Untersuchungen zu Pulverstruktur und Deagglomerationsverhalten mikronisierter Pulverformulierungen zur Inhalation

Wagenseil, Lars

In der vorliegenden Arbeit wurde die Herstellung, Charakterisierung und aerodynamische Beurteilung mikronisierter Pulver zur Inhalation beschrieben. Hierbei erfolgte eine systematische Evaluierung zum Einfluss der mittleren Partikelgröße von Wirk- und Hilfstoff und des Mischungsverhältnisses auf die flussratenabhängige Deagglomeration im Luftstrom. Der Zusatz mikronisierter Hilfsstoffe in trägerbasierten Pulverformulierungen zur Inhalation ist eine übliche Praxis zur Erhöhung der lungengängien Fraktion. Maßgeblich für diesen Effekt werden ab einem bestimmten Massenanteil entstehende Wirkstoff-Hilfsstoff-Agglomerate verantwortlich gemacht. Diese sollen durch eine bessere Ablösung vom Trägerpartikel und stärkeren Trägheitskräften zu einer höheren Feinpartikeldosis führen. Für einen systematischen Vergleich wurden jeweils 3 Qualitäten von Wirk- und Hilfsstoff miteinander verglichen. Als in der Pulverinhalation weit verbreiteter Hilfsstoff fand α-Lactose Monohydrat Verwendung. Für die Wirkstoff-Komponente wurde als gängiges β2-Sympathomimetikum Salbutamolsulfat gewählt. Daneben wurde für einen Vergleich zwischen einem hydrophilen und einem hydrophoben Wirkstoff zusätzlich Budesonid als ein in der Therapie des Asthma bronchiale übliches Glucocorticoid eingesetzt. Zur Herstellung entsprechend feiner Qualitäten von Wirk- und Hilfstoff wurde das gängige Prinzip der Luftstrahlmahlung angewendet. Dabei wurden für Lactose Qualitäten im Größenbereich von 3 bis 6 µm und für Salbutamolsulfat Qualitäten von 1 bis 3 µm und einem Feinanteil von < 70% mit einer möglichst engen Partikelgrößenverteilung hergestellt. Dies machte für beide Materialien eine systematische Evaluierung des Mahlprozesses mittels statistischer Versuchsplanung zur Findung optimaler Mahlparameter notwendig. Als Ergebnis ergaben sich nach Konditionierung bei 25°C/ 60% rF für Lactose mittlere Partikelgrößendurchmesser von 2,97 µm, 4,33 µm und 5,19 µm, für den Wirkstoff welche von 1,44 µm, 2,15 µm und 2,94 µm. Im Anschluss an die Mahlung erfolgte eine physiko-chemische Charakterisierung der Ausgangsmaterialien, die insbesondere für Lactose einen nachhaltigen Effekt des Mahlprozesses auf die kristalline Strukur zeigten. Inwieweit sich der kristalline Ausgangszustand wiederherstellt, wurde nicht untersucht. Nach einer Lagerung von 6 Monaten konnte jedoch keine Veränderung im kristallinen Zustand detektiert werden. Die flussratenabhängige aerodynamische Charakterisierung der Ausgangsqualitäten ergab zunächst im Laserdiffraktometer ein unterschiedliches Verhalten zwischen den beiden Materialien, aber auch zwischen den einzelnen Qualitäten. Dies ist auf eine variierende Agglomeratstärke zurückzuführen, die durch die entsprechende Partikelgröße, Packungsdichte und Separierungsenergie definiert ist. Somit ergab sich mit steigender Partikelgröße für beide Materialien eine höhere Deagglomeration. In Impaktoruntersuchungen von Salbutamolsulfat zeigten sich unter Verwendung von zwei Inhalatoren mit unterschiedlich starken Dispergierfähigkeiten signifikante Unterschiede im Depositionsprofil der 3 Qualitäten. Dies wurde mit differierenden Agglomeratfestigkeiten erklärt. Dabei ergab sich für die feinste Qualität die geringste Inhalatorretention in Verbindung mit der höchsten Deposition im Vorabscheider. Als Erklärung dafür wurde angenommen, dass die festen Agglomerate in intaktem Zustand den Inhalator verlassen, den Rachen ebenfalls passieren und entsprechend im Vorabscheider impaktieren. Diese Erkenntnisse konnten mit pulverrheologischen Untersuchungen korreliert werden, die ein anderes Fludisierungsprofil mit einer signifikant niedrigeren Gesamtenergie für das feinste Material ergaben. Des Weiteren zeigte diese Qualität eine niedrigere Kompressibilität als die anderen beiden, was ebenfalls auf eine höhere Packungsdichte mit festen Agglomeraten hindeutet, die ein homogenes Bulk ausbilden. Nachfolgend wurden aus beiden Materialien Mischungen mit dem Turbula-Mischer hergestellt. Dabei wurden zunächst Untersuchungen zur Herstellung und Konditionierung nach der Herstellung der Mischungen durchgeführt. Diese ergaben eine Mischzeit von 2*10 Minuten mit einem dazwischen liegenden Siebschritt und eine Konditionierung von 24 h bei 25°C/60% rF zum Abbau entstandener triboelektrostatischer Aufladung. Die finalen Mischungen mit Anteilen des Wirkstoffs von 5 bis 75% ergaben Unterschiede in der Mischungsgüte in Abhängigkeit der eingesetzten Partikelgröße. Als Erklärungsansatz wurde eine mögliche Segregation der zwei Komponenten bei Verwendung von Materialien mit unterschiedlich starken Kohäsionskräften angenommen. Die anschließenden Untersuchungen der Deagglomeration mittels Laserdiffraktometer und Impaktor demonstrierten, dass in Abhängigkeit der gewählten Partikelgröße und Konzentration eine gegenseitige Beeinflussung von Lactose und Salbutamolsulfat mit dem Effekt einer verbesserten Deagglomeration möglich ist. Entscheidend hierbei ist jedoch, dass eine gegenseitige Durchdringung beider Materialien gegeben ist, um damit den interpartikulären Abstand in Agglomeraten zu erhöhen. Daraus folgen geringere interpartikuläre Kräfte und ein größeres Porenvolumen, sodass durchströmende Luft eine stärkere Deaggregation ermöglicht. Insgesamt ist daher die Wahl der Ausgangsmaterialien im Hinblick auf deren Kohäsion und der sich daraus ergebenden Pulverstruktur von großer Wichtigkeit, um eine Erhöhung der Deagglomeration zu erzielen. Entsprechend ergab sich für weniger kohäsive Materialien eine effektive Durchdringung mit lockeren, leicht dispergierbaren partikulären Netzwerken. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde der Einfluss eines Intensivmischers im Vergleich zum Turbula-Mischer untersucht, um auf diese Weise eine intensivere Durchmischung von Lactose und Salbutamolsulfat zu ermöglichen. Zusätzlich wurde mit Budesonid ein hydrophober Wirkstoff getestet. Für beide Wirkstoffe ergab sich unter Verwendung des Intensivmischers eine bessere Mischgüte sowie höhere Deagglomeration. Diese werden mit einer höheren Durchmischung und sich daraus ergebenden veränderten Kontaktintensitäten erklärt. Die Differenzen im aerodynamischen Verhalten der beiden Wirkstoffe wurden mit verschieden starken Adhäsionskräften begründet, die zu einem unterschiedlichen Impaktionsverhalten im Inhalator und Rachen führen. Zum Abschluss erfolgte die Evaluierung bzw. Weiterentwicklung zweier möglicher Inhalatorkonzepte zur Applikation rein mikronisierter Pulver. Beide Konzepte konnten in ersten Untersuchungen ihr Potential als mögliche Alternativen für Anwendungsbereiche wie die Einmalgabe einer Dosis oder die Gabe im Akutfall zeigen.

The aim of this work was the preparation, characterisation and aerodynamic evaluation of micronised-only powders for inhalation consisting of drug-alone or drug-excipient powder mixtures. Thus, the influence of the median particle size in narrow size distributions of excipient and active substance on flow rate dependent aerosol dispersion was investigated as a main aim of this study. The addition of ternary lactose fines to a carrier-based formulation for inhalation is a common strategy to enhance aerosol performance. It is known that a formation of drug-excipient-agglomerates takes places at a certain amount of lactose fines. These agglomerates are believed to achieve higher fine particle delivery by experiencing higher drag forces which increase the detachment from carrier particles and impaction within the inhaler and throat. α Lactose monohydrate was chosen as ingredient since it is the most commonly used excipient in dry powder inhalation formulations. For the drug component, salbutamol sulphate was selected due to the long experience with this substance in the treatment of asthma disease. In order to compare both a hydrophilic and hydrophobic drug, budesonide was picked additonally since this steroide is also commonly used in the therapy of asthma. In order to investigate the influence of median particle size, three qualities of excipient (range of 3 to 6 µm in median size) and active (range of 1 to 3 µm in median size) were produced by jet-milling technique according to a Design of Experiment approach. Subsequently, a physico-chemical characterisation of conditioned material followed which indicated a change in crystallinity for lactose. This was assumed to be stable at room conditions since storage over 6 months demonstrated no further change in crystallinity. The flow rate dependent deagglomeration profiles indicated differences in the aerosol dispersion of both components and qualities. Thus, this was attributed to variations in agglomerate and powder structure. Impaction analysis revealed different deposition patterns leading to higher fine particle delivery for the medium and coarse salbutamol quality. Powder rheology measurement results could successfully be correlated to aerosol dispersion data for the finest salbutamol quality demonstrating a distinct fluidisation behavior. Thereafter, blends of both materials varying in median particle size and drug concentration (5% to 75%) were capable of improving the aerosol performance of both, salbutamol and lactose. An agglomerate modifying effect was thought to be the reason for this behaviour. This agglomerate modifying effect requires a certain particle size to overcome interparticulate forces during blending by an inserting effect within the agglomerate. This led to a better performance for the coarser materials. However, segregation effects during blending for coarse and fine material occurred following less effective aerosol performance. Hence, the possibility of high shear blending was investigated aiming at an improved mixing efficiency with higher homogeneity. These blends showed better aerosol performance compared to turbula blends for both salbutamol and budesonide. These effects were attributed to a greater intercalating effect and modified contact intensities and thus reduced interparticulate forces with greater pores for air flowing through. Finally, two possible inhaler concepts for the application of micronised-only powders were evaluated and further developed. Both prototypes demonstrated their potential for certain fields of application e.g. in acute or once-only therapy regime for the resQhaler and propellant-free demand-on and extended medication for the Micronizer.

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Wagenseil, Lars: Untersuchungen zu Pulverstruktur und Deagglomerationsverhalten mikronisierter Pulverformulierungen zur Inhalation. 2014.

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