Advanced

Phase Behavior of Water and Cyclodextrin Systems

Enekvist, Markus LU (2017) KLG920 20162
Food Technology and Nutrition (M.Sc.)
Abstract
The effect of water on α-, β-, and γ-cyclodextrins (CD) was investigated using sorption calorimetry, differential scanning calorimetry and dynamic vapor sorption in order to understand the phase behavior and to create phase diagrams. By relating earlier X-ray diffraction patterns of cyclodextrins equilibrated over saturated salt solutions and literature regarding the cyclodextrin hydrates to the sorption calorimetry and vapor sorption results, it proved possible to determine several distinct cyclodextrin structures depending on the cyclodextrin/water composition. For α-cyclodextrin, a phase diagram was derived, containing four distinct hydrates with a possibly stoichiometric hydrate at α-CD∙6H2O and a hydrate of unknown stoichiometry close... (More)
The effect of water on α-, β-, and γ-cyclodextrins (CD) was investigated using sorption calorimetry, differential scanning calorimetry and dynamic vapor sorption in order to understand the phase behavior and to create phase diagrams. By relating earlier X-ray diffraction patterns of cyclodextrins equilibrated over saturated salt solutions and literature regarding the cyclodextrin hydrates to the sorption calorimetry and vapor sorption results, it proved possible to determine several distinct cyclodextrin structures depending on the cyclodextrin/water composition. For α-cyclodextrin, a phase diagram was derived, containing four distinct hydrates with a possibly stoichiometric hydrate at α-CD∙6H2O and a hydrate of unknown stoichiometry close to α-CD∙11H2O. For β-cyclodextrin, the suggested phase diagram has three distinct hydrates that are non-stoichiometric in nature, with the most hydrated form being β-CD∙10-12H2O. The γ-cyclodextrin was investigated with sorption calorimetry and compared to X-ray diffraction patterns, which suggested up to four separate hydrates. The structures were less crystalline at a lower humidity than the α- and β-cyclodextrin counterparts. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
När man skapar ett läkemedel så kan det innehålla både aktiva ämnen och andra hjälpämnen. Hjälpämnena kan bidra till ett läkemedels verkan på flera olika sätt, och en grupp som ofta används är de så kallade cyclodextrinerna. Det finns tre ursprungliga cyclodextriner, alpha beta och gamma, som är ringformade molekyler med olika egenskaper på insidan och utsidan av ringen. På grund av detta så används cyclodextrinerna ofta i diverse läkemedelsformuleringar, där de kan skydda de aktiva ämnena inuti ringen och hjälpa svårlösliga ämnen att transportera sig i kroppen.

Trots att cyclodextrinerna är så pass användbara och studerade så vet man inte tillräckligt mycket om hur de beter sig under olika omständigheter. Olika strukturer kan ha mycket... (More)
När man skapar ett läkemedel så kan det innehålla både aktiva ämnen och andra hjälpämnen. Hjälpämnena kan bidra till ett läkemedels verkan på flera olika sätt, och en grupp som ofta används är de så kallade cyclodextrinerna. Det finns tre ursprungliga cyclodextriner, alpha beta och gamma, som är ringformade molekyler med olika egenskaper på insidan och utsidan av ringen. På grund av detta så används cyclodextrinerna ofta i diverse läkemedelsformuleringar, där de kan skydda de aktiva ämnena inuti ringen och hjälpa svårlösliga ämnen att transportera sig i kroppen.

Trots att cyclodextrinerna är så pass användbara och studerade så vet man inte tillräckligt mycket om hur de beter sig under olika omständigheter. Olika strukturer kan ha mycket olika egenskaper och beteende, vilket till exempel kan påverka en medicins effektivitet. Målet med detta arbete är därför att undersöka hur de olika cyclodextrinerna beter sig beroende på temperatur och sammansättning (vatten/cyclodextrin), jämföra med tidigare forskning, och att ifall möjligt skapa fasdiagram av deras beteende. Fasdiagram visar övergångar mellan olika faser, i detta fall beroende på temperatur och sammansättning.

Resultatet kan bidra till förståelsen av dessa molekyler, för att öka användandet av de ofarliga och skonsamma läkemedelsformuleringarna istället för metoder som kan vara irriterande och innehålla lösningsmedel eller otrevliga pH-nivåer.

Metoderna som används kan antingen behålla en viss sammansättning och öka temperaturen (Differential Scanning Calorimetry), eller behålla en konstant temperatur och justera vatteninnehållet (Sorptionskalorimetri, Dynamic Vapor Sorption) för att sedan mäta när det sker olika förändringar i proven.

Med hjälp av dessa metoder så kunde jag föreslå två olika fasdiagram för alpha- respektive beta-cyclodextrin. Fasdiagrammet för alpha-cyclodextrin visar att molekylen går igenom fyra olika former, eller hydrat, medan den tar åt sig vatten. Den har ett brett tvåfas-område med vätska och cyclodextrin, som sedan löser sig vid högre temperaturer och vattennivåer till en vätskefas. Det är ett komplicerat system med många övergångar och signaler som kanske kan förstås bättre med fortsatt forskning.

Fasdiagrammet för beta-cyclodextrin är något enklare, där torkat beta-cyclodextrin går igenom tre olika hydrat innan den når ett mycket brett tvåfas-område med beta-cyclodextrinhydrat och vätska. Endast en liten del av löslighetsgränsen kunde hittas eftersom beta-cyclodextrin är mycket mer svårlösligt än de andra ämnena och kräver högre temperaturer än vad som kunde
undersökas i detta arbete.

Det fanns inte nog med tid för att undersöka gamma-cyclodextrin lika noggrant som de andra ämnena, men några undersökningar av gamma-cyclodextrin visade tecken på att det fanns minst tre olika hydrat, vilket stämde väl överrens med tidigare strukturinformation. Där kunde man dels se att gamma-cyclodextrinhydraten verkade betydligt mer amorfa än alpha- och beta-cyclodextrin, och att det kunde finnas ytterligare ett hydrat som bildades vid högre luftfuktighet vilket var mer kristallint än de tidigare formerna. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Enekvist, Markus LU
supervisor
organization
course
KLG920 20162
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Phase Diagram, Chemical Engineering, Cyclodextrin, Pharmaceutical Technology, läkemedelsteknologi
language
English
id
8904083
date added to LUP
2017-03-31 09:21:13
date last changed
2017-03-31 09:21:13
@misc{8904083,
  abstract     = {The effect of water on α-, β-, and γ-cyclodextrins (CD) was investigated using sorption calorimetry, differential scanning calorimetry and dynamic vapor sorption in order to understand the phase behavior and to create phase diagrams. By relating earlier X-ray diffraction patterns of cyclodextrins equilibrated over saturated salt solutions and literature regarding the cyclodextrin hydrates to the sorption calorimetry and vapor sorption results, it proved possible to determine several distinct cyclodextrin structures depending on the cyclodextrin/water composition. For α-cyclodextrin, a phase diagram was derived, containing four distinct hydrates with a possibly stoichiometric hydrate at α-CD∙6H2O and a hydrate of unknown stoichiometry close to α-CD∙11H2O. For β-cyclodextrin, the suggested phase diagram has three distinct hydrates that are non-stoichiometric in nature, with the most hydrated form being β-CD∙10-12H2O. The γ-cyclodextrin was investigated with sorption calorimetry and compared to X-ray diffraction patterns, which suggested up to four separate hydrates. The structures were less crystalline at a lower humidity than the α- and β-cyclodextrin counterparts.},
  author       = {Enekvist, Markus},
  keyword      = {Phase Diagram,Chemical Engineering,Cyclodextrin,Pharmaceutical Technology,läkemedelsteknologi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Phase Behavior of Water and Cyclodextrin Systems},
  year         = {2017},
}