chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2024-19-4-327-336PVTYTQchemicallytech-2124Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF MEDICINAL COMPOUNDS AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCESХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙStudy of inhalation micropowders obtained by spray dryingИсследование ингаляционных микропорошков, полученных методом распылительной сушкиhttps://orcid.org/0009-0006-4437-2430ЩербаковаЛ. А.ShcherbakovaL. A.

Щербакова Лариса Александровна - аспирант кафедры химического и фармацевтического инжиниринга.

125047, Москва, Миусская пл., д. 9

Larisa A. Shcherbakova - Postgraduate Student, Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering.

9, Miusskaya pl., Moscow, 125047

shcherbakova.l.a@muctr.ruhttps://orcid.org/0009-0008-4807-7089СаитгарееваА. И.SaitgareevaA. I.

Саитгареева Алсу Ильдаровна - магистр кафедры химического и фармацевтического инжиниринга.

125047, Москва, Миусская пл., д. 9

Alsu I. Saitgareeva - Master, Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering.

9, Miusskaya pl., Moscow, 125047

saitgareeva01@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8485-9861ГордиенкоМ. Г.GordienkoM. G.

Гордиенко Мария Геннадьевна - д.т.н., профессор кафедры химического и фармацевтического инжиниринга, Scopus Author ID 8845573700, ResearcherID B-1095-2014.

125047, Россия, Москва, Миусская пл., д. 9

Mariia G. Gordienko - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering, Scopus Author ID 8845573700, ResearcherID B-1095-2014.

9, Miusskaya pl., Moscow, 125047

gordienko.m.g@muctr.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0342-0049СафаровР. Р.SafarovR. R.

Сафаров Руслан Рафиг оглы - к.т.н., директор Департамента научно-технической политики.

125047, Москва, Миусская пл., д. 9

Ruslan R. ogly Safarov - Cand. Sci. (Eng.), Director of the Department of Scientific and Technical Policy.

9, Miusskaya pl., Moscow, 125047

safarov.r.r@muctr.ruРоссийский химико-технологический университет им. Д.И. МенделееваРоссияD.I. Mendeleev University of Chemical Technology of RussiaRussian Federation202411092024194327336Copyright © Shcherbakova L.A., Saitgareeva A.I., Gordienko M.G., Safarov R.R., 20242024Щербакова Л.А., Саитгареева А.И., Гордиенко М.Г., Сафаров Р.Р.Shcherbakova L.A., Saitgareeva A.I., Gordienko M.G., Safarov R.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/2124Objectives

Objectives. To study the influence of the type of matrix-forming material and excipients concentration, spray drying parameters on the characteristics of the powder for inhalation, as well as to investigate the inhalation compositions for stability under stressful conditions.

Methods

Methods. Spray drying was used to obtain powder compositions with the required characteristics for inhalation therapy. Microscopic and analytical studies of powders were carried out. Statistical analysis made it possible to estimate the influence of factors on the powder characteristics and rank them by importance. The stability of spray dried powders was studied.

Results

Results. The optimal parameters for obtaining powders for inhalation were found by means of mathematical statistics: air flow rate was 37 m3/h; compressed air flow rate — 601 L/h; inlet air temperature — 150°C; solution flow rate — 45% of the power of the peristaltic pump (16.3 g/min for this composition); L-leucine concentration — 10 wt %; ratio of components of the matrix polyvinylpyrrolidone K-30/D-mannitol = 1 : 3. Under these conditions, as well as by means of 2 experiments additionally selected from the research design, a composition with isoniazid as an active substance was spray dried. The resulting powders were analyzed, in order to confirm the correctness of the recommended parameters.

Conclusions

Conclusions. The selection of compositions and spray drying conditions involves multiple criteria. The characteristics of the powder for inhalation may deteriorate significantly during long-term storage. The optimal parameters were determined using statistical analysis and confirmed by experimental data.

Цели

Цели. Исследовать влияние типа материала, формирующего каркас частицы, концентрации вспомогательных веществ и параметров распылительной сушки на характеристики порошка для ингаляций. Проверить ингаляционный состав на стабильность в стрессовых условиях.

Методы

Методы. Для получения порошковых композиций с требуемыми характеристиками для ингаляционной терапии использовалась распылительная сушка. Были проведены микроскопические и аналитические исследования частиц сухого порошка. Статистический анализ позволил оценить влияние факторов на характеристики получаемого порошка для ингаляций и проранжировать их по значимости. Было проведено исследование стабильности порошков, полученных после распылительной сушки.

Результаты

Результаты. Методами математической статистики удалось установить оптимальные параметры получения порошков для ингаляции: расход сушильного агента составил 37 м3/ч; расход сжатого воздуха, подаваемого на форсунку — 601 л/ч; температура сушильного агента на входе в камеру — 150°C; расход раствора — 45% от мощности встроенного насоса (16.3 г/мин для данного состава композиции); концентрация L-лейцина — 10 мас. %; соотношение компонентов матрицы поливинилпирролидон К-30/маннитол = 1 : 3. При данных условиях, а также при условиях 2-х экспериментов дополнительно выбранных из плана исследований, была проведена наработка композиции с изониазидом в качестве активного вещества и проведен анализ полученных порошков, что позволило подтвердить корректность рекомендованных параметров.

Выводы

Выводы. Подбор состава композиций и условий распылительной сушки является многокритериальной задачей. Характеристики порошка для ингаляций могут значительно ухудшиться при длительном хранении. Оптимальные параметры были определены с применением статистического анализа и подтверждены экспериментальными данными.

распылительная сушкаактивный фармацевтический ингредиентмикропорошкиингаляцияметоды планирования экспериментаоптимизацияspray dryingactive pharmaceutical ingredientmicropowdersinhalationexperiment planning methodsoptimizationИсследования проведены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (проект FSSM-2022-0004)The study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, the state assignment (project FSSM-2022-0004)ReferencesYe Y., Ma Y., Zhu J. The future of dry powder inhaled therapy: Promising or discouraging for systemic disorders? Int. J. Pharm. 2022;614:121457. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2022.121457Ye Y., Ma Y., Zhu J. The future of dry powder inhaled therapy: Promising or discouraging for systemic disorders? Int. J. Pharm. 2022;614:121457. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2022.121457Alhajj N., O’Reilly N. J., Cathcart H. Leucine as an excipient in spray dried powder for inhalation. Drug Discov. Today. 2021;26(10):2384–2396. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2021.04.009Alhajj N., O’Reilly N. J., Cathcart H. Leucine as an excipient in spray dried powder for inhalation. Drug Discov. Today. 2021;26(10):2384–2396. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2021.04.009AboulFotouh K., Zhang Y., Maniruzzaman M., Williams R.O., Cui Z. Amorphous solid dispersion dry powder for pulmonary drug delivery: Advantages and challenges. Int. J. Pharm. 2020;587:119711. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.119711AboulFotouh K., Zhang Y., Maniruzzaman M., Williams R.O., Cui Z. Amorphous solid dispersion dry powder for pulmonary drug delivery: Advantages and challenges. Int. J. Pharm. 2020;587:119711. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.119711Stegemann S., Faulhammer E., Pinto J., Paudel A. Focusing on powder processing in dry powder inhalation product development, manufacturing and performance. Int. J. Pharm. 2022;614:121445. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.121445Stegemann S., Faulhammer E., Pinto J., Paudel A. Focusing on powder processing in dry powder inhalation product development, manufacturing and performance. Int. J. Pharm. 2022;614:121445. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2021.121445Karimi M., Kamali H., Mohammadi M., Tafaghodi M. Evaluation of various techniques for production of inhalable dry powders for pulmonary delivery of peptide and protein. J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2022;69(1):103186. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2022.103186Karimi M., Kamali H., Mohammadi M., Tafaghodi M. Evaluation of various techniques for production of inhalable dry powders for pulmonary delivery of peptide and protein. J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2022;69(1):103186. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2022.103186Zillen D., Beugeling M., Hinrichs W., Frijlink H., Grasmeijer F. Natural and bioinspired excipients for dry powder inhalation formulations. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2021;56:101497. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101497Zillen D., Beugeling M., Hinrichs W., Frijlink H., Grasmeijer F. Natural and bioinspired excipients for dry powder inhalation formulations. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2021;56:101497. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101497Weers J.G., Miller D.P. Formulation Design of Dry Powders for Inhalation. J. Pharm. Sci. 2015;104(10):3259–3288. https://doi.org/10.1002/jps.24574Weers J.G., Miller D.P. Formulation Design of Dry Powders for Inhalation. J. Pharm. Sci. 2015;104(10):3259–3288. https://doi.org/10.1002/jps.24574Porsio B., Lentini L., Ungaro F., Di Leonardo A., Quaglia F., Giammona G., Cavallaro G. Inhalable nano into micro dry powders for ivacaftor delivery: The role of mannitol and cysteamine as mucus-active agents. Int. J. Pharm. 2020;582:119304. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.119304Porsio B., Lentini L., Ungaro F., Di Leonardo A., Quaglia F., Giammona G., Cavallaro G. Inhalable nano into micro dry powders for ivacaftor delivery: The role of mannitol and cysteamine as mucus-active agents. Int. J. Pharm. 2020;582:119304. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.119304Allsopp D., Seal K.J., Gaylarde C.C. Introduction to Biodeterioration: 2nd ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press; 2004. 252 p. ISBN 0-521-82135-5; ISBN 0-521-52887-9Allsopp D., Seal K.J., Gaylarde C.C. Introduction to Biodeterioration: 2nd ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press; 2004. 252 p. ISBN 0-521-82135-5; ISBN 0-521-52887-9Miranda M.S., Rodrigues M.T., Domingues R.M.A., Torrado E., Reis R.L., Pedrosa J., Games M.E. Exploring inhalable polymeric dry powders for anti-tuberculosis drug delivery. Mater. Sci. Eng. C. 2018;93:1090–1103. https://doi.org/10.1016/j.msec.2018.09.004Miranda M.S., Rodrigues M.T., Domingues R.M.A., Torrado E., Reis R.L., Pedrosa J., Games M.E. Exploring inhalable polymeric dry powders for anti-tuberculosis drug delivery. Mater. Sci. Eng. C. 2018;93:1090–1103. https://doi.org/10.1016/j.msec.2018.09.004Parumasivam T., Chang R.Y.K., Abdelghany S.M., Ye T.T., Britton W.J., Chan H.-K. Dry powder inhalable formulations for anti-tubercular therapy. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016;102: 83–101. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.05.011Parumasivam T., Chang R.Y.K., Abdelghany S.M., Ye T.T., Britton W.J., Chan H.-K. Dry powder inhalable formulations for anti-tubercular therapy. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016;102: 83–101. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.05.011Munir M., Jena L., Kett V.L., Dunne N.J., McCarthy H.O. Spray drying: Inhalable powders for pulmonary gene therapy. Biomater. Adv. 2022;133:112601. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112601Munir M., Jena L., Kett V.L., Dunne N.J., McCarthy H.O. Spray drying: Inhalable powders for pulmonary gene therapy. Biomater. Adv. 2022;133:112601. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112601Chang R.Y.K., Chow M.Y.T., Khanal D., Chen D., Chan H.-K. Dry powder pharmaceutical biologics for inhalation therapy. Adv. Drug Deliv. Rev. 2021;172:64–79. https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.02.017Chang R.Y.K., Chow M.Y.T., Khanal D., Chen D., Chan H.-K. Dry powder pharmaceutical biologics for inhalation therapy. Adv. Drug Deliv. Rev. 2021;172:64–79. https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.02.017Rignall A. ICQ1A(R2) Stability Testing of New Drug Substances and Products and ICHQ1C Stability Testing of New Dosage Forms. In: Teasdsle A., Elder D., Nims R.W. (Eds.). 1CH Quality Guidelines: An Implementation Guide. John Wiley & Sons; 2017. P. 3–44. https://doi.org/10.1002/9781118971147.ch1Rignall A. ICQ1A(R2) Stability Testing of New Drug Substances and Products and ICHQ1C Stability Testing of New Dosage Forms. In: Teasdsle A., Elder D., Nims R.W. (Eds.). 1CH Quality Guidelines: An Implementation Guide. John Wiley & Sons; 2017. P. 3–44. https://doi.org/10.1002/9781118971147.ch1Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов. М.: Высшая школа; 1985. 327 с.Akhnazarova S.L., Kafarov V.V. Metody optimizatsii eksperimenta v khimicheskoi tekhnologii (Methods for Optimizing Experiments in Chemical Technology): A textbook for universities. Moscow: Vysshaya shkola; 1985. 327 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.