Badanie kinetyki uwalniania leków z bioceramicznych preparatów implantacyjnych

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012), Badanie kinetyki uwalniania leków z bioceramicznych preparatów implantacyjnych BEATA MYCEK 1 *, JOANNA SZYMURA-OLEKSIAK 1, BEATA STRACH 1, ANETA ZIMA 2, ANNA LÓSARCZYK 2 1 Uniwersytet Jagiello ski, Collegium Medicum, Zak ad Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej, ul. w. Anny 12, Kraków 2 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Materia owej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, Kraków * beata.mycek@uj.edu.pl Streszczenie W niniejszej pracy badano trwa o biomateria ów typu cementowego opartych na fosforanach wapnia w warunkach in vitro w temperaturze 37 C z zastosowaniem buforu fosforanowego o ph 7,4 lub p ynu SBF (ang. simulated body uid). Badane materia y stanowi y -TCP z dodatkiem 1% roztworu chitozanu w 0,5-procentowym kwasie octowym oraz MgHAp-gips i MgCHAp-gips formowane wod. Do oceny kinetyki uwalniania wybranych leków: doksycykliny-dox, cefuroksymu-cfu oraz pentoksy liny-ptx, zastosowano -TCP z dodatkiem roztworu chitozanu, poniewa materia ten wykazywa w warunkach eksperymentu najwi ksz trwa o. Leki w implantach w kszta cie walca zosta y rozmieszczone homogenicznie i dzi ki temu uwalnia y si z dowolnego jego miejsca. Na podstawie st e leków oznaczonych po ró nych czasach metod spektrofotometryczn okre lano mechanizm ich uwalniania z opracowanych no ników ceramicznych. W tym celu zastosowano model Korsenmeyera-Peppasa oraz model Higuchiego. Wyniki bada wykaza y, e pro l uwalniania leku z badanego biomateria u zale a od rodzaju leku. Najszybciej uwalnia a si PTX, a najwolniej DOX. Otrzymane warto ci wyk adnika dyfuzyjnego n charakteryzuj cego mechanizm uwalniania leku w modelu Korsenmeyera-Peppasa, by y w przypadku PTX oraz CFU równe 0,5, co wiadczy o tym, e uwalnianie tych leków zachodzi o zgodnie z mechanizmem dyfuzji Ficka. W przypadku DOX warto tego wyk adnika wynosz ca 0,7 wskazywa a na mechanizm anomalny. S owa kluczowe: implanty bioceramiczne, no niki leku, modele matematyczne STUDIES OF THE KINETICS OF DRUG RELEASE FROM BIOCERAMIC IMPLANTS In this work, in vitro stability of cement type ceramic biomaterials was estimated at a temperature of 37 C using a phosphate buffer of ph 7.4 or SBF (Simulated Body Fluid). The rst type of materials consisted of -TCP mixed with a 1% chitosan solution in 0.5% acetic acid. The second group of potential drug carriers was obtained on the basis of MgHAp-gypsum and MgCHAp-gypsum, using water as a setting liquid. The pro le and kinetics of in vitro drugs release (doxycycline-dox, cefuroxim-cfu and pentoxifylline-ptx) were investigated for -TCP with the 1% chitosan solution, because this material was the most stable in the experimental conditions. The drugs were distributed homogeneously in the bioceramic implants and released from their whole volume. The aim of the experiment was to determine the mechanism of drugs release from the carriers, applying Korsenmeyer-Peppas or Higuchi model. The results showed that the release pro les depended on the drug used. The highest release rate was observed for PTX and the lowest for DOX. The values of diffusion exponent n, being a factor determining the mechanism of drug release, for PTX and CFU were equal to 0.5, which proved that these medicaments were released according to the Fickian diffusion regime. In the case of DOX, the value of this exponent was equal to 0.7, indicating that the mechanism of DOX release was anomalous. Keywords: Bioceramic implants, Drug carriers, Mathematical models 1. Wprowadzenie W ostatnich latach prowadzone s badania nad wykorzystaniem biomateria ów ceramicznych takich jak hydroksyapatyt (HAP) i ortofosforan(v) wapnia (TCP) i BCP jako no niki leku. Tworzywa te s ju szeroko stosowane w medycynie implantacyjnej w substytucji ko ci [1, 3-5]. D ugotrwa y okres stosowania syntetycznego hydroksyapatytu jako wype niacza ubytków kostnych potwierdzi bardzo dobr biozgodno oraz bioaktywno tego biomateria u. Jego korzystne w a ciwo ci osteokonduktywne wp ywaj na szybszy zrost kostny oraz stanowi o wytworzeniu silnego po czenia z ko ci [2]. Implanty HAP i TCP, zawieraj ce lek po wszczepieniu do ywego organizmu, mog pe ni równocze nie funkcj wype niacza ubytku kostnego stanowi cego rusztowanie, na którym odbudowuje si ko, oraz dostarcza miejscowo substancje lecznicze w odpowiedniej dawce i przy okre lonej szybko ci ich uwalniania si do otoczenia [6-11]. W przypadku tkanki kostnej, z uwagi na utrudnion penetracj leku do tej tkanki, leczenie konwencjonalne poprzez do ylne czy doustne podanie leku w takich chorobach jak rak ko ci, zapalenie szpiku kostnego, chroniczne stany zapalne ko ci czy osteoporoza nie zawsze gwarantuje pomy lny efekt terapeutyczny. Wi e si to ze stosowaniem du ych dawek leków, 387

2 B. MYCEK, J. SZYMURA-OLEKSIAK, B. STRACH, A. ZIMA, A. LÓSARCZYK cz sto toksycznych, przez d u szy czas, co mo e prowadzi do niekorzystnych dzia a w organizmie ywym. Du ym problemem s równie zaka enia ko ci powsta e w trakcie zabiegów chirurgicznych i stomatologicznych przy niskim stopniu sterylno ci lub spowodowane os abieniem immunologicznym operowanego miejsca. Dlatego te w przypadku tkanki kostnej docelowe podanie leku stanowi cz sto o skuteczno- ci leczenia zaka enia. Wprowadzenie implantów kostnych wraz z antybiotykami mo e mie charakter terapeutyczny lub prewencyjny, gdy pozwala ograniczy tworzenie si pooperacyjnych stanów zapalnych wywo anych najcz ciej przez bakterie [12]. Z tego wzgl du opracowanie biokompatybilnych z tkank kostn materia ów, jakimi s biomateria y ceramiczne, i ich stosowanie jako no niki leków o spowolnionym uwalnianiu stanowi przedmiot du ego zainteresowania klinicystów jako alternatywa dla konwencjonalnego leczenia tego typu schorze ko ci. Celem przeprowadzonych bada by a ocena kinetyki i mechanizmu uwalniania wybranych leków (doksycykliny-dox, cefuroksymu-cfu oraz pentoksy liny-ptx) z biomateria ów typu cementowego opartych na fosforanach wapnia w warunkach in vitro oraz ocena trwa o ci badanych preparatów implantacyjnych w warunkach zbli onych do zjologicznych. 2. Materia y i metodyka bada W badaniach stosowano materia y oparte na -TCP, gipsie oraz hydroksyapatycie dotowanym magnezem (MgHAp) lub hydroksyapatycie podwójnie dotowanym jonami Mg 2+ i CO 3 2- (MgCHAp), otrzymane w Katedrze Technologii Ceramiki i Materia ów Ogniotrwa ych Wydzia u In ynierii Materia owej i Ceramiki AGH w Krakowie, które oznaczono jako M1, M2, M3 (Tabela 1). Tabela 1. Badane biomateria y. Table 1. Biomaterials tested. Materia M1 M2 M3 Sk ad -TCP + roztwór chitozanu MgHAp-gips + woda MgCHAp-gips + woda Celem oceny trwa o ci próbki poszczególnych biomateria ów w kszta cie walca o wymiarach 5,9 mm 7,6 mm umieszczano w kolbach okr g odennych zawieraj cych bufor fosforanowy o ph 7,4 lub p yn SBF (ang. simulated body uid) o ph 7,25, a nast pnie inkubowano w termostatowanej a ni wodnej w temperaturze 37 C przy cz stotliwo ci wynosz cej 100 ruchów na minut. Do oceny kinetyki uwalniania badanych leków wybrano biomateria M1 wykazuj cy w warunkach eksperymentu najwi ksz trwa o. Materia y w kszta cie walca o podanych powy ej wymiarach wykonywano w porcelanowym tyglu energicznie mieszaj c odpowiedni ilo roztworu chitozanu z 25 mg badanego leku oraz okre lon ilo ci proszku -TCP. Uzyskany w ten sposób no nik zawieraj cy lek przenoszono do formy, a nast pnie po odpowiednim czasie rz du 30 minut wyjmowano z niej. Ze wzgl du na to, e badane leki by y rozproszone równomiernie w ca ej masie biomateria u, prowadzone badania odpowiada y warunkom w uk adzie homogenicznym. Eksperyment przeprowadzono z wykorzystaniem aparatu przep ywowego wg USP4 rmy Sotax, sk adaj cego si z czterech komór przep ywowych dla ma ych tabletek, butelek zawieraj cych medium, a ni wodnej, pompy do t oczenia medium oraz zestawu zapewniaj cego obieg zamkni ty (Rys. 1). Rys. 1. Aparat przep ywowy. Fig. 1. Flow-through apparatus. Leki w temperaturze 37 C uwalnia y si do medium, którym by bufor fosforanowy o ph 7,4, przy szybko ci jego przep ywu 1 ml/min w uk adzie zamkni tym. W okre lonym czasie od chwili rozpocz cia eksperymentu z kolb pobierano próbki o obj to ci 3 ml, a nast pnie uzupe niano medium do sta ej obj to ci 50 ml. St enia leków w próbkach oznaczano metod spektrofotometryczn z detekcj UV. Kinetyk uwalniania danego leku dopasowywano do wybranych modeli teoretycznych, tj. Higuchiego oraz Korsenmeyera-Peppasa [13, 14], korzystaj c odpowiednio z równa 1 oraz 2 opisuj cych te modele: M t = K H t 0,5, (1) gdzie: M t ilo uwolnionego leku po czasie t, K H sta a Higuchiego; M t = K t n, (2) M gdzie: M t ilo uwolnionego leku po czasie t, M pocz tkowa ilo leku, K - sta a szybko ci, t czas, n wyk adnik dyfuzyjny. Zgodnie z modelem Korsenmeyera-Peppasa dla n = 0,5 kinetyka uwalniania leku zachodzi zgodnie z kinetyk dyfuzji wg Ficka (ang. Fickian diffusion), dla 0,5 < n < 1 ma charakter anomalny (ang. anomalous transport). Z kolei dla warto- ci n = 1 mechanizm transportu uwalniania zmierza do zerowego rz du przypadek II (ang. case II transport), natomiast dla n > 1 okre lany jest jako transport super zerowego rz du (ang. super case II transport). 3. Wyniki i dyskusja Wyniki bada trwa o ci biomateria ów M1, M2 oraz M3 w buforze o ph 7,4 oraz w p ynie SBF przedstawiono odpowiednio na Rys. 2 i 3. Jak wynika z tych rysunków w przypadku materia u M1, b d cego cementem na bazie -TCP zarobionego roztworem chitozanu, masa badanych próbek stosunkowo szyb- 388 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)

3 BADANIE KINETYKI UWALNIANIA LEKÓW Z BIOCERAMICZNYCH PREPARATÓW IMPLANTACYJNYCH Rys. 2. Zmiana masy badanych próbek biomateria ów inkubowanych w buforze o ph 7,4 w temperaturze 37 C (warto rednia n = 5). Fig. 2. Mass change of biomaterials samples incubated in phosphate buffer solution ph 7.4 at 37 C (n = 5). Rys. 3. Zmiana masy badanych próbek biomateria ów inkubowanych w p ynie SBF w temperaturze 37 C (warto rednia n = 5). Fig. 3. Mass change of biomaterials samples incubated in SBF solution at 37 C (n = 5). ko ros a przez pierwsze 24 h trwania eksperymentu, co mog o by zwi zane z obecno ci chitozanu o du ej zdolno- ci p cznienia. Po up ywie tego czasu obserwowano wzrost masy w granicach 4,4% w buforze o ph 7,4 oraz 3,7% w p ynie SBF w stosunku do wyj ciowej masy próbek. Pozosta e materia y (M2 i M3), oparte na gipsie oraz dotowanym hydroksyapatycie z u yciem H 2 O jako cieczy do zarabiania, wykazywa y wzgl dn trwa o w buforze przez okres ok. 150 h po czym nast powa a stosunkowo szybka ich degradacja. Natomiast w przypadku p ynu SBF materia y M2 i M3 uleg y rozpadowi w znacznie krótszym czasie rz du 75 h. Kinetyk procesu uwalniania PTX, DOX oraz CFU z materia u M1 oceniano na podstawie ilo ci uwolnionej substancji leczniczej do buforu fosforanowego o ph 7,4 w zale no- ci od czasu (Rys. 4). Zmiany szybko ci uwalniania badanych leków w czasie przedstawiono na Rys. 5. Jak wynika z Rys. 4 krzywe zale no ci ilo ci uwolnionego leku od czasu wykazywa y du e zró nicowanie. W przypadku PTX i CFU ilo ci uwolnionego leku osi gn y plateau odpowiednio po ok. 120 h oraz 500 h, natomiast dla DOX krzywa nie osi gn a plateau po up ywie 530 h trwania eksperymentu. Maksymalne ilo ci uwolnionego leku wynosi y: 85% dla PTX, 72% dla CFU i 14% dla DOX. Z porównania maksymalnych szybko ci uwalniania badanych leków wynosz cych 4,62, 2,51 i 0,05 mg/h odpowiednio dla PTX, CFU i DOX wynika, e szybko uwalniania PTX by a najwi ksza natomiast dla DOX najmniejsza. Obserwowane ró nice w pro lu uwalniania badanych leków MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 389

4 B. MYCEK, J. SZYMURA-OLEKSIAK, B. STRACH, A. ZIMA, A. LÓSARCZYK Rys. 4. Ilo uwolnionego leku w czasie z biomateria u M1 do buforu o ph 7,4 (warto rednia n = 4). Fig. 4. Amount of released drug from material M1 into buffer solution ph 7.4 versus time pro le (n = 4). Rys. 5. Zale no szybko ci uwalniania leku od czasu z biomateria u M1 do buforu o ph 7,4 (warto rednia n = 4). Fig. 5. Rate release of drug from biomaterial M1 into buffer solution ph 7.4 versus time (n = 4). Tabela 2. Warto ci sta ej Higuchiego, charakteryzuj cej szybko uwalniania badanych leków z biomateria u M1. Table 2. Values of Higuchi constant, representing rate release of tested drugs from biomaterial M1. Lek Sta a Higuchiego K H [mg/h 1/2 ] R PTX 4,4243 0,9982 DOX 0,1761 0,9981 CFU 0,9929 0,9986 by y wynikiem ró nic w ich w a ciwo ciach zykochemicznych, a przede wszystkim w zakresie rozpuszczalno ci. Najlepiej rozpuszczalnym lekiem jest PTX, a najs abiej DOX [15]. Na Rys. 6 przedstawiono wyniki analizy pro lu uwalniania badanych leków z zastosowaniem modelu Higuchiego, a w Tabeli 2 zebrano dane obliczone na jego podstawie. W Tabeli 3 przedstawiono warto ci parametrów opisuj cych proces uwalniania badanych leków z biomateria u M1 zgodnie z modelem Korsenmeyera-Peppasa. Jak wynika z otrzymanych danych (Tabela 3), warto ci wyk adnika dyfuzyjnego n wykaza y, e mechanizm uwalniania zarówno PTX, jak i CFU z badanego biomateria u zachodzi na drodze dyfuzji Ficka, natomiast dla DOX mia charakter anomalny. Sta e szybko ci uwalniania leku obliczone na podstawie obydwu stosowanych modeli mia y najwy sz warto dla PTX, a najni sz dla DOX. 390 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)

5 BADANIE KINETYKI UWALNIANIA LEKÓW Z BIOCERAMICZNYCH PREPARATÓW IMPLANTACYJNYCH Rys. 6. Wykres zale no ci ilo ci uwolnionego leku od pierwiastka kwadratowego z czasu. Fig. 6. Amount of released drug versus square root of time. Tabela 3. Warto ci parametrów obliczone dla modelu Korsenmeyera-Peppasa. Table 3. Values of parameters calculated according to Korsenmeyer-Peppas model. Lek n K [h -n ] Mechanizm uwalniania PTX 0,506 0,1531 Dyfuzja Ficka DOX 0,743 0,0014 Anomalny CFU 0,512 0,0377 Dyfuzja Ficka 4. Podsumowanie W przeprowadzonych badaniach oceniano trwa o materia ów opartych na -TCP (M1), MgHAp i MgCHAp (M2 oraz M3) i gipsie w warunkach zbli onych do zjologicznych (bufor o ph 7,4 lub p yn SBF). Otrzymane wyniki wykaza y, e materia M1 w czasie inkubowania w obu stosowanych mediach ulega hydratacji spowodowanej wnikaniem cieczy w jego pory oraz prawdopodobnie wi zania cz steczek wody przez chitozan, jak te reakcji hydrolizy -TCP skutkuj cej powstaniem niestechiometrycznego HAp [5]. W odró nieniu od pozosta ych badanych materia ów nie zaobserwowano jego degradacji w czasie 14 dni inkubowania, zarówno w buforze o ph 7,4 jak i w p ynie SBF w warunkach in vitro. W warunkach przeprowadzonego eksperymentu osi gni to stosunkowo powolne uwalnianie badanych substancji leczniczych z biomateria u M1, zw aszcza w przypadku DOX. Jest to zjawisko po dane przy opracowywaniu biomateria- ów jako no ników leków, gdy dzi ki temu zapewniaj one terapeutyczne st enie substancji leczniczej w miejscu zaimplantowania przez d u szy okres czasu [4]. aden z badanych leków nie uwolni si z no nika w 100-procentach. Maksymalna ilo uwolnionego leku wynosi a dla PTX 85% po ok. 170 h, dla CFU 72% po 550 h oraz dla DOX 14% po 530 h. Spo ród badanych leków najbardziej korzystny pro l uwalniania wydaje si wykazywa cefuroksym, dla którego materia M1 mo e stanowi odpowiedni no nik leku w warunkach klinicznych. 5. Wnioski Spo ród badanych biomateria ów najwi ksz trwa o, niezale nie od u ytego medium, wykaza materia oparty na -TCP zarabiany roztworem chitozanu. Pro l uwalniania z badanych próbek biomateria u zale a od rodzaju leku, a najbardziej korzystny obserwowano dla cefuroksymu. Uwalnianie w przeprowadzonych warunkach analizy tylko w przypadku pentoksy liny i cefuroksymu zachodzi o na drodze mechanizmu dyfuzji Ficka. W przypadku DOX stwierdzono uwalnianie wed ug mechanizmu anomalnego. Podzi kowania Praca finansowana w ramach projektu nr UDA-PO- IG /09 pt. Nowe wielofunkcyjne substytuty kostne o wysokiej por czno ci chirurgicznej. Literatura [1] Legeros R.Z., Lin S., Rohanizadeh R., Mijares D., Legeros J. P.: Biphasic calcium phosphate bioceramics: preparation, properties and applications, J. Mater. Sci., Materials in medicine, 14, (2003), [2] lósarczyk A., Kowalczewski J., Paszkiewicz Z., Marczak D.: Zastosowanie porowatych wszczepów kompozytowych hydroksyapatyt-tcp w ortopedii, Chirurgia Narz dów Ruchów i Ortopedia Polska, 73, (2008), [3] Hirabayashi H., Fujisaki J.: Bone-speci c drug delivery systems, Clinical Pharmacokinetics, 42, (2003), [4] Jain A.K., Panchagnula R.: Review skeletal drug delivery systems, International Journal of Pharmaceutics, 206, (2000), [5] Durukan C., Brown P.W.: a-tricalcium phosphate hydrolysis to hydroxyapatite at and near physiological temperature, J. Mater. Sci., Materials in medicine, 11, (2000), MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 391

6 B. MYCEK, J. SZYMURA-OLEKSIAK, B. STRACH, A. ZIMA, A. LÓSARCZYK [6] Baro M., Sanchez E., Delgado A., Perera A., Evora C.: In vitro-in vivo characterization of gentamicin bone implants, Journal of Controlled Release, 83, (2002), [7] Sivakumar M., Panduranga Rao K.: Preparation, characterization and in vitro release of gentamicin from coralline hydroxyapatite-gelatin composite microspheres, Biomaterials, 23, (2002), [8] Castro C., Sánchez E., Delgado A., Soriano I., Nunez P., Baro M., Perera A., Evora C.: Cipro oxacin implants for bone infection. In vitro-in vivo characterization, Journal of Control Release, 93, (2003), [9] Itokazu M., Kumazawa S., Wada E., Wenyi Y.: Sustained release of adriamycin from implanted hydroxyapatite blocks for the treatment of experimental osteogenic sarcoma in mice, Cancer Letters, 107, (1996), [10] Otsuka M., Matsuda Y., Baig A.A., Chhettry A., Higuchi W.I.: Calcium-level responsive controlled drug delivery from implant dosage forms to treat osteoporosis in an animal model, Advanced Drug Delivery Reviews, 42, (2000), [11] Sivakumar M., Panduranga Rao K.: Preparation, characterization and in vitro release of gentamicin from coralline hydroxyapatite-gelatine composite microspheres, Biomaterials, 23, (2002), [12] Shinto Y., Uchida A., Korkusuz F., Araki N., Ono K.: Calcium hydroxyapatite ceramic used as a delivery system for antibiotics, Journal of Bone and Joint Surgery, 74-B, (1992), [13] Peppas N.A., Sahlin J.J.: A sample equation for the description of solute release. III. Coupling of diffusion and relaxation, International Journal of Pharmaceutics, 57, (1989), [14] Costa P., Lobo J. M. S.: Modeling and comparison of dissolution pro les, European Journal of Pharmaceutical Sciences, 13, (2001), [15] lósarczyk A., Szymura-Oleksiak J., Mycek B.: The kinetics of pentoxyfylline release from drug-loaded hydroxyapatite implants, Biomaterials, 21, (2000), Otrzymano 16 grudnia 2011, zaakceptowano 2 marca MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)