Rheological characterization of hydroxypropyl methylcellulose solutions: Gelation and molecular interactions with additives

Abstract

The discovery and development of highly hydrophobic drugs represents an additional challenge for the pharmaceutical industry, as traditional methods of encapsulation, administration, and dosage are not always appropriate. Physically formed edible films have been proposed as a solution to this problem due to their ability to encapsulate and stabilize these particles. Many methods have been proposed for the characterization, and improvement of the physical and morphological properties of these films. However, many of these methods are subjective and time-consuming. In this study, it is proposed to evaluate the effect of the addition of various additives, such as flavorants, plasticizers, and two highly hydrophobic BCS (biopharmaceutical classification system) class II drugs, through rheological characterization of the gelation temperature of the precursor solutions. The evaluation of the addition of flavorants with different functional groups in their structure, and the effect of their concentrations in the gelation temperature of polymer solutions was studied. Gelation was affected by the polymer relative solubility, and the interactions between polymer and organic part of the solvent mixture which depends on the functional groups present in the flavorant molecules. These results could be applied in the estimation of the effect of the addition of small soluble molecules with similar chemistry. The ability of the polymer to stabilize these hydrophobic particles through van deer Walls and hydrophobic interactions with the surface of the particles was studied. Results showed a relation between the polymer-particle affinity and the gel formation mechanism. A synergistic effect caused by the polymer molecular weight contribute to the amount of hydrophobic interactions that the polymer can make with other drug or polymer molecules, affecting the flexibility of the system. The effect of the addition of plasticizers to the mixture was evaluated. HPMC solutions with glycerol were further studied because it has been reported that at high concentrations of the plasticizer, phase separation may occur. A combination of steady-state rheology measurements of the polymer solutions and NIR-CI were used to study the relation between solution properties and films morphology. During the film casting process, the evidence of phase separation is measured by NIR-CI and optical images.

El descubrimiento y desarrollo de fármacos altamente hidrófobos representa un desafío para la industria farmacéutica, ya que los métodos tradicionales de encapsulación, administración, y dosificación no siempre son apropiados. Membranas comestibles se han propuesto como una solución a este problema debido a su capacidad para encapsular y estabilizar estas partículas. Muchos métodos se han propuesto para la caracterización y mejora de las propiedades físicas y morfológicas de estas películas. Sin embargo, muchos de estos métodos son subjetivos y consumen mucho tiempo. En este estudio se propone evaluar el efecto de la adición de varios aditivos, como saborizantes, plastificantes, y dos drogas hidrofóbicas BCS tipo II, a través de la caracterización reológica de la temperatura de gelación de las soluciones precursoras. Se estudió la evaluación de la adición de saborizantes con diferentes grupos funcionales en su estructura, y el efecto de sus concentraciones en la temperatura de gelación de las soluciones de polímero. La gelación se vio afectada por la solubilidad relativa del polímero, y las interacciones entre polímero y parte orgánica de la mezcla de solvente que depende de los grupos funcionales presentes en las moléculas saborizantes. Estos resultados podrían ser aplicados en la estimación del efecto de la adición de pequeñas moléculas solubles con química similar. Se estudió la capacidad del polímero para estabilizar estas partículas hidrófobas a través de fuerzas de van deer Walls e interacciones hidrofóbicas con la superficie de las partículas. Los resultados mostraron una relación entre la afinidad del polímero y la partícula, y el mecanismo de formación del gel. Un efecto sinérgico causado por el peso molecular del polímero contribuye a la cantidad de interacciones hidrofóbicas que el polímero puede hacer con otras moléculas de droga o de polímero, lo cual afecta la flexibilidad del sistema. Se evaluó el efecto de la adición de plastificantes a la mezcla. Soluciones de HPMC con glicerol se estudiaron más a fondo, ya que se ha reportado que a altas concentraciones del plastificante, puede ocurrir separación de fases. Una combinación de mediciones reológicas en estado estacionario y NIR-CI se utilizaron para estudiar la relación entre propiedades de la solución y la morfología de las membranas. Durante el proceso de fundición de la película, la evidencia de separación de fases se comprobó por NIR-CI e imágenes ópticas.