Quel type d’excipient pour la lyophilisation des nanocapsules :

amorphe ou cristallin?Ghania degobert a,b*, Wassim abdelwaheda, Hatem Fessi a,b

a Laboratoire d’Automatique et de Génie des Procédés, UMR CNRS 5007, Université Lyon, 43 bd du 11 novembre 1918 - 69622 Villeurbanne – France * b département de Pharmacotechnie, Cosmétologie, Biopharmacie, ISPB, Université Lyon 1, 8, avenue Rockefeller, 69373 Lyon cedex-France degobert@lagep.cpe.fr

,

• Agrégation et fusion des nanoparticules.• Dégradation non enzymatique du polymère (effet du

pH, température, et du type de polymère).• Libération non contrôlée du principe actif encapsulé

en cas de dégradation.

,

Objectifs

• Élaborer des formulations lyophilisables de nanocapsules en assurant la préservation des caractéristiques physico-chimiques du produit lyophilisé.

• Étudier l’impact des structures des excipients (amorphe ou cristalline) sur la stabilisation des nanocapsules pendant les étapes de congélation, de dessiccation et de stockage.

Analyse par diffraction des rayons X: (a) des excipients seuls avant lyophilisation, (b) des nanocapsules lyophilisées en présence de différents excipients et (c) des nanocapsules lyophilisées en présence des différents excipients après 6 mois de stockage sous des conditions accélérées.

)

2-Theta -Scale

4 10 20 30

Glucose

Mannitol

PVP

Sucrose

Pure cryoprotectants before freeze-drying

A

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Freeze-dried nanocapsules with different cryoprotectants after storage

0

1000

2000

3000

4000

2-Theta -Scale 4 10 20 30

Glucose

PVP

Sucrose

C

0

1000

2000

3000

4000

2-Theta -Scale 4 10 20 30

Sucrose

PVP

Mannitol

Mannitol + NaCl

Glucose

Freeze-dried nanocapsules with different cryoprotectants

B

Conclusion

• La réussite de la lyophilisation des nanocapsules exige leur dispersion dans une matrice amorphe vitrifiée d’excipient pendant les différentes étapes de la lyophilisation et de stockage pour immobiliser les nanocapsules et inhiber leur agrégation.

• La cristallisation de certains excipients pendant le procédé de lyophilisation (cas de mannitol +1% NaCl) ou pendant le stockage (cas du glucose) a des effets néfastes sur la conservation des caractéristiques physico-chimiques des nanocapsules après réhydratation.

• Les nanocapsules lyophilisées doivent être stockées à une température inférieure de la température de transition vitreuse de la formulation.

Références

1. Abdelwahed, W., G. Degobert, S. Stainmesse, and H. Fessi, 2006, Freeze-drying of nanoparticles: Formulation, process and storage considerations: Advanced Drug Delivery Reviews, v. 58, p. 1688-1713

2. Abdelwahed, W., G. Degobert, and H. Fessi, 2006, A pilot study of freeze drying of poly(epsilon-caprolactone) nanocapsules stabilized by poly(vinyl alcohol): Formulation and process optimization: International Journal of Pharmaceutics, 309, p. 178-188.

Figure 3. Photos de lyophilisats de NC après 6 mois de stockage sous des conditions accélérées (40 2° C et 75 5% RH) en présence de : (G) glucose et (P) PVP 

Avant stockage Après 6 mois de stockage

Excipient Taille (nm) R % Aspect Taille (nm) R (%) Aspect

PVP 301 3.9 0.81 0.32 correct 309.3 1.2 8.39 0.49 inchangé

Sucrose 304.1 2.4 1.76 0.06 collapse partial +++ 2.73 + 0.55 collapsé

Glucose 307 0.9 3.67 0.34 collapsé +++ N.D. collapsé

La taille des nanocapsules, l’humidité résiduelle (R %) et les aspects morphologiques des lyophilisats avant et après 6 mois de stockage sous des conditions accélérées (40 2° C et 75 5% RH).

+++ : Particules macroscopique, N.D. Non déterminée.

Etude de la stabilité des nanocapsules pendant le stockage

Problématique (cas des nanoparticules)

La lyophilisation génère différents stresses lors de :

• La congélation : stress lié à la cryo-concentration des particules agrégation des particules.

• La dessiccation primaire: stress lié à la déshydratation le collapse du lyophilisat.

• la dessiccation secondaire : stress lié à l’élimination de l’eau liée plus problématique pour les protéines .

1. Mesure de taille Zetasizer 3000 (Malvern) et analyse morphologique (ESEM et TEM).

2. DSC : TA 125 (TA instrument). 3. Diffraction des Rayons x :Siemens D 500. 4. Humidité résiduelle : Karl Fischer.

Caractérisation des NCs

Photos de NC lyophilisées avec 5% de PVP : (A) Microscopie Electronique à Transmission et (B) Microscopie Electronique à Balayage Environnementale

• NCs sphérique avec un cœur huileux.• Membrane de polymère entourant le cœur huileux ayant une épaisseur allant de 15 à 30 nm

Après lyophilisation Cristallisation du mannitol

seul et du mélange (mannitol +1% NCl)

Après stockage Cristallisation du sucrose et

du glucose après le stockage

La cristallisation de la matrice engendre l’agrégation des NCs

Pourquoi lyophiliser?

Les nanoparticules (NCs) présentent une faible stabilité physique et chimique en suspension [1]:

Préparation des nanocapsulesTechnique d’émulsion-diffusion)

Purification of nanocapsules

Phase aqueuse

• Eau saturée en éthyle acétate• Stabilisant : poly(vinyl alcool)

Phase organique

• Polymère : poly(ε-caprolactone)• Huile : Miglyol 829• Ethyle acétate saturé en eau

Emulsion (huile / eau)

Nanocapsules diluées en suspension

Nanocapsules concentrées en suspension

Ajout d’eau

Emulsification

Après congélation -décongélation

Après lyophilisation

T’g Tc

Excipient SF/Si Taille SD (nm) SF/Si

Sans +++ +++ +++ Glucose 0.98 307.0 0.90 0.98 -32 - sucrose 0.97 304.1 2.42 0.97 -41 - PVP 0.98 301.0 3.92 0.96 -21 - Mannitol +++ +++ +++ - -23 Mannitol+1% NaCl 1.20 1065.5 100 3.5

Taille des nanocapsules après leur fabrication 311.3 2.2 nmSF/Si: ratio entre la taille finale (après décongélation ou lyophilisation) sur la taille initiale des NC PCL (après leur fabrication), DS: déviation standard, (+++) particules macroscopique.NC PCL préparées avec 5% (m/v) d’excipient

Etude de congélation-décongélation et de lyophilisation des NCs

Après congélation-décongélation Agrégation des NCs en présence du mannitol seul Légère augmentation de la taile des NCs en présence

du mélange (mannitol +1% NaCl), mais reste acceptable NaCl inhibe la cristallisation du mannitol

Caractérisation des échantillons de NCs obtenues (1) après préparation, (2) après l’étape de congélation –décongélation et (3) après lyophilisation.