SUPERVISOR
S.Mohammad Ghoreshi,Mehdi Pour madani,Ali akbar Dadkhah
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما) مهدی پورمدنی (استاد مشاور) علی اکبر دادخواه (استاد مشاور)
STUDENT
Nadia Esfandiari
نادیا اسفندیاری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1387
TITLE
Experimental Investigation and Modeling of Nanoparticles of Anticancer and Antibiotic Drugs via Supercritical Gas Antisolvent
Pharmaceuticals mostly have low solubility in water. When the size of pharmaceutical particles are decreased, the contact surface and dissolution rate in body are increased. Thus, their absorption bioavailability is increased and the dosage is decreased. The methods of pharmaceutical nanoparticles synthesis via supercritical has attracted interest, due to the advantages of controllability of particle size and particle size distribution product and high purity. The particle size and particle size distribution could be controlled with varying the operating variables such as pressure, temperature, initial solute concentration and antisolvent addition rate. The supercritical antisolvent method is one of the pharmaceutical nanoparticles synthesis methods via supercritical fluids. This method can produce nanoparticles with narrow size distribution and without any solvent residue. The purpose of this thesis was the production of nanoparticles ampicillin family of antibiotics and anti-cancer, 5 Fluorouracil, via gas antisolvent process (GAS). In GAS, a solute is dissolved in organic solvent and then supercritical carbon dioxide is added to the solution. Each solvent has a particular power to dissolve, accordingly the dissolution of carbon dioxide in a solvent decreased the solvent power. Therefore, the dissolved solute was precipitated via the antisolvent effect of supercritical CO 2 . The precipitations of particles in gas antisolvent process do not occur at arbitrary operating conditions. Thus thermodynamic models are necessary to evaluate the suitable operating conditions in order to obtain the feasible application of GAS process. Thermodynamic modeling of these two materials to determine the optimum conditions were investigated. The liquid molar volume and mole fraction were determined. Thermodynamic modeling of ternary system CO 2 -DMSO-ampicillin indicated that the operation pressure in the GAS experiments must be above 7.3, 8 and 8.97 MPa at 308, 313 and 319 K, respectively. The experiments were performed for precipitation of ampicillin and 5 Fluorouracil and investigation of effective variables of precipitation such as antisolvent addition rate, pressure, temperature and initial solute concentration on particle size and particle size distribution. The influence of antisolvent flow rate (1.6, 2 and 2.4 mL/min), temperature (34, 40 and 46 ), solute concentration (20, 60 and 100 mg/mL) and pressure (9, 12 and 15 MPa) on particle size and particle size distribution were studied. The experimental results showed that the mean particle size was decreased with increasing the antisolvent addition rate and pressure. In contrast, temperature and initial solute concentration had opposite effect on particle size. Increasing the temperature and initial solute concentration increased the particle size. The material and population balance equations were solved for the determination of kinetic parameters and particle size distribution. A combined Crank-Nicholson/Lax-Wendroff method was used to solve the population balance equation. Kinetic modeling was performed to determine the nucleation and growth rate parameters via comparison of experimental data and the modeling. The validity of the model was investigated by comparison of the model predictions with the experimental data in which the kinetic parameters were optimized. The very close compatibility of modeling results with experimental data (R 2 = 0.99) indicated that the developed model was successfully capable of predicting the experimental trends in the GAS nanoparticles synthesis. When the antisolvent addition rate was increased, the nucleation rate was increased and subsequently particle size was decreased.
ذرات دارویی اغلب انحلال کمی در آب دارند. کاهش اندازه ذرات دارویی باعث افزایش سطح تماس و افزایش انحلال آن ها در بدن می شود. در نتیجه قابلیت جذب آن ها بالا می رود و میزان مصرف پایین می آید. روش های تولید نانو ذرات دارویی با استفاده از سیال فوق بحرانی به علت توانایی کنترل اندازه و توزیع اندازه ذرات و درجه خلوص بالای محصول مورد توجه بسیار قرار گرفته است. اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات با تغییر پارامترهای عملیاتی مثل فشار، دما، غلظت اولیه حل شونده و شدت افزودن ضد حلال کنترل می شود. روش ضد حلال فوق بحرانی یکی از روش های تولید نانو ذرات دارویی به وسیله سیال فوق بحرانی است که در آن از سیال فوق بحرانی به عنوان ضد حلال استفاده می شود. با استفاده از این روش می توان نانو ذراتی با توزیع اندازه ذرات کنترل شده داشت که تغییر ماهیت نداده و عاری از حلال است. هدف از این رساله، تولید نانو ذرات آمپی سیلین از خانواده آنتی بیوتیک ها و 5 فلوروراسیل به عنوان ضد سرطان با روش ضد حلال فوق بحرانی بود. در فرآیند ضد حلال فوق بحرانی یک حل شونده درون حلال آلی حل می شود و سپس دی اکسید کربن فوق بحرانی به محلول اضافه می گردد. از آنجائیکه هر حلال یک قدرت حل مشخصی دارد، در نتیجه حل شدن دی اکسید کربن در حلال قدرت انحلال آن را کاهش می دهد. در نتیجه، حل شونده ابتدایی به صورت رسوب از محلول جدا می شود. فرآیند ترسیب با روش ضد حلال فوق بحرانی در هر شرایط دما و فشار صورت نمی گیرد. جهت تعیین این شرایط بررسی مدل سازی ترمودینامیکی ضروری است. مدل سازی ترمودینامیکی این دو ماده جهت تعیین شرایط بهینه آزمایش مورد بررسی قرار گرفت. تغییرات حجم مولی مایع و جزء مولی بررسی شد. مدل ترمودینامیکی سیستم سه جزئی دی اکسید کربن- دی متیل سولفوکسید- آمپی سیلین نشان داد که فشار فرآیند باید بالاتر از MPa 3/7 در دمای K 308، MPa 8 در دمای K 313 و بالاتر از MPa97/8 در دمای K 319 باشد. آزمایشاتی جهت ترسیب نانو ذرات آمپی سیلین و 5 فلوروراسیل و بررسی پارامترهای موثر بر ترسیب همانند سرعت افزودن ضد حلال، فشار، دما و غلظت اولیه حل شونده بر روی توزیع اندازه ذرات و متوسط اندازه ذرات صورت گرفت. تاثیر شدت افزودن ضد حلال در سه سطح (6/1، 2 وmL/min 4/2)، دما (34، 40 و C? 46)، غلظت حل شونده (20، 60 و mg/mL100) و فشار (9، 12 وMPa 15) بر روی اندازه و توزیع اندازه ذرات مطالعه شد. نتایج آزمایشات نشان داد که متوسط اندازه ذرات با افزایش سرعت افزودن ضد حلال و افزایش فشار کاهش می یابد. در صورتیکه دما و غلظت اولیه حل شونده تاثیر برعکس بر روی ذرات داشت یعنی با افزایش دما و غلظت اولیه حل شونده اندازه ذرات افزایش یافت. معادلات موازنه جرم و جمعیت جهت تعیین پارامترهای سینتیکی و توزیع اندازه ذرات در نظر گرفته شد. ترکیبی از روش های عددی کرانک نیکلسون و لاکس واندروف جهت حل معادله موازنه جمعیت استفاده شد. صحت مدل با مقایسه نتایج پیش بینی شده توسط مدل با داده های آزمایشگاهی هنگامیکه پارامترهای سینتیکی بهینه شده بودند مورد بررسی قرار گرفت. تطابق بسیار خوب نتایج مدل با داده های آزمایشگاهی (99/0 = R 2 ) نشان داد که مدل به دست آمده به خوبی قابلیت پیش بینی روند آزمایشات را در تولید نانو ذرات با روش ضد حلال فوق بحرانی دارد. هنگامیکه شدت افزودن ضد حلال زیاد شد، سرعت هسته سازی افزایش یافت و اندازه ذرات کاهش یافت