Avanços da Nanotecnologia Farmacêutica-1

1. Avanços da Nanotecnologia Farmacêutica-1 Prof. Dr. Nelson Durán MSc. Priscyla D. Marcato MSc. Zaine Teixeira IQ-UNICAMP aula-2 (12/03/08) qf-933

2. NANO (anão) 1 nm = 10-9 m

3. ALGUMAS DICAS • Rede de Nanobiotecnologia: (www.nanobiotec.iqm.unicamp.br) • Google: MIT OpenCourseWare (vários cursos completos) • MIT OpenCourseWare BE.4625 (curso: Molecular Principles of Biomaterials) Conferencia(http://www.ranf.com/pdf/discursos/numero/vila.pdf) Rawat et al. Nanocarriers... Biol. Pharm. Bull. 29, 1790 (2006). Kayser et al. The Impact of nanobiotechnology... Current Pharm. Biotechnol. 6, 3 (2005).

4. 3,5 bilhões de anos atrás- Células possuem biomáquinas nanométricas que têm funções como manipulação de material genético e suprimento de energia. Os químicos: Sintetizam polímeros (grandes cadeias de moléculas feitas de minúsculas unidades nanoescalares- monômeros) há muitas décadas

5. NANO X MACRO • Abaixo de 100 nm as propriedades físicas e químicas mudam • Aumento da área superficial = maior reatividade, maior penetração em células • Novas propriedades óticas, elétricas e magnéticas

6. NANO X MACRO

7. NANO X MACRO

8. Medicina Física Nanobiotecnologia Química Engenharias Nanotecnologia Biologia Informática Ciências dos Materiais NANOBIOTECNOLOGIA É MULTIDISCIPLINAR

9. Rotas de administração de ativos • Oral • Nasal • Parenteral (intravenosa, • intramuscular, subcutânea) • Dérmica • Oftálmica

10. QUAL É A FUNÇÃO DOS ATIVO (FÁRMACO OU COSMÉTICO) NA ÁREA ESPECIFICA DE ATUAÇÃO? O FÁRMACO DEVE ATINGIR UM ALVO DEFINIDO COM EXATIDÃO CONTROLAR O MECANISMO DE PENETRAÇÃO DO FARMACO CÉLULAS OU TECIDOS

11. “MAGIC BULLET” (Paul Ehrlich) OS ATIVOS ESTÃO LONGE DESTE DESENHO O ATIVO É LOCALIZADO DE FORMA PRECISA NO ALVO E NO EXATO LOCAL DA AÇÃO NANOTECNOLOGIA

12. NanoBioTecnologia • Encapsulamento de ativos (drug delivery) • Biosensores • Máquinas e dispositivos Moleculares • Implantes médicos • Engenharia de tecidos • Descoberta de novos medicamentos

13. SISTEMA DE LIBERAÇÃO SUSTENTADA • O princípio ativo é encapsulado em espécies coloidais como lipossomas, nano e micropartículas poliméricas ou lipídicas sólidas • O princípio ativo pode estar associado a nanopatrículas metálicas e nanotubos de carbono Nanopartículas: diâmetro  1m Micropartículas: diâmetro > 1 m

14. Vantagens • Melhora a estabilidade física e química de ativos • Melhorar a biodisponibilidade • Mantém o efeito do fármaco no tecido alvo • Solubilizar ativos lipofílicos • Minimiza os efeitos colaterais • Reduz a toxicidade • Diminui o número de doses/aplicações

15. LIBERAÇÃO SUSTENTADA Convencional Liberação ordem zero Efeitos adversos Níveis tóxicos Faixa terapéutica Concentração Min. efetiva Sem efeito Níveis Plasmáticos Tempo/dosagem administrada

16. Nanoemulsões Dendrímeros Ciclodextrina

17. Lipossoma Nanopartículas Poliméricas Nanopartículas Lipídicas Sólidas Nanopartículas Metálicas Fulerenos Nanotubo de Carbono

18. Preparação e Caracterização de Nanopartículas no Encapsulamento de Ativos/Fármacos

19. Top-Down X Bottom-Up http://www.barrettresearch.ca/teaching/nanotechnology/nano06.htm

20. Encapsulamento e liberação de ativos: Método Botton-Up através de moléculas auto-organização de moléculas em solução aquosa

21. Moléculas anfifílicas Reúnem dois grupos com polaridades ou solubilidades opostas lipídeos, surfactantes, proteínas

22. Estruturas de algumas moléculas anfifílicas típicas (Surfactantes não-iônicos) Alquilssulfato (surfactante aniônico) Sal de amina graxa (surfactante catiônico) Betaína (surfactante anfotérico) Polimeros em bloco fosfatidilcolina (fosfolipídios)

23. EMULSÕES Aula 2

24. Emulsão • É uma dispersão, na qual as fases são líquidos imiscíveis ou parcialmente miscíveis. Neste sistema tem-se uma fase finamente dividida (dispersa ou interna) em uma outra fase (contínua ou externa), na presença de surfatante (agente emulsificante). • Classificação (tamanho das partículas da fase dispersa): • MACROEMULSÕES - >400 nm; • MINIEMULSÕES – 100 a 400 nm; • MICROEMULSÕES - transparentes, < 100 nm; • MÚLTIPLAS – a partícula dispersa já é uma emulsão De Azevedo, 2004

25. Exemplos de tipos de emulsões A O O A A/O A A/O De Azevedo, 2004

26. Emulsão A/C Emulsão múltipla A/O/A H2O / óleo de parafina / emulsificador (copoliol cetildimeticona, lipofílico), A/O H2O / CO2 (l ou supercrítico) / emulsificante Neste caso não é qualquer emulsificante, tem que ter boa solubilidade em CO2 com fracas forças de dispersãodas cadeias (perfluoropoliéter) CF3 – (O-CF2- CF (CF3)n- (O-CF2)-COO- NH4+ Gota a gota, rpm H2O /emulsificador (SDS, hidrofílico), espessante (poli ácido acrílico),A De Azevedo, 2004

27. Conceito de tensão interfacial: Forças de dispersão (as chamadas forças de London):flutuações Presença de momentos de dipolo instantâneos inerentes às moléculas, que se reorientam o tempo todo Os momentos de dipolo de moléculas vizinhas são correlacionados e em decorrência,moléculas vizinhas sempre se atraem Existe uma energia superficial decorrente da existência destas forças intermoleculares, particularmente de dispersão De Azevedo, 2004

28. Conceito de tensão interfacial: Em conseqüência das forças intermoleculares, moléculas sempre se atraem e a tendência é a minimização da área superficial espontaneamente (variação da energia livre superficial ou interfacial com a variação de área)  G A = T,P ,n A é a área de contato entre as fases (Processo de aumento da superfície de um líquido) De Azevedo, 2004

29. INSTABILIDADE: • 2 líquidos imiscíveis puros não podem formar uma emulsão: A tensão interfacial de valor alto representa uma energia livre interfacial alta, decorrente do aumento na área de contato entre as fases O sistema é instável termodinamicamente, se comparado à área mínima que se conseguiria entre as duas fases quando separadas. De Azevedo, 2004.

30. A maior parte dos sistemas que interessam são metaestáveis ( A energia livre do sistema tende a diminuir, mas este sistema é mantido no mesmo estado por uma barreira de ativação) Esta metaestabilidade está intimamente relacionada à presença de moléculas anfifílicas (surfatantes) na interface. (O/A, interface) • Adsorve na interface L-L como um filme interfacial orientado • Provoca abaixamento da tensão interfacial, o que leva à diminuição na energia livre interfacial • Isto permite uma maior área de contato entre as fases • água • óleo óleo • óleo • interface De Azevedo, 2004

31. Instabilidade física das emulsões Mecanismos • Floculação , sedimentação (“creaming”) reversível irreversível • Coalescência Mecanismos Irreversível “quebra” • Envelhecimento de Ostwald, separação de fases De Azevedo, 2004

32. Instabilidade Física das emulsões Dispersão: Movimento Browniano, Difusão Colisão efetiva Forças atrativas entre as gotas, formam-se agregados (floculação) Rompimento do filme interfacial e coalescência • Paralelamente a estes fenômenos, as gotas podem flotar • ou sedimentar (tamanho) “Ostwald Ripening” De Azevedo, 2004

33. Mecanismos de estabilizaçãodas gotas • Abaixamento da tensão interfacial: A formação da emulsão é mais fácil, mas existem outros fatores de estabilidade • Estérica: força repulsiva entre as cadeias (tamanho e solvente);La Mer: floculação x coagulação • Eletrostática: carga do surfactante, adsorção de contra-íons.Repulsão governada pelo “overlap” entre as camadas difusas (potencial de Stern). • Drenagem gera gradientes de [surfatante] mas há cura do filme • Outros: natureza do filme interfacial, viscosidade da fase contínua De Azevedo, 2004

34. Estabilidade pela presença de partículas sólidas A partícula irá permanecer no líquido que molha melhor (ângulo de contato) Para deslocar a partícula da interface é necessário realizar trabalho • Partículas de látex de poliestireno estabilizando uma gota de água na interface água/octano De Azevedo, 2004

35. Ordenamento das partículas de látex de poliestireno ( 2,6 m )na interface água/octano Organizadas em monocamada com empacotamento hexagonal A mesma monocamada, após compressão: dobras e filme pregueado. Forças repulsivas laterais (originadas da carga superficial das partículas) dá origem à monocamada altamente organizada. De Azevedo, 2004

36. Seleção do surfatante comoagente emulsificante Método do HLB (balanço hidrofílico-lipofílico, Griffin, 1949). O tamanho relativo dos grupos determina a curvatura preferida da interface, o que determina a fase dispersa Selecionar o surfatante ou uma combinação de surfatantes De Azevedo, 2004 hidrofilicidade

37. O/A x A/O Jacob Israelachvili (University of California) First World Congress in Emulsions, Paris, 1993 Hierarquia de forças e o tipo de estrutura auto-organizada que estabiliza: emulsões e micremulsões ocupam um lugar especial, energia da ordem de kT. Parâmetro de agregação crítica, CPP = Vap/ L A

38. HLB é indicativo apenas do tipo de emulsão que pode ser esperada ,mas não é indicativo de sua eficiência (concentração requerida) ou de sua contribuição à estabilidade da emulsão; • Muitas maneiras de se calcular, ex: HLB= 20 * M hidrofílico/ M hidrofílico +M lipofílico (não-iônicos) O SONHO: Relacionar estrutura molecular do surfatante com HLB Exemplo: Etoxilados, HLB=13 mas acima de 80 0C forma emulsão A/O O PROBLEMA: Não acompanha mudanças nas condições (temperatura, co-surfatantes) De Azevedo, 2004

39. Método de PIT • Shinoda e Saito (1969) definiram PIT como a temperatura na qual uma emulsão O/A torna-se A/O; • Nesta temperatura as tendências hidrofílica e lipofílica do surfatante são perfeitamente balanceáveis. De Azevedo, 2004

40. Diagramas de fase para o sistema surfatante/óleo/água • Winsor tipo I • Winsor tipo II • Winsor tipo III 1 1 1 2 2 2 3 2 2 Região bifásica: tensoativo-água predomina tensoativo-óleo predomina microemulsão • 3 diferentes tipos de diagramas de fase, dependendo dos valores relativos de energia de interação do surfatante com óleo ou água; “tie line” seria horizontal para afinidades totalmente balanceadas De Azevedo, 2004

41. Preparação de emulsões • A formação e estabilidade de uma emulsão é afetada pela seqüência e metodologia de mistura ( ex: emulsificador adicionado em separado, mistura de todos os componetes); • a energia introduzida influi no diâmetro das gotas; • forte tensão de cisalhamento pode levar a coalescência e polidispersidade (margarina O/W : componente de aroma na fase dispersa) • Métodos • Métodos de micronização – energia mecânica ao sistema, promovendo agitação dos 2 fluidos e do emulsificador (agitador) • ultra-som: produção repentina e subseqüente colapso das cavidades em um líquido; crescimento da pressão local, subdivisão da gota (problemas de reprodutibilidade, controle dos núcleos de cavitação

42. Preparação de emulsões • Métodos • Inversão de fase: O/A preparada de uma emulsão A/O (menor gasto energético) • PIT: pequenas gotas podem ser obtidas em T um pouco abaixo do PIT; consegue-se uma menor tensão interfacial

43. Aplicação : preparação de microesferas SEM, elétrons secundários (topografia) A=5000x (clorofórmio) De Azevedo, 2004

44. Emulsão múltipla na obtenção de microesferas para vacinas de DNA De Azevedo, 2004

45. Bibliografia-M.M.M.DE ACEVEDO(2004) [1] Rosen, M. J. Surfactants and Interfacial Phenomena, John Wiley & Sons: New Yok, 1989, 304-336.[2] Rosano, H. L., Gandolfo, F. G. e Hidrot, J-D. (1998). Stability of W1 /O/ W2 multiple emulsions, influence of ripening andinterfacial interactions Colloids Surf. A. 71, 109-121.[3] Lee, C. D., Psathas, P. A. e Johnston, K. P. (1999). Water-in-Carbon Doxide Emulsions: Formation and Stability., Langmuir 15, 6781-6791. [4] Hunter, R. J. Foundations of Colloid Science, Clarendo,Oxford,, 1991, 177. [5] Wnali, K., Yi, Liu et. al. ( 2000). Interactions between alkali/surfactant/polymer and their effects on emulsion stability/. Colloids Surf. A. 175, 243-247.[6] Taylor, P. (1995). Ostwald ripening in emulsions/. Colloids Surf. A. 99, 175-185. [7] Sjöblom, J., Emulsions and Emulsion Stability-Surfactant science Series (61), Marcel Dekker: New Yok, 1996, 1-41.[8] Adamson, A. W. e Gast, A. P. Physical Chemistry of Surfaces, John Wiley & Sons, 1997. [9] Israelachvilli, J. (1997). The science and applications of emulsions-an overview Colloids Surf. A. 91, 1-8. [10] Davis, H. T. (1994). Factors determining emulsion type: hidrophile-lipophile balance and beyond Colloids Surf. A. 91, 9-24. [11] Stein, H. N. The -Surfactant science Series (61), Marcel Dekker: New Yok, 1996, 1-41.[12] Becher., P.Encyclopedia of Emulsion Technology-vol.3, NY, M. Dekker Inc.,1988. [13] Lim, F. Bomedical Application of Microencapsulation, CRC Press, Inc. : Boca Raton, USA, 1985.

46. FORMAÇÃO DE AGREGADOS POR MOLÉCULAS ANFIFÍLICAS

47. “head” hidrofílica “tail” hidrofóbica Surfactantes Tensoativos ou agentes de superfície

48. Surfactantes em solução cmc – concentração micelar crítica – faixa estreita de concentração Aparecimento de agregados (micelas) Myers, 1999; Fendler, 1982

49. Tipos de Micelas Jönsson e col., 1998

50. Número de Agregação • Número de monômeros de surfactantes em cada micela no sistema aquoso • constante em uma ampla faixa (~100 vezes cmc)  da concentração Formação de diferentes tipos de agregados organizados: mesofases liotrópicas Cristais Líquidos Liotrópicos