Sprühtrocknung von Proteinen

Abstract

Die Sprühtrocknung ist das bevorzugte Verfahren, um inhalierbare Pulver herzustellen, denn mit der Sprühtrocknung können enge Partikelgrößenverteilungen erzielt und die Proteine mit diesem Verfahren schonend getrocknet werden. Die Partikel sollten einen aerodynamischen Durchmesser von etwa 5 Mikrometer haben, um in die tieferen Lungenregionen (Alveolen, Bronchiolen) zu gelangen, und das Pulver sollte sich durch den Atemstrom in seine Primärpartikel dispergieren lassen. Die aerodynamischen Eigenschaften eines Pulvers werden durch die Prozessparameter der Sprühtrocknung und die Eigenschaften der Sprühlösung beeinflusst. Der Einfluss der Molekülmasse und des pH-Wertes auf die Partikelmorphologie und die aerodynamischen Eigenschaften ist bisher noch nicht untersucht worden. Ziel dieser Arbeit war es, inhalierbare Proteinpulver mit einer hohen Feinpartikelfraktion (FPF) herzustellen, um die zu applizierende Dosis gering zu halten und die Inhalation des Pulvers effektiv zu gestalten. Dazu wurden vier verschiedene Proteine unter konstanten Bedingungen am Laborsprühtrockner B191 (Büchi, Schweiz) getrocknet und hinsichtlich ihrer Morphologie, geometrischen Teilchengröße, Dispergierbarkeit, aerodynamischen Eigenschaften, Kristallinität, Oberflächenenergien und Restfeuchten untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Pulver von Humanem Serum Albumin (HSA) trotz gleicher aerodynamischer Durchmesser eine höhere FPF haben als die anderen untersuchten Proteinpulver. Als Ursachen für diese unterschiedliche Dispergierbarkeit wurden die Rauigkeit der Partikeloberfläche und die verschiedenen Oberflächenenergien identifiziert. Um die FPF des IgG2-Pulvers zu erhöhen, wurden verschiedene Methoden zum Partikeldesign getestet. Es ist gelungen, die beeinflussenden Parameter der unterschiedlichen Dispergierbarkeit der Proteinpulver zu identifizieren. Hierzu zählen die Oberflächenenergie und die Rauigkeit der Partikeloberflächen. Durch ein Partikeldesign ist es gelungen die FPF des schlecht dispergierbaren IgG2-Pulvers zu erhöhen.

<b>Spray Drying of Proteins - Investigations on Influence of Particle Morphology and Improvement of Dispersibility Using Particle Design</b><br /> Spray drying is the preferred method to produce inhalable powders. Narrow particle size distributions were produced by spray drying and the proteins are protected against thermal stress. The aerodynamic particle diameter should be smaller than 5 µm and the powder should be dispersed in primary particles by breath. The aerodynamic characteristics of the powder are influenced by process parameters and characteristics of spray drying solution. The influences of molecular weight and pH-value on the particle morphology and the aerodynamic characteristics have not been investigated yet. The aim of this study was to produce inhalable protein powders with a high fine particle fraction (FPF) to hold the applied dose low and to make the inhalation of the powder efficient. Therefore four different proteins were spray dried using a laboratory spray drier (B191 Büchi, Switzerland) and the resulting powders were characterised with regard to morphology, geometric particle diameter, dispersibility, aerodynamic characteristics, crystallinity, surface free energy and relative humidity of the powder. Inspite of similar aerodynamic diameters of the protein powder particles the results indicated a higher FPF of human serum albumin than for any other of the protein powders. To improve the FPF of the IgG2-containing powder the particle design can realised by different methods. It was succeeded to identify the influencing parameters of the different dispersibility of the protein powders. The surface free energy and the roughness of the particle surface have an influence on the dispersibility and therefore on the FPF of the powders. Through to particle design the FPF of the IgG2-containing powder was improved.