Characterization of polyethylene glycol hydrogels for biomedical applications

Polyethylene glycol is one of the most widely used synthetic materials for biomedical applications. Its biocompatibility, flexibility, and \u27stealth\u27 properties make it ideal for use in drug delivery applications. The main objective of this paper is to characterize the structural and mass transfer properties of polyethylene glycol hydrogels for applications in drug delivery and biological immobilization. Swelling behavior of the gels was studied to determine the mesh size, and other significant structural parameters of the gel. For accurate design of drug delivery device, along with network design, mathematical modeling of release profiles was performed. The study of PEG hydrogels was done in two distinct phases. The first stage consisted of analyzing diffusion properties of homogenous PEG hydrogels with varying molecular weights (MW 200, 400, 8000, 10000, 14000, 20000). The release of fluorescein dye from each gel was analyzed, and it was observed that diffusive properties of PEG gels vary drastically with molecular weight. The lower molecular weight PEGs had lower diffusion coefficients, but their Fickian release profile was easy to analyze and predict. The higher molecular weight PEGs, on the other hand had large diffusion coefficients, but with anomalous release profiles that were difficult to analyze analytically. This led to the investigation of combination gels, or binary mixtures of two different molecular weight PEGs. These gels were found to have intermediate properties, in accordance with the mass fractions of its constitutive PEGs. This linear relationship allowed for development of a hybrid gel with required diffusive properties, and a predictable mechanism of analyte release

Theoretical prediction of drug release in GI tract from spherical matrix systems

The significance of controlled release drug delivery systems (CRDDS) lies in their ability to deliver the drug at a steady rate thus reducing the dosage interval and providing a prolonged pharmacodynamic effect. But despite the steadily increasing practical importance of these devices, little is known regarding their underlying drug release mechanisms. Mathematical modeling of these drug delivery systems could help us understand the underlying mass transport mechanisms involved in the control of drug release. Mathematical modeling also plays an important role in providing us with valuable information such as the amount of drug released during a certain period of time and when the next dosage needs to be administered. Thus, potentially reducing the number of in-vitro and in-vivo experiments which in some cases are infeasible. There is a large spectrum of published mathematical models for predicting drug release from CRDDS in vitro following conventional approaches. These models describe drug release from various types of controlled delivery devices for perfect sink conditions. However in a real system (human body) a sink condition may not be applicable. For a CRDDS along with the physiochemical properties (solubility, diffusion, particle size, crystal form etc.) the physiological factors such as gastrointestinal tract (GI) pH, stomach emptying, (GI) motility, presence of food, elimination kinetics etc., also affect the rate of drug release. As the drug delivery system is expected to stay in the human body for a longer period of time when compared to a immediate release dosage form the process of drug release occurs in conjunction with the absorption (for oral delivery systems) and elimination kinetics. Earlier work by Ouruemchi et.al.[71] include prediction of the plasma drug concentration for an oral diffusion controlled drug delivery system. Amidon et.al.[68] developed several models for predicting the amount of drug absorbed within through the intestine walls for immediate release dosage forms. However none of these models study the effect of absorption rate on the rate of drug release for an oral controlled drug delivery system. In this work mathematical models are developed for prediction of drug release from both diffusion controlled and dissolution controlled drug delivery systems taking into account the affect of absorption rate. Spherical geometry of the particles is considered. The model is developed by assuming that the drug is release into a finite volume and is thereby absorbed through the intestine wall following first order kinetics. A closed form solution is obtained for the prediction of fraction of drug released for a diffusion controlled drug delivery system. The results are compared with both experimental data (taken from literature) as well as existing models in the literature. Whereas for a dissolution-diffusion controlled drug delivery system non linear dissolution kinetics are taken into consideration and the problem is solved by both numerical and analytical techniques. In addition two simple models are also presented for dissolution controlled drug delivery devices

Evaluation of the release kinetics of a press-coated biconvex core with an impermeable coat

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Design and evaluation of controlled release transdermal dosage form of cardiovascular durgs

Not availabl

A controlled release technique using microporous membranes

A novel controlled release device based on aqueous-organic partitioning is described. The device comprises a reservoir, bounded by a microporous or porous membrane in the form of a hollow fiber or flat film. The reservoir liquid phase and the pore liquid phase are immiscible. The agent partitions between the phases at the aqueous-organic interface of the reservoir and the pore mouth, and then diffuses through the membrane pore liquid into a surrounding aqueous solution. The partition coefficient significantly influences the rate of release of the agent by reducing the driving force for diffusion across the fluid-filled membrane pore. The performance of the system is evaluated using model agents benzoic acid, caffeine, nicotine and phenylalanine-glycine. Two aqueous-organic configurations were investigated: an agent in an organic reservoir solution with water-filled pores, and an agent in an aqueous reservoir with organic filled pores. Specifically, the model systems included benzoic acid in three reservoir solvents (octanol, decanol, and mineral oil) partitioning into waterfilled pores, an aqueous reservoir of nicotine partitioning into either mineral oil- or octanol-filled pores, and caffeine or phenylalanine-glycine partitioning into octanol-filled pores. The peptide phenylalanine-glycine was used to investigate pH-based controlled release from this type of device. Studies using benzoic acid demonstrate the effectiveness of a thin, nonporous coating on the release rate. When a fast-dissolving dispersion of the agent is present in the reservoir, the period of zero order release is extended; when the dispersion dissolves slowly, the release rate is decreased and the period of zero order release is extended. Simultaneous release of two agents (benzoic acid and nicotine, nicotine and caffeine) from a single reservoir and from two separate reservoirs was achieved. Models are presented for many of these systems. Solutions have been developed to describe the observed release, and dimensional analysis was used to identify important parameters which govern the release rate of the agent from the device. Finally, a new technique is presented for achieving controlled release of liposomes from a membrane-type diffusion based controlled release system

Controlling release from encapsulated drug-loaded devices: insights from modeling the dissolution front propagation

Dissolution of drug from its solid form to a dissolved form is an important consideration in the design and optimization of drug delivery devices, particularly owing to the abundance of emerging compounds that are extremely poorly soluble. When the solid dosage form is encapsulated, for example by the porous walls of an implant, the impact of the encapsulant drug transport properties is a further confounding issue. In such a case, dissolution and diffusion work in tandem to control the release of drug. However, the interplay between these two competing processes in the context of drug delivery is not as well understood as it is for other mass transfer problems, particularly for practical controlled-release considerations such as an encapsulant layer around the drug delivery device. To address this gap, this work presents a mathematical model that describes controlled release from a drug-loaded device surrounded by a passive porous layer. A solution for the drug concentration distribution is derived using the method of eigenfunction expansion. The model is able to track the dissolution front propagation, and predict the drug release curve during the dissolution process. The utility of the model is demonstrated through comparison against experimental data representing drug release from a cylindrical drug-loaded orthopedic fixation pin, where the model is shown to capture the data very well. Analysis presented here reveals how the various geometrical and physicochemical parameters influence drug dissolution and, ultimately, the drug release profile. It is found that the non-dimensional initial concentration plays a key role in determining whether the problem is diffusion-limited or dissolution-limited, whereas the nature of the problem is largely independent of other parameters including diffusion coefficient and encapsulant thickness. We expect the model will prove to be a useful tool for those designing encapsulated drug delivery devices, in terms of optimizing the design of the device to achieve a desired drug release profile

Magnetic field stimulation of magnetic nanoparticles for the intensification of scalar transport

Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM.Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM.. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.The solution of advection-diffusion equation coupled to FHD equations of motion predicted weak contribution of advection in the observed phenomenon. The numerical simulations showed that the reduced axial dispersion is the outcome of anomalous anisotropic effective diffusivity in ferrofluid exposed to external uniform RMF. In chapter three, the identified mass transport properties of ferrofluid were further examined for (micro)-mixing applications in reaction engineering. A comparative study was conducted to evaluate the mixing efficiency between magnetic and non-magnetic fluids in a cylindrical capillary T-type mixer subjected to static (SMF), oscillating (OMF) and rotating magnetic fields. By using a probe reaction set (the Villermaux-Dushman reaction) with sensitive selectivity to mass transfer rate, mixing at molecular level was also investigated. The results showed substantial elimination of mass transfer rate influence on product distribution of chemical reactions when the mixing process is intensified with RMF. In chapter four, we extend the concept of mixing by MNP/RMF to ferrogels, prepared by seeding hard-dipole cobalt-ferrite MNP in polyacrylamide hydrogels. Quantitative analysis of magnetization data indicated the existence of hydrodynamically free MNPs, susceptible to Brownian relaxation along with mechanically blocked ones. A ferrogel consisting of hydrodynamically free MNP exhibits effective diffusivities higher than the intrinsic molecular diffusion of passive solute within the ferrogel structure. The experimental and theoretical findings in this thesis may open the way for application of magnetic field-stimulated MNP/ferrofluid for design and development of microfluidic systems and multifunctional magnetic materials with remote-controllable transport properties.In this PhD thesis, the transport of scalars in ferrofluids/ferrogels is theoretically and experimentally studied. The major interest is to experimentally quantify mass transport process in ferrofluids/ferrogels exposed to external magnetic fields and also to understand the mechanisms underlying the observed enhanced mass transport processes through ferrohydrodynamic (FHD) simulations. We also aim at utilizing the identified enhanced transport phenomena in ferrofluids for reaction engineering applications through experimental studies on mixing/micromixing in microchannels. The introduction presents the basic principles and fundamentals of ferrofluid and magnetic nanoparticles (MNP) dynamics from fluid mechanics and colloidal physics perspectives. The framework of ferrohydrodynamics (FHD), encompassing the ferrofluid equations of motion in connection with magnetic relaxation is explained. The recent literature relevant to the subject of scalar transport and mixing in ferrofluids is reviewed and the mechanisms of rate intensification of mass transport in ferrofluid subjected to various types of magnetic fields are discussed. The first chapter reports experimental observations and numerical simulations on the transport of scalars in quiescent Brownian ferrofluids under rotating magnetic field (RMF). The mass transport experiments were conducted in a cylindrical capillary T-mixer in presence/absence of transverse uniform RMF. Significant enhancement in mass transport was observed in presence of RMF in a direction normal to rotation axis of magnetic field. RMF directional control of mass flux enhancement was anisotropic since the molecular diffusion was the only detected transport mechanism in a direction parallel to the capillary axis. The significance of RMF driven ferrofluid advection (spin-up flow) in mass transport enhancement was examined in the light of the solution of advection-diffusion equation and subsequent comparison of numerical predictions with experimental results. Systematic analysis of numerical simulations compared to experimental observations unveiled that the effective diffusivity in ferrofluid consists of a diagonal tensor whose components are a function of RMF frequency and MNP concentration. In the second chapter, we exploited the concept of anisotropic anomalous effective diffusion in ferrofluids to explain the experimentally observed variations of axial dispersion in ferrofluid capillary Poiseuille flow in presence of external RMF. The experimental results showed that residence time distribution (RTD) in presence of RMF is more symmetric with retarded breakthrough time when frequency of RMF and magnetic nanoparticles (MNP) concentration are increased