Rheology and gelation of physical polymer gels

Abstract

The discovery of new potent and water-insoluble drugs has emphasized the need for novel drug-delivery systems and personalized dosification. Biopolymers solutions are an alternative over conventional methods since they can acts as a suspending medium for strong hydrophobic drugs, and have the potential to form gel networks, which can be used to encapsulate and improve long-term stability. Nevertheless, polymer-particle interactions can affect the rheology and gelation process of the system making it unsuitable for the application or affecting the drugs activity. Much more complex interactions are introduced by incorporation of additional components into the system, such as surfactants to improve particle stability or flavorants for taste-masking. The objective of this research work was to determine the effects of fluid formulation parameters on the physical gelation and rheology of biopolymer solutions with suspended solid particles. In this work, rheological measurements have been used to determine, understand and control the processing conditions which are related to the final product properties. Gelation temperature (Tgel) was determined using stress control temperature ramp and the dynamic oscillatory methods and rheology of polymer solution was studied above Tgel. The effect of operational and formulation parameter on Tgel were also determine. In Chapter 2 and 3, the effect of particle size and concentration on the gelation temperature of two cold-setting gels, gelatin and sodium alginate (NaAlg), were studied. It was observed that Tgel is not affected by stress at applied stress of up to 10 Pa, and decreases with increasing cooling rate. On the other hand, as polymer concentration increases gelation temperature increases. Yet, pH has a very mild effect, as shown in Chapter 2. In Chapter 3, the thermotropic gelation of NaAlg solution was demonstrated using three independent rheological measurements. Both systems were unaffected by the presence of model silica particles ranging from the micron to the nano scale. This was attributed to polymer-particle repulsion due to similar net charges. In Chapter 4, the effect of an active ingredient and the interaction between type of surfactants and the polymer-particle system was determined by the rheology and gelation temperature measurements. In this case, the model polymer system was the hot-setting hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC), an uncharged cellulose derivative. The effect of particle size on solution properties was studied using griseofulvin particles as model drugs. Tgel showed complex dependence on particle size, concentration, and surface selectivity. Surfactants with similar net charge as the active ingredient can be either replaced by the polymer on the active’s surface or aggregate with the polymer, thus increasing viscosity of the solution and improving gelation due to bridging effects. On the other hand, positively charged and neutral surfactants have minimum polymer-surfactant interactions and are able to effectively stabilize the particles due to the preferential interactions with the active’s surface. Rheological methods were useful to demonstrate physical gelation for a weak gel, propose particles stabilization mechanisms and establish particle size and concentration effects on gelation. This information can be extended to other systems such as characterization of a weak gel, or systems with similar characteristics, where use of surfactant is needed for charge particle stabilization. These data and mechanisms can be correlated to final product properties as drug dissolution, adhesion, or mechanical properties, important in but not limited to films.

El descubrimiento de nuevas drogas que se caracterizan por ser fuertes e insolubles en agua ha creado la necesidad de nuevos sistemas para entrega de medicamento que garanticen una dosis personalizada. Biopolímeros brindan una solución alternativa en relación a métodos convencionales, debido a que ellos pueden actuar como medio de suspensión para medicamentos fuertes e hidrofóbicos, además tienen la habilidad de formar geles, esta propiedad puede ser usada para encapsular y mejorar la estabilidad a largo plazo. Sin embargo, interacciones polímero-partículas pueden afectar pueden afectar la reología y el proceso de gelación de el sistema haciéndolo inadecuado para la aplicación o afectando la actividad de la droga. Interacciones mucho más complejas suceden cuando se incorpora un componente adicional como lo son los surfactantes o saborizantes, los cuales se utilizan para impartir estabilidad o modificar el sabor original, respectivamente. El objetivo de esta investigación fue determinar los efectos de los parámetros de formulación y operación sobre la gelación física y la reología de de soluciones de biopolímeros con partículas solidas suspendidas. En este trabajo, mediciones reológicas se usaron para determinar, entender y controlar las condiciones de procesamiento, las cuales están relacionadas a las propiedades del producto final. Temperatura de gelación (Tgel) fue determinada usando la prueba de stress controlado y el método dinámico, y la reología de las soluciones poliméricas se estudio por encima de Tgel El efecto de los parámetros de formulación y operación sobre Tgel fueron también determinados. En el Capítulo 2 y 3, el efecto de tamaño y concentración de partículas sobre la temperatura de gelación de dos polímeros que forman geles con disminución de temperatura fueron estudiados. Se observo que Tgel no es afectada por el stress a un stress aplicado hasta de 10 Pa, y disminuye con razón de enfriamiento. Por otro lado, cuando la concentración de polímero aumenta, la temperatura de gelación incrementa. Sin embargo, pH no tuvo un efecto significativo sobre Tgel. En el Capítulo 3, se demostró la gelación termotrópica de soluciones de NaAlg mediante tres métodos reológicos independientes. Ambos sistemas no fueron afectados por la presencia de partículas de sílica desde micrones a escala nano, debido a repulsiones polímeropartícula debido a una carga neta similar. En el Capítulo 4, el efecto de un ingrediente activo y la interacción entre tipo de surfactante y el sistema polímero-partícula fue determinado por la reología y mediciones de temperatura de gelación. En este caso, el sistema polimérico modelo fue hidroxipropil metilcelulosa (HPMC), el cual no tiene carga y forma geles con incremento de temperatura. El efecto de tamaño de partículas sobre las propiedades de la solución fue estudiado usando partículas de griseofulvin como una droga modelo. Tgel demostró una dependencia compleja en tamaño, concentración y selectividad de la superficie. Surfactantes con carga neta similar al ingrediente activo pueden ser reemplazados por el polímero en la superficie activa o agregarse con el polímero, incrementando la viscosidad de la solución y mejorando la gelación debido a la formación de puentes. De otro lado, surfactantes neutrales o cargados positivamente tienen mínimas interacciones polímero-surfactante y son capaces de estabilizar las partículas debido a las interacciones preferenciales con la superficie activa. Métodos reológicos permitieron demostrar gelación física para un gel débil, proponer mecanismos de estabilización de partículas y establecer efecto de tamaño y concentración de partículas en la temperatura de gelación. Esta información puede ser extendida a otros sistemas tales como caracterización de un gel débil, o sistema con características similares, donde el uso de surfactante es necesario para la estabilización de partículas cargadas. Esta data y mecanismos pueden ser correlacionados a propiedades finales de productos como prueba de disolución, adherencia, o propiedades mecánicas, importantes pero no limitada a películas.