Asymmetric particles for pulmonary drug delivery

Abstract

Targeted drug delivery and controlled release are current challenges in pulmonary drug delivery. The deposition pattern and clearance from deposition site are two key parameters for drug delivery carrier design. Asymmetric particles allow an increase in peripheral drug delivery compared to spherical particles and furthermore, affect particle clearance mechanisms from the lung. Therefore, the main aim of this thesis was to develop new synthesis strategies to produce well-dispersible, biocompatible, biodegradable microfibers with a variety of aspect ratios and porosities. The macrophage response to the resulting microfibers was investigated. The aerosolization properties of the resulting microfibers were examined. From the obtained results it can be concluded that: 1. A new template-assisted synthesis strategy to produce monodisperse microfibers with defined dimensions has been developed. 2. The technique has been extended to various materials and process parameters for cell testing, drug loading and aerosolization tests. 3. Microfibers were successfully taken up by macrophages, only when they were approached from the pointy end. 4. Aerosolization studies showed good dispersion properties of microfibers with relatively high fine particle fractions. In summary, this new technique may allow to produce microfibers for pulmonary drug delivery, which will lead to a better understanding of their in vivo behaviour such as mucoadhesion, macrophage interaction and deposition behaviour.

Die aktuellen Herausforderungen der inhalativen Therapie sind die gezielte Wirkstoffdeposition und die kontrollierte Wirkstofffreisetzung in der Lunge. Asymmetrische Partikel haben dabei durch ihre erhöhte tiefe Lungendeposition und ihren Einfluss auf die Clearance-Mechanismen erhöhtes Interesse gefunden. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung einer neuen Herstellungsmethode, um gut vereinzelte, biokompatible, bioabbaubare Mikrofasern mit variablen Aspektverhältnissen und Porositäten zu generieren. Weiteres Ziel war die Testung der Makrophagen-Mikrofaser-Interaktion und des Aerosolisierungsverhaltens. Die gewonnenen Ergebnisse führen zu folgenden Aussagen: 1. Es wurde eine neue Methode zur Herstellung monodisperser Mikrofasern mit definierten Maßen entwickelt. 2. Mikrofasern aus diversen Materialien wurden in späteren Versuchen für Zelltests, Wirkstoffbeladung und Aerosolisierungsstudien verwendet. 3. Die Aufnahme von Mikrofasern durch Makrophagen zeigte eine Korrelation zum Faserdurchmesser, wobei diese nur vom spitzen Ende her aufgenommen wurden. 4. Aerosolisierungsstudien zeigten eine gute Dispergierung der Mikrofasern mit hohen Fine-Particle-Fractions. Die entwickelte Methode kann zu einer Optimierung der pulmonalen Wirkstoffapplikation und einem besseren Verständnis des Verhaltens asymmetrischer Partikel im Körper beitragen. Die Mukoadhesion, die Makrophagen-Interaktion und das Depositionsverhalten in der Lunge können mittels dieser Fasern weiter untersucht werden.