detecting the Silver (Ag), Nitrogen (N), Sulphur (S) content of the nanofibers. Moreover, EDS-Mapping was carried out to show the distributions of these elements in the composite nanofibers and casting films. The stability of SSD in the fiber structure and the molecular interactions in the drug-free and drug loaded nanofibers were examined by Attenuated Total Reflectance Infrared (FTIR-ATR) Spectroscopy. The crystalline structure of the SSD loaded composite electrospun nanofibers were investigated with X-ray diffraction (XRD) analysis. Atomic Force Microscopy (AFM) was used to determine the surface roughness of the composite nanofibers. 3D AFM Images show the roughness structure of nanofibers. Water contact angle measurements were performed to evaluate the wettability properties of the fabricated nanofibers and casting films surfaces. In vitro drug release media and release conditions were optimized and the controlled drug release profile was obtained for 24 hours. Drug loading efficiency of the nanofiber formulations and casting film were calculated. To understand the SSD drug release mechanisms from SSD loaded formulations; Zero Order, First Order, Higuchi, Hixon Crowell and Korsmeyer-Peppas kinetics models were applied in the drug release profiles of the formulations. Drug release studies were also verified with conductivity measurement due to the conductive nature of SSD. Antibacterial activities of the composite nanofibers against gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus) and gram negative Pseudomonas Aeruginosa (P. aeruginosa) Escherichia coli (E. Coli) bacteria were performed for the period of 24, 48 and 72 hours according to disc diffusion test method. Also, the antibacterial activity of commercial SSD cream was tested for comparison with nanofiber formulations. Furthermore, antibacterial activity of the SSD loaded PCL/PEO and PLA/PEO nanofibers were examined with determining MIC and MBC values. Stability studies of the composite nanofibers were done for 3 and 6 months periods. Nanofiber samples were kept both at refrigerator conditions (+4ºC) and room conditions (25ºC ±2 and 65 % ±2ºC relative humidity) to evaluate stability of nanofiber patches. Stability tests were performed with calculating drug loading amount, cumulative drug release by UV absorption measurements and analysing surface morphology by SEM analysis. Finally, the cytotoxicity studies of the drug loaded and drug-free PCL/PEO and PLA/PEO nanofiber patches were done with using the cell viability assay (MTT assay).

Nanolifler, çapı 1 mikronun altında olan ince uzun tekstil lifleri olarak tanımlanır. Sahip oldukları, yüksek porozite, düşük por çapları, yüksek yüzey alanı, doğal hücre dışı matris (Extra Cellular Matrix; ECM) özelliklerini taklit edebilirlik, biyoaktif molekül/ilaç taşıyabilirlik gibi özelliklerden ötürü ilaç salım sistemleri, yara örtüleri, doku iskeleleri gibi pek çok biyomedikal alanda kullanılmaktadır. Elektroüretim yöntemi nanometre düzeyinde lif üretimi için en yaygın, kolay ve düşük maliyetli lif üretim tekniğidir. Temel elektroüretim düzeneği yüksek güç kaynağı, çözelti besleme ünitesi (pompa), şırınga, iğne/düze ucu ve toplayıcıdan oluşur. Bu yöntemde çözelti formuna getirilmiş polimerik malzeme polimer besleme ünitesi tarafından iğne veya düze ucuna beslenir. Daha sonra polimer çözeltisinin beslendiği iğne ucuna yüksek voltaj (5-80kV) uygulanır ve iğne ucu - toplayıcı arasında elektrik alan oluşturulur. Elektrik alanın oluşturduğu yüzey gerilimi etkisiyle, iğne ucunda asılı durumda duran polimer damlası önce Taylor konisi formunu alır ve belli bir voltaj değerine ulaşıldığında, üzerine uygulanan yüzey gerilim kuvvetlerini yenerek, toplayıcı ünitesine doğru hızlı ve spiral bir yol çizerek hareket eder. Bu hareket esnasında, polimer çözeltisi toplayıcıya ulaşıncaya kadar çözücü buharlaşır. Nihayetinde toplayıcı üzerinde nano boyutta ve uzun lif üretimi gerçekleştirilmiş olur. Elektroüretim prosesinde çözelti konsantrasyonu, çözücü tipi, voltaj, besleme hızı, iğne ucu toplayıcı arası mesafe gibi pek çok parametre değiştirilerek istenen lif çapında nanolifler elde edilebilir. Ayrıca yüksek hızda dönen toplayıcı kullanımı ile lif oryantasyonu artırılabilir. Topikal ilaç salım sistemleri ilacın farmakolojik etkisini deri yüzeyinde hedefleyen ve doğrudan cilde uygulanan bir formülasyondan oluşan sistemlere denilir. Genel bir hastalığın (örneğin, sedef hastalığı) kutanöz bozuklukları (örneğin akne) veya kutanöz belirtilerini tedavi etmek için kullanılırlar. Nanoliflerin ilaç salımında kullanımı, nanolif taşıyıcının yüksek yüzey alanlarının ilacın çözünme oranını artırması ilkesine dayanmaktadır. Nanolifler; lipozomlar, miseller ve hidrojeller gibi diğer dozaj formları ile karşılaştırıldığında en belirgin avantajları; ilaç yükleme verimliliği, ilaç yükleme kapasitesindeki artış, düşük sistemik toksisite ve mükemmel stabilitedir. Ayrıca, nanoliflerin mükemmel ilaç taşıma kabiliyetleri sayesinde pek çok ilaç yüksek lokal konsantrasyonunda güvenli bir şekilde hedef bölgeye taşınabilir. Elektroüretim yöntemi ile üretilen ilaç salım sistemlerinde, Polikaprolakton (PCL), Polilaktik asit (PLA) ve Polietilen oksit (PEO) biyopolimerleri taşıyıcı matriks olarak tercih edilmiştir. Kullanılan biyopolimerlerden PEO hidrofilik, PCL ve PLA ise hidrofobik karakterdedir. PEO suda çözünürlüğü yüksek olan ve hidrofil yapıda olduğu için vücut sıvısı ile hızlıca etkileşime giren bir polimerdir. PEO, yüksek çözünürlüğünden ötürü ilaçların çözünürlüğünü ve biyoyararlanımını artırmak için ilaç salım uygulamalarında polimer matriksi olarak sıkça kullanılır. PCL ve PLA'nın ise farklı tip ilaçlarla kombine edilebilirliği, ilacın polimer matriksinde homojen bir şekilde dağılımına olanak sağlar. Ayrıca, PCL ve PLA yavaş degredasyon hızına sahip oldukları için bu iki polimer uzun süreli ilaç salımında tercih edilir. Son yıllarda yapılan bilimsel çalışmalarda; PCL, PLA ve PEO'nun, hem ayrı ayrı hem de karışım olarak elektroüretiminin gerçekleştirildiği ve ilaç salım sistemlerinde kullanıldığı bildirilmiştir. PCL, PEO, PLA nanoliflerine veya bunların karışımlarına farklı ilaçlar ve biyolojik ajanlar ilave edilmiştir. Bunlardan bazıları, niklosamid, gümüş nanopartikülleri, B12 Vitamini, Kurkumin, Lizozim, AgNO3, metronidazole (MNA) olarak sıralanabilir. Polimerlerin karışım olarak elektroüretimi, bileşimde kullanılan her bir polimerin olumlu özelliklerini birleştirerek fonksiyonel nanolif matriksleri hazırlamak için etkili bir yaklaşımdır. Ayrıca bu sayede; nanoliflerin fiziksel, mekanik veya biyokimyasal özelliklerinin manipülasyonu kolaylaştırılır. Kontrollü ilaç salım sistemi üretmek için hidrofilik / hidrofobik polimer karışımlarının elektroüretimi ile kompozit nanolifler elde edilmiştir. Hidrofobik polimer sistemin omurgasını oluşturur ve yavaşça bozunarak uzun vadeli ve kararlı bir ilaç salımı sağlar. Öte yandan, ilaç salımını hızlandıran hidrofilik polimer ise, hidrofobikten daha hızlı bir süreçle bozunmaktadır. Bu çalışmada, çözünürlüğü çok düşük olan GSD'nin çözünürlüğünü ve biyoyararlanımını artırmak için hidrofilik PEO polimeri seçilmiştir. PCL ve PLA'nın hidrofobik karakteri, uzun süreli bir GSD salımı sağladığı için hidrofilik PEO, hidrofobik PCL ve PLA ile harmanlanmıştır. Bu çalışmada, PCL / PEO ve PLA / PEO kompozit polimer matrisleri hem GSD'nin çözünürlüğünü artırmak hem de kontrollü ilaç salımını sağlamak için kullanılmıştır. Gümüş sülfadiazin (GSD), erime noktası 285ºC ve moleküler ağırlığı 357,14 g / mol olan, iyonize olmayan ve suda çözünmeyen topikal bir ajandır. Hem bakteriler hem de mantarlar üzerinde etkili geniş bir antimikrobiyal aktiviteye sahiptir. GSD, sülfadiazinin gümüş nitrat ile reaksiyona girerek kompleks gümüş tuzu oluşturması sonucu oluşan sülfonamid bazlı bir ilaçtır ve enfekte yanıkların topikal tedavisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Gümüş nitrat gibi gümüş tuzları büyük miktarlarda gümüş iyonlarını aynı anda salarken, GSD diğer gümüş tuzlarının aksine iyonlarının uzun süreli salımını sağlar. Bu sebeple, GSD'nin hastalara uygulama sıklığı daha azdır. Sık uygulama ihtiyacı hastalar açısından her zaman pratik veya mümkün olmaması GSD'yi arzu edilen ve uygun bir biyolojik ajan yapar. Bununla birlikte, GSD'nin sudaki düşük çözünürlüğü (pH = 6.8'de 3.4 mg/l) GSD'nin ilaç verimini, biyoyararlanımını ve potansiyel antimikrobiyal aktivitesini kısıtlamaktadır, bu nedenle GSD uygulamaları sınırlı kalmaktadır. Etkin ilaç salımı ve antimikrobiyal aktivite GSD'nin gümüş iyonlarına ve sülfadiazine ayrışmasıyla sağlandığından, ilaç çözünürlüğü hayati öneme sahiptir. Ayrıca, GSD'nin çözünürlük problemi, stabilize edilmesini ve polimer matrisi içine ilave edilmesini de zorlaştırır. Bu nedenle araştırmacılar GSD'nin çözünürlüğünün, biyoyararlanımının ve antibakteriyel etkinliğinin artırılması üzerine çalışmalar yapmaktadırlar. Bu amaçla GSD; nanopartikül, nanorod, nano süspansiyon formunda veya farklı polimer sistemlere yüklenerek film, hidrojel, kompozit ve fiber bazlı ilaç taşıyıcı sistemleri şeklinde üretilmiştir. Bu tezin amacı, elektroüretim yöntemi ile elde edilmiş nanoliflerin avantajlarını kullanarak yeni bir GSD yüklü topikal ilaç salım sistemi elde etmektir. Bununla birlikte, GSD'nin çözünme ve salım davranışını araştırmak için daha önce başka bir çalışmada kullanılmamış olan Su / Propilen Glikol / Fosforik Asit (82: 16: 2) tampon çözeltisi kullanılmıştır. Dolayısıyla, GSD'nin çözünürlüğünde, etkin ilaç salımında ve ilaç yükleme veriminde artış sağlamak için GSD içeren PCL/PEO ve PLA/PEO kompozit nanolif taşıyıcıları elektroüretim yöntemi ile üretilmiştir. Bu amaç doğrultusunda öncelikle GSD'nin çözünürlüğünü artırmak için, GSD suda çözünürlüğü yüksek olan PEO polimer yapısına dahil edilmiştir. Daha sonra ise PEO+GSD çözeltisi, ilaç salım sistemi olarak kullanılacak PCL/(PEO+GSD) ve (PLA/PEO+GSD) kompozit nanoliflerini ve film yüzeylerini elde etmek için PCL ve PLA çözeltileri ile karışım yapılmıştır. Çalışmada öncelikle elektroüretim ve film üretim parametreleri optimize edilip nanolif ve film yüzeylerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Sonrasında ise üretilen PCL/(PEO+GSD) ve PLA/(PEO+GSD) nanolif ve PCL/(PEO+GSD) film formundaki ilaç salım sistemlerinin karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında; elektroüretim yöntemi ile oluşturulan nanoliflerin yüzey özelliklerinin incelenmesi ve ortalama lif çaplarının hesaplanması için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) yöntemi kullanılmıştır. Üretilen film yüzeylerinin morfolojik karakterizasyonu ise SEM ve Optik Profilometre ile yapılmıştır. GSD içeren nanolif ve film yapısındaki formülasyonların Gümüş (Ag), Azot (N), Kükürt (S) içeriklerini tespit etmek için Enerji Dağılım Spektroskopisi (EDS) analizi yapılmıştır. Ayrıca bu elementlerin kompozit nanolif ve film yapısındaki homojen dağılımlarını göstermek için EDS-Mapping (haritalama) analizi gerçekleştirilmiştir. GSD'nin nanolif yapısındaki stabilitesi, ilaçsız ve ilaç yüklü nanoliflerdeki moleküler etkileşimler, Zayıflatılmış toplam yansımalı Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR-ATR) Spektroskopisi ile incelenmiştir. GSD yüklü kompozit nanoliflerinin kristal yapısını incelemek için ise X-ışını kırınımı (XRD) çalışması yapılmıştır. Kompozit nanoliflerin yüzey pürüzlülüğünü belirlemek için Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) kullanılmıştır. Üretilen nanoliflerin filmlerin yüzey ıslanabilirliğini incelemek için temas açısı ölçümleri yapılmıştır. İn vitro ilaç salım ortamı ve salım koşulları optimize edilmiş ve kontrollü ilaç salım çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Nanolif ve film formülasyonlarının ilaç yükleme verimliliği hesaplanmıştır. GSD yüklü formülasyonlarının GSD ilaç salım mekanizmalarını incelemek için; in vitro salım neticesinde elde edilen ilaç salım profillerine Zero Order, First Order, Higuchi, Hixon Crowell ve Korsmeyer-Peppas kinetik modelleri uygulanmış ve her bir formülasyon için uygun olan kinetik model belirlenmiştir. Ayrıca ilaç salım çalışmaları, GSD'nin bilinen iletken yapısı nedeniyle iletkenlik ölçümüyle de doğrulanmıştır. Kompozit nanoliflerin gram pozitif Staphylococcus aureus (S. aureus) ve gram negatif Pseudomonas Aeruginosa (P. aeruginosa) Escherichia coli (E.Coli) bakterilerine karşı antibakteriyel aktiviteleri disk difüzyon test methoduna göre araştırılmış ve ticari GSD kremin antibakteriyel etkinliği ile karşılastırılmıştır. Ayrıca, GSD yüklü PCL / PEO ve PLA / PEO nanoliflerinin antibakteriyel aktivitesi kantitatif duyarlık testleri ile MIC ve MBC değerleri belirlenerek de incelenmiştir. Kompozit nanoliflerin stabilite çalışmaları 3 ve 6 aylık periyotlarla yapılmıştır. Nanolif örnekleri, nanolif formülasyonlarının stabilitesini değerlendirmek için hem buzdolabı koşullarında (+4ºC) hem de oda koşullarında (25ºC ±2 ve% 65 ±2ºC bağıl nem) muhafaza edilmiştir. Stabilite testleri; ilaç yükleme miktarının hesaplanması, UV absorpsiyon ölçümleri ile kümülatif ilaç salımının belirlenmesi ve SEM analizi ile yüzey morfolojisinin analiz edilmesi yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Son olarak, ilaç içeren ve içermeyen PCL / PEO ve PLA / PEO nanoliflerin sitotoksisite çalışmaları, hücre canlılık testi (MTT testi) kullanılarak yapılmıştır.
Kompozit nanoliflerin topikal ilaç salım sistemlerinde kullanımı
Thesis(Ph.D.) -- Istanbul Technical University, Graduate School, 2021
Keywords: rational drug use; akılcı ilaç kullanımı; smart textile; akıllı tekstil; antibacterial activity; antibakteriyel aktivite; biopolymers; biyopolimerler; controlled relase of pain; kontrollü ilaç salımı; medical supplies; tıbbi malzemeler