The main role of excipients is to ensure the safety and efficacy of the whole pharmaceutical formulation throughout its shelf-life and administration. Formulation design and development as well as material testing are the key components for successful drug delivery. This is becoming increasingly complicated as new active pharmaceutical ingredients typically have poor solubility and/or bioavailability. Due to this, there is an ever increasing need to explore new excipients and material combinations as innovative formulation solutions are required. Furthermore, modified release formulations are needed to control the release rates and to adjust the desired therapeutic effects, raising even more demand for effective formulations.
The main aim of this thesis was to evaluate the performance of plant based materials nanofibrillar cellulose (NFC) and anionic carboxylated nanofibrillar cellulose (ANFC) as pharmaceutical excipients for modified release formulations and bioadhesive films. These materials are widely available from renewable sources; biocompatible with relatively low toxicity combined with high mechanical strength and large surface area available for encapsulation.
NFC and ANFC, together with HFBII protein, were used as emulsion stabilizers for encapsulation and release of poorly water-soluble drugs. The synergistic stabilization mechanism achieved with these biopolymers improved emulsions stability with extremely low concentrations. In another study, ANFC hydrogels were evaluated as matrix reservoirs for diffusion controlled drug release. Their rheological and drug release properties were shown to be preserved after freeze-drying and reconstruction. The ANFC hydrogels controlled the release kinetics of small molecular weight drugs moderately, whereas significant control was obtained in the case of large proteins. In a comparative study, three new grades of microcrystalline cellulose (MCC) hydrogels were evaluated for diffusion controlled drug release. MCC matrices efficiently controlled the release of both large and small compounds, indicating great potential for drug release applications in a similar manner to the ANFC hydrogels.
Bioadhesive NFC and ANFC based films were prepared by incorporating bioadhesive polymers mucin, pectin and chitosan into the film structure. The bioadhesive properties of the films combined with good mechanical and hydration properties, together with low toxicity makes them a feasible option for buccal drug delivery applications.
In conclusion, NFC and ANFC were shown to be versatile excipients applicable for several types of dosage forms. In the future, it is seen that these materials may be used systematically as functional excipients for modified release dosage form.Apuaineiden tärkein tehtävä on varmistaa farmaseuttisen formulaation turvallisuus ja tehokkuus säilytyksestä annosteluun asti. Formulaation suunnittelu ja kehittäminen sekä materiaalien testaus ovat keskeisiä tekijöitä onnistuneessa lääkkeen annostelussa. Uudet farmaseuttiset yhdisteet ovat kuitenkin tyypillisesti hyvin niukkaliukoisia ja/tai niiden biologinen hyötyosuus on huono, mikä hankaloittaa formulointia. Tästä syystä uusia apuaineita ja materiaaliyhdisteitä on tutkittava, jotta löydettäisiin innovatiivisia ratkaisuja formulointiongelmiin. Lisäksi formulaatioilla voidaan säädellä vapautumisnopeutta ja terapeuttisia vaikutuksia, joka entisestään lisää tehokkaiden formulaatioiden kysyntää.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida kasviperäisten materiaalien, nanofibrilloidun selluloosan (NFC) ja anionisen karboksyloidun nanofibrilloidun selluloosan (ANFC) suorituskykyä farmaseuttisina apuaineina säätövalmisteissa ja bioadhesiivisissa kalvoissa. Nämä materiaalit ovat bioyhteensopivia, helposti saatavilla uusiutuvista luonnonlähteistä ja niiden mekaaninen lujuus sekä pinta-ala ovat suuret. Lisäksi NFC ja ANFC eivät ole toksisia, joten niitä voidaan hyödyntää lääkeaineiden kapseloinnissa.
HFBII proteiinia käytettiin NFC:n ja ANFC:n kanssa emulsio-stabilisaattoreina niukkaliukoisten lääkeaineiden kapseloinnissa ja vapauttamisessa. Näiden biopolymeerien synergistinen vaikutus tehosti emulsioiden stabiilisuutta jo erittäin alhaisilla pitoisuuksilla. Toisessa tutkimuksessa, ANFC:n vaikutusta arvioitiin lääkeaineiden varastoitumista ja diffundoitumista hydrogeelimatriisissa. ANFC hydrogeeli sääteli pienten molekyylien vapautumiskinetiikkaa kohtuullisesti, kun taas suurten proteiinien vapautumista merkittävästi. Lisäksi kylmäkuivattujen hydrogeelien reologiset ominaisuudet voitiin säilyttää uudelleen hydratoimisen jälkeen. Kolmannessa tutkimuksessa verrattiin kolmea uutta eri mikrokiteistä selluloosalaatua (MCC) ja niiden kykyä säädellä lääkeaineiden vapautumista. MCC matriisien todettiin säätelevän tehokkaasti sekä pienien että suurien molekyylien vapautumista. Näiden tutkimusten perusteella sekä ANFC että uudet MCC:t ovat potentiaalisia materiaaleja säätövalmisteiden formuloinnissa.
Lisäksi tässä työssä valmistettiin bioadhesiivisia NFC ja ANFC kalvoja, yhdistämällä niihin bioadhesiivisia polymeerejä (pektiini, musiini ja kitosaani). Bioadhesiivisten kalvojen mekaaniset ominaisuudet, bioyhteensopivuus, bioadhesiivisuus ja hydrataatio-ominaisuudet mahdollistavat niiden käytön bukkaalisina lääkevalmisteina.
NFC ja ANFC toimivat erittäin monipuolisina apuaineina useille eri lääkemuodoille. Tulevaisuudessa näitä materiaalija voidaan käyttää systemaattisesti funktionaalisina apuaineina säätövalmisteissa
