Tecnologia 3D para a customização de terapias : desenvolvimento de formas sólidas contendo dexametasona

Abstract

Esta tese aborda a utilização da impressão 3D pela técnica de modelagem por deposição de material fundido pela área farmacêutica, na busca da customização de terapias. A tecnologia 3D permite a fabricação de formas farmacêuticas contendo doses de fármacos adaptadas a cada paciente ou grupo de pacientes, assim como com perfis de liberação específicos. Tendo em vista os potenciais da impressão 3D, bem como inovação da tecnologia, faz-se necessário entender o efeito que mudanças no software de impressão podem acarretar, além de mudanças na composição da formulação, efeito da solubilidade de fármacos, de blendas poliméricas e até mesmo a associação com outras tecnologias inovadoras, e o seu potencial efeito na obtenção nesses sistemas de liberação de fármacos. Inicialmente foram realizadas extensas revisões de literatura que forneceram subsídio teórico para o desenvolvimento do trabalho experimental, e que tiveram três focos principais: (1) a associação entre impressão 3D e nanotecnologia, (2) técnicas de caracterização imprescindíveis a esse tipo de sistemas e, (3) as potencialidades dos polímeros da família Eudragit® na obtenção de produtos farmacêuticos por essa tecnologia. Na sequência, foram desenvolvidas formas sólidas por impressão 3D contendo poly(Ɛ-caprolactona) PCL e dexametasona. Foi conduzido um experimento fatorial completo, no qual foram produzidas 8 formulações. A presença de um agente formador de canal, o manitol, teve especial efeito na liberação do fármaco a partir das formas sólidas quando essas possuíam um preenchimento de 50%. Na continuidade dos estudos, foi avaliado o efeito da solubilidade do fármaco no seu perfil de liberação a partir de formas impressas compostas de uma matriz inerte, como a PCL. Três formas de dexametasona foram utilizadas (base, acetato e fosfato) neste estudo. Os dados encontrados demonstraram que a forma mais hidrofílica do fármaco (fosfato) atingiu 50% de liberação após 10h. No mesmo estudo, formas impressas com diferentes tamanhos, e consequentemente diferentes doses, apresentaram perfis de liberação do fármaco praticamente sobrepostos, mostrando não haver influência da relação área/volume nesse tipo particular de sistema. Ainda buscando aumentar a velocidade de liberação in vitro do fármaco, o emprego de blendas poliméricas de PCL e Eudragit E, em diferentes proporções, foi estudado. Dexametasona foi usada mais uma vez como fármaco modelo. As formas produzidas com a maior proporção de Eudragit E apresentaram maior velocidade de liberação, sem impactar significativamente nas boas propriedades mecânicas providas pelo polímero PCL, que atua estabilizando o filamento, dando-lhe propriedades de printabilidade. Além disso os componentes da formulação estiveram homogeneamente dispersos na formulação, resultado demonstrado por microscopia Confocal Raman. Por fim, na última etapa, considerando que a aliança entre impressão 3D e o uso de nanocarreadores abarca vantagens no desenvolvimento de nanomedicamentos, foi desenvolvida uma suspensão de nanocápsulas poliméricas contendo dexametasona, como fármaco, e etilcelulose, como polímero formador da cápsula. Essa suspensão foi submetida a secagem por liofilização, empregando manitol como crioprotetor. Após a reconstituição destes pós liofilizados em água, as características nanométricas da suspensão original foram recuperadas e ambas formas de apresentação (suspensão ou pó reconstituído) apresentaram biocompatibilidade em modelos celulares in vitro com células Caco-2. A nanoencapsulação não afetou as características de permeabilidade da dexametasona quando as formulações foram testadas em modelos de células Caco-2, ao mesmo tempo em que a liofilização diminuiu a velocidade de permeação do fármaco. A integridade das zonas de oclusão intestinais foi confirmada após análise por microscopia confocal de varredura a laser. Esse trabalho age como um balizador e ajuda a consolidar o conhecimento da impressão 3D no desenvolvimento de novos sistemas de liberação de fármacos, principalmente pela técnica FDM.

This thesis addresses the use of fused deposition modelling 3D printing technique by the pharmaceutical area, in the search for customization of therapies. 3D technology allows the manufacture of dosage forms containing drug doses adapted to each patient or group of patients, and with specific release profiles. In view of the potential of 3D printing, and the innovation of this technology, it is necessary to understand the effect that changes in printing software, changes in formulation composition, the effect of drug solubility, polymer blends and even the association with other innovative technologies, and their potential effect on obtaining these drug delivery systems. Initially, extensive literature reviews were carried out to provide theoretical subsidy for the development of the experimental work. This step had three main focuses: (1) the association between 3D printing and nanotechnology, (2) characterization techniques essential to this type of systems and, (3) the potential of Eudragit® family polymers in obtaining pharmaceutical products using 3D printing. Subsequently, solid forms were developed by 3D printing using poly(Ɛ-caprolactone) (PCL) as polymer, and dexamethasone as model drug. A 23 factorial design was conducted, in which 8 formulations were produced. The presence of a pore former agent, mannitol, had a special effect on drug release from solid forms when these had 50% of infill. In the sequence, the effect of drug solubility on its release profile from the printed forms composed of an inert matrix, such as PCL, was evaluated. Three forms of dexamethasone (base, acetate and phosphate) were used in this study. The data found showed that the most hydrophilic form of the drug (phosphate) reached 50% release after 10h. In the same study, printed solid forms with different sizes, and consequently different doses, presented practically overlapping drug release profiles, showing that there was no influence of the surface area/volume ratio in this particular type of system. Still looking to increase the in vitro release speed of the drug, the use of polymeric blends of PCL and Eudragit E, in different proportions, was studied. Again, dexamethasone was used as model drug. The solid forms produced with the highest proportion of Eudragit E showed a higher release speed, without significantly impacting the good mechanical properties provided by PCL, which acts by stabilizing the filament, giving it printability properties. Furthermore, the components of the formulation were homogeneously dispersed in the formulation, as demonstrated by Confocal Raman microscopy. Finally, in the last step, considering that the alliance between 3D printing and the use of nanocarriers has advantages in the development of nanomedicines, polymeric nanocapsules suspension containing dexamethasone and ethylcellulose was developed. The suspension was dried by freeze-drying, using mannitol as a cryoprotectant. After the reconstitution of these lyophilized powders in water, the nanometric characteristics of the original suspension were recovered and both forms of presentation (suspension or reconstituted powder) showed biocompatibility in in vitro cellular models with Caco-2 cells. Nanoencapsulation did not affect the permeability characteristics of dexamethasone when the formulations were tested in Caco-2 cell models, while lyophilization decreased the drug permeation rate. The integrity of the intestinal tight junsction was confirmed after analysis by confocal laser scanning microscopy. This work acts as guiding and helps to consolidate the knowledge of 3D printing in the development of new drug delivery systems, mainly by the FDM technique.