Μελέτη της σχέσεως μεταξύ κινητικής εισροφήσεως νερού και κινητικής συμπεριφοράς προτύπων μονολιθικών συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης

Abstract

The performance of a model monolithic controlled release device, consisting of a swellable polymeric matrix subject to structural relaxation (cellulose acetate), loaded with a simple osmotically active solute (NaI) and activated by the ingress of solvent (water), was studied experimentally and by computer simulation. The system under consideration falls into the class of monolithic controlled release systems and is studied within the framework of the theoretical models that have been proposed for those systems. The polymer films were prepared by casting an acetone solution of CA on a glass plate, and then evaporating the solvent. The same procedure was applied for membranes with dispersed salt, but the salt is dissolved in the polymer solution prior the film formation. The percentage of the solute in the polymer varies from 2.5% to 25%. We studied the release kinetics of the solute from the polymer in parallel with the sorption of water. For the purpose of adequately interpreting the results, and the full characterization of the polymer matrices, the diffusion and sorption properties of salt depleted films as well as of homogeneous films that initially did not contain any dispersed salt were studied. The characterization of the systems is complemented with differential scanning calorimetry measurements (DSC) for the determination of crystallinity and Tg and the characterization of the states of water hydrating the polymer. The water sorption kinetics in membranes equilibrated at different relative humidities and the effect of salt on the sorption isotherm was also studied. The computer simulation study was based on extensive previous modeling work. Values of the relevant input model parameters were derived from independent experimental measurements of the sorption and diffusion properties of solvent and solute (reported in the present paper). The resulting simulation was highly successful, considering that it proved possible to simulate closely and consistently the kinetics of both solute release (over practically the whole experimental range) and concurrent solvent absorption (including correct prediction of the magnitude of the osmotically-induced excess swelling of the polymeric matrix). The results presented here are of obvious practical significance in relation to progress towards computer-assisted design of monolithic controlled release devices exhibiting relatively complex kinetic behavior.

Στην παρούσα εργασία μελετάται ένα πρότυπο σύστημα ελεγχόμενης αποδέσμευσης που αποτελείται από μια σχετικά υδρόφοβη πολυμερική μήτρα που υπόκειται σε δομική χαλάρωση (οξική κυτταρίνη) και μια απλή δραστική ουσία (NaI) που δρα ωσμωτικά στο συγκεκριμένο σύστημα. Η αποδέσμευση της δραστικής ουσίας ενεργοποιείται με την εισχώρηση του διαλύτη της ουσίας (νερού) στο πολυμερές. Το σύστημα εμπίπτει στην κατηγορία των μονολιθικών συστημάτων ελεγχόμενης αποδέσμευσης και μελετάται αφενός πειραματικά, αφετέρου δε, γίνεται υπολογιστική προσομοίωση της συμπεριφοράς του. Οι πολυμερικές μήτρες, μεμβράνες πάχους 100-300 μm, παρασκευάζονται με επίστρωση σε γυαλί ακετονικού διαλύματος της οξικής κυτταρίνης και στη συνέχεια εξάτμιση του διαλύτη. Η ενσωμάτωση της δραστικής ουσίας σ’ αυτές γίνεται είτε με εξισορρόπηση σε πυκνά υδατικά διαλύματα της δραστικής ουσίας (μεμβράνες Α), είτε με προσθήκη της ουσίας στο ακετονικό διάλυμα του πολυμερούς κατά το στάδιο της παρασκευής (μεμβράνες Β). Η περιεκτικότητα της ουσίας στο πολυμερές κυμαίνεται από 2,5% έως 25% κ.β. Μελετήθηκε πειραματικά η κινητική αποδέσμευσης του ΝaΙ από σχεδόν ξηρές (ή με μικρή αρχική υγρασία) πολυμερικές μήτρες παράλληλα με την ταυτόχρονη εισρόφηση του νερού κατά τη διάρκεια της αποδέσμευσης. Η αρχική περιεκτικότητα της ενσωματωμένης δραστικής ουσίας έχει σημαντική επίδραση στο ρυθμό αλλά και στην κινητική της αποδέσμευσης: ο ρυθμός αυξάνεται με την αρχική περιεκτικότητα, ενώ η σιγμοειδής μορφή που χαρακτηρίζει την καμπύλη αποδέσμευσης ως προς την τετραγωνική ρίζα του χρόνου στις μικρές περιεκτικότητες, εξαλείφεται στις μεγαλύτερες. Η συγκέντρωση του νερού στην μεμβράνη κατά την διάρκεια του πειράματος αποδέσμευσης, αυξάνεται (ανάλογα με την περιεκτικότητα του NaI) , υπερβαίνει κατά πολύ την τιμή που θα είχε η καθαρή μεμβράνη στην ισορροπία με νερό και στη συνέχεια, εφόσον έχει εκροφηθεί το NaI, μειώνεται, έως ότου φθάσει σε μια τελική τιμή ισορροπίας. Η υπέρβαση της τιμής ισορροπίας οφείλεται προφανώς στην ωσμωτική δράση του NaI, ενώ η επαναφορά στην τελική τιμή ισορροπίας προσεγγίζεται αργά, λόγω αργών δομικών χαλαρώσεων. Ακόμη, σύγκριση των αποτελεσμάτων αποδέσμευσης από μεμβράνες Α και Β έδειξε ότι ο διαφορετικός τρόπος ενσωμάτωσης της δραστικής ουσίας δεν έχει σημαντική επίδραση στην συμπεριφορά του συστήματος. Το πειραματικό μέρος της εργασίας αυτής, περιλαμβάνει ακόμη πλήρη χαρακτηρισμό της καθαρής πολυμερικής μήτρας και αυτής που προκύπτει μετά την αποδέσμευση, και προσδιορισμό των παραμέτρων ροφήσεως και διαχύσεως της δραστικής ουσίας και του νερού σ’ αυτήν. Συγκεκριμένα: · Έγινε θερμικός χαρακτηρισμός του πολυμερούς με DSC για τον προσδιορισμό της κρυσταλλικότητας και της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης. Αν και δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των διαφόρων μεμβρανών εμφανίζεται σαφής μείωση του ροφούμενου νερού από την μεμβράνη με την αύξηση της κρυσταλλικότητας. · Προσδιορίστηκαν ο συντελεστής κατανομής (Κ) και διαχύσεως (DN) της δραστικής ουσίας από πειράματα εξισορρόπησης μεμβρανών οξικής κυτταρίνης σε διαλύματα διαφόρων συγκεντρώσεων NaI και στη συνέχεια εκρόφησης του NaI σε καθαρό νερό στους 25οC, θερμοκρασία στην οποία έγιναν και τα πειράματα αποδέσμευσης.