Understanding interparticle interactions in dry powder inhalation : glass beads as an innovative model carrier system

Renner, Niklas Ludwig

Delivery of drugs via the pulmonary route is the most common approach to treat diseases of the respiratory system, e.g. asthma bronchiale. Here, the active pharmaceutical ingredient is generally formulated in a so-called interactive mixture with a coarse and inert carrier. This enhances flowability and therefore dose metering and dispersibility. Interparticle interactions between carrier and drug govern aerosolisation behaviour of the blend and consequently the efficacy of the drug deposition in the lungs. These interactions, for their part, are influenced by a variety of factors including chemical and topographical properties of the carrier surface. To investigate their effect, glass beads were utilized as a model carrier system. Different modification techniques were applied for surface alteration including silanisation, treatment with hydrofluoric acid and ball milling with tungsten carbide. Chemical properties proved to have different effects for drugs with varying hydrophilicity on pulmonary deposition. For the surface topography, same trends could be observed for the aerodynamic performance of blends with budesonide or formoterol fumarate. Indentations on micro-scale significantly reduced the fine particle fraction, while roughening of the surface led to a remarkable increase. The latter could be ascribed to decreased adhesive forces. In the course of this thesis, the impact of the dimensioning of important inhaler parts of a dry powder inhaler was investigated as well. Results showed that air-ducting parts like the air inlet or the mouthpiece should be narrowed to increase the air stream velocity and consequently kinetic energy and level of turbulence. In addition, a small grid proved to be beneficial, as it led to a slow and controlled discharge of the deagglomeration chamber.

Zur Therapie von Erkrankungen der Atemwege werden vornehmlich Medikamente eingesetzt, die pulmonal verabreicht werden. Hierbei wird der Arzneistoff in der Regel zunächst mit einem groben Träger zu einer interaktiven Pulvermischung verarbeitet, um so unter anderem die Dosiergenauigkeit zu erhöhen. Die zwischen Arzneistoff und Träger vorherrschenden interpartikulären Wechselwirkungen bestimmen maßgeblich das aerodynamische Verhalten der Pulvermischung und damit das Ausmaß der Deposition des Arzneistoffs in der Lunge. Diese Wechselwirkungen werden durch eine Reihe verschiedener Faktoren bestimmt, wie die Oberflächenchemie und –topographie des Trägers. Um deren Einfluss genauer zu untersuchen wurden Glaskugeln als Modellträgersystem verwendet. Diese wurden mit speziellen Modifizierungstechniken wie Silanisierung, Inkubation mit Flusssäure und Mahlung mit Wolframcarbid verändert. Die chemischen Eigenschaften zeigten unterschiedliche Effekte auf die pulmonale Deposition abhängig von dem verwendeten Arzneistoff. Hingegen zeigte die Modifizierung der Oberflächentopographie den gleichen Effekt auf das aerodynamische Verhalten der Arzneistoffe. Eingebrachte Kavitäten im Mikrometermaßstab führten zu einer deutlichen Verschlechterung des aerodynamischen Verhaltens, während ein Anstieg der Feinpartikelfraktion durch das Aufrauen der Oberfläche bei der Wolframcarbidmahlung erreicht werden konnte. Dies wurde einer Abnahme der adhäsiven Kräfte zwischen Arzneistoff und Träger zugeschrieben. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit der Einfluss der Dimensionierung wichtiger Bauteile eines Pulverinhalators untersucht. Es wurde gezeigt, dass luftführende Bauteile möglichst klein dimensioniert werden sollten, um eine hohe Luftgeschwindigkeit im Inhalator zu generieren. Dies führt zu erhöhten kinetischen Energie und Turbulenzgrad. Auch ein kleines Gitter zeigte einen vorteilhaften Effekt, da hierdurch eine kontrollierte Entleerung der Deagglomerationskammer erzielt wird.

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Renner, Niklas Ludwig: Understanding interparticle interactions in dry powder inhalation : glass beads as an innovative model carrier system.

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