Formulation development, rheological characterization, and cosmetic evaluation of gel-creams

Abstract

Oil in water (o/w) emulsions are thermodynamically unstable systems composed of small oil droplets dispersed in a continuous aqueous phase. This means that given enough time, the two phases will separate. Pharmaceutical emulsions are used as a method of administering the Active Pharmaceutical Ingredient (API) for topical applications. The API for this project will be dissolved in the aqueous phase. If the phases are to separate, the concentration of API will not be homogenous throughout product, which will alter the effect of the pharmaceutical. Therefore, the stability is crucial for the effect of a pharmaceutical emulsion.
The stability as well as cosmetic properties of an emulsion is affected by several different properties, referred to as Critical Quality Attributes (CQAs). These are attributes that directly influence the quality of a product. The CQAs are in turn affected by Critical Process Parameters (CPPs) which are specific parameters during the manufacturing process. To ensure a high-quality product with little variation between batches, the CPPs for manufacturing are to be identified, evaluated, and monitored.
In this project the temperature during manufacture, polymer quality, and homogenization speeds will be evaluated as CPPs and their effect on CQAs modelled using a Design of Experiments. From the models it was found that the homogenization speed is most critical to the formulation process, but further work is required to properly model how polymer concentration and temperature affect CQAs.

Popular Abstract (Swedish)

Emulsioner är blandningar bestående av två olika vätskor (även kallade faser) som inte löser sig i varandra. Vanligtvis består den ena vätskan av någon typ av olja och den andra vätskan vanligtvis av vatten. Bägge faserna kan även bestå av andra vätskor eller fasta ämnen som är lösliga i antingen vattnet eller oljan. Om emulsionen är utformad så att oljan är fördelad i små droppar i vattnet, så kallas emulsionen för en olja-i-vatten emulsion. Vattnet är då vad som kallas den kontinuerliga fasen och oljan kallas den dispersa fasen.
Emulsioner är ofta vad som kallas semisolida material, så som krämer, lotioner och majonnäs. Detta innebär att materialet har både fasta och flytande egenskaper. Detta blir tydligt när man trycker ut en klick hudkräm från en tub på handen. Då kan krämen nästan rinna ut ur tuben, likt en vätska, men så snart den stannar tar den formen av en typisk klick hudkräm och kommer inte rinna mer efter det, likt ett fast material. När man sedan smetar ut hudkrämen på handen känns den flytande igen, och ger en enkel och len känsla på huden. Det är precis så man vill att en hudkräm ska bete sig, men detta innebär att det inte är helt enkelt att beskriva emulsionens egenskaper.
Emulsioner används som beredningsform för läkemedel då det gör det enkelt att ta rätt mängd och applicera det på rätt plats. Dessutom kan läkemedlet då ha goda kosmetiska egenskaper, vilket underlättar användandet. Dessvärre är emulsioner termodynamiskt instabila, vilket innebär att det är energimässigt gynnsamt för de två faserna att separera. Faserna vill inte vara blandade. Det finns fyra huvudsakliga mekanismer bakom separationen av de två faserna i en emulsion: gräddsättning, flockulering, koalescens och Ostwald-mognad (Ostwald ripening). Då emulsionerna i detta projekt är mest känsliga för gräddsättning ligger fokus främst på denna mekanism. Gräddsättning innebär att dropparna i oljefasen stiger mot ytan, vilket lämnar vattenfasen koncentrerad kvar i botten. Den drivande kraften för gräddsättning är densitetsskillnaderna mellan vatten och olja, där oljan är lättare än vattnet. För ett läkemedel som är upplöst i vattenfasen kommer detta innebära att koncentrationen av läkemedlet blir högre i botten av behållaren och lägre i toppen, vilket innebär risk för både över- och underdosering vid användning.
Stabiliteten för en emulsion kan däremot påverkas på olika sätt. Gräddsättning kan exempelvis påverkas genom att öka viskositeten, det interna motståndet mot flöde, för den kontinuerliga vattenfasen. Viskositeten kan ökas genom att tillsätta ett förtjockningsmedel i den kontinuerliga fasen. Inom matlagning är det vanligt att använda exempelvis majsstärkelse för att göra en tjockare sås och inom läkemedel är det i stället vanligt att tillsätta en förtjockare som kallas karbomer. Karbomerer är utmärkta förtjockningsmedel och är därmed utbrett använda. Dessvärre är dessa klassificerade som mikroplaster enligt UNEP (United Nations Environment Programme) och kan vara skadliga för miljön. I detta projekt har i stället en biologiskt nedbrytbar förtjockare producerad från cellulosa använts och utvärderats som substitut till karbomerer.
Genom att öka viskositeten för den kontinuerliga vattenfasen blir det svårare för oljedropparna att stiga i lösningen. Flera andra attribut kan komma att påverka både stabiliteten av emulsionen och känslan av att använda produkten. Dessa attribut kallas för kritiska kvalitetsattribut och beskriver bland annat fysiska och kemiska attribut/egenskaper som är essentiella för produktens kvalitet. Vid tillverkningsprocessen för en emulsion finns flera tillverkningssteg som kan ha en drastisk påverkan på de kritiska kvalitetsattributen, så kallade kritiska processparametrar. Precis som när man bakar en kaka är det inte bara ingredienserna som bestämmer hur resultatet blir, utan hur hårt äggen är vispade, temperaturen i ugnen, tiden i ugnen, etcetera. På samma sätt som dessa steg är essentiella för både smak, saftighet och den totala upplevelsen för kakan, så finns det kritiska processparametrar som är essentiella för stabilitet och kosmetiska egenskaper för en läkemedelskräm. Detta arbete kommer att undersöka hur homogenisering, temperatur under tillverkning och förtjockarens kvalitet kan påverka den slutgiltiga produkten. Homogenisering är den process som fördelar oljefasen i den kontinuerliga vattenfasen och effekten beror på vid vilken hastighet som homogeniseringen utförs. Förtjockarens kvalitet kommer undersökas genom att variera mängden som tillsätts i ett försök att efterlikna minskad effekt. Temperaturen varieras då den exempelvis kan påverka förtjockarens effekt.
I detta arbete har en experimentell metod, faktorförsök, använts för att utvärdera hur de tre olika processparametrar påverkar emulsionen. De tre parametrarna är temperatur under tillverkning, intensiteten av homogeniseringen och variationer i förtjockarens kvalitet. Med denna metod kan man med få försök observera hur de enskilda faktorerna påverkar kvalitetsattributen, samt hur olika faktorer påverkar varandra, så kallade samverkanseffekter från faktorerna. Modeller har även skapats från resultaten för att kunna ge en komplett bild av hur dessa parametrar påverkar emulsionen i hela försöksområdet. Detta har gjorts för att försöka skapa en process som är robust, och identifiera de processteg som är viktiga att hålla god koll på. Man vill ju ha samma kaka varje gång.

• author: Pontén, Carl
• supervisor: Marie Wahlgren; Anna Karin Morén
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.)
• course: KLGM15 20231
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Rheology, Texture analysis, Viscometry, Semisolids, Design of Experiments, Critical Process Parameters, Critical Quality Atttibutes, Pharmaceutical Technology
• language: English
• id: 9146443
• date added to LUP: 2024-01-23 12:44:25
• date last changed: 2024-01-23 12:44:25