Mathematical modelling of drug release from lipid based FluidCrystal® systems

Abstract

In recent years, long-acting drugs have emerged as a significant advancement in the treatment of chronic
diseases. Camurus is a pharmaceutical company specializing in this area, with products based on
FluidCrystal® technology—a lipid-based injectable drug delivery technology that, upon contact with
water or physiological fluids, undergoes a phase transition into a liquid crystalline gel depot. Drug
release from the depot is governed by a combination of diffusion and surface erosion. In vivo, surface
erosion is driven by enzymatic degradation, while in vitro, surfactants are used to mimic this process.

Mathematical modelling has become an increasingly valuable tool in drug delivery research, offering a
way to reduce experimental workload and optimize formulation development. The aim of this thesis is
to improve understanding of the release behavior of the FluidCrystal® technology by developing a
mathematical model based on a modified version of the diffusion–erosion model proposed by Stiepel
et al., specifically adapted to describe surfactant-dependent in vitro release.

A new erosion model inspired by the Nernst–Brunner equation was developed, incorporating both time-
dependent surface area, a solubility term dependent on surfactant concentration and agitation dependent
mass transfer. The model was successfully implemented and showed good predictive performance
across depots of varying sizes. Its core parameters—the mass transfer coefficient and the initial
solubility—were further estimated under different experimental conditions to allow prediction under
varying formulation and agitation setups. The resulting model can support formulation development by
enabling prediction of release profiles under different laboratory conditions, potentially reducing
experimental workload. The model provides Camurus with a broader understanding of their in vitro
release behavior.

Popular Abstract (Swedish)

Långverkande läkemedel har blivit allt viktigare i behandlingen av kroniska sjukdomar då det minskar
behovet av frekvent dosering och kan på så sätt förbättra livskvaliteten hos patienter. Camurus är ett
läkemedelsföretag i Lund som utvecklar sådana läkemedel med hjälp av sin FluidCrystal®-teknologi.
Det är en injicerbar formulering som bildar en gel när den kommer i kontakt med vatten eller
kroppsvätska. I formuleringen kan aktiva substanser lösas upp som sedan inkapslas i depån när gelen
bildas. Substanserna frisätts sedan över en lång tid från depån när den bryts ner. Läkemedlet frisätts
genom två mekanismer: diffusion (där läkemedelsmolekyler rör sig ut från depån) och erosion (där
depån bryts ned och frigör läkemedlet). I kroppen sker erosionen främst via enzymer, medan man i
laboratoriemiljö istället tillsätter ytaktiva ämnen, så kallade surfaktanter, som imiterar nedbrytning som
sker i kroppen.

Syftet med detta examensarbete var att öka förståelsen av frisättningen från FluidCrystal®-teknologin
i laboratoriemiljö genom att utveckla en matematisk modell som kan förutsäga frisättningen beroende
på depåstorlek, mängden tillsatta surfaktanter och omrörningshastighet. Modellen bygger på tidigare
forskning där en modell som förklarar läkemedelsfrisättning genom både diffusion och erosion
utvecklades. I detta arbete har denna modell vidareutvecklats genom att anpassas till att ta hänsyn till
att erosionen är beroende av tillsatta surfaktanterna i lösningsmedlet. Modellen testades med data från
flera olika experiment, där depåstorlek och mängden surfaktant varierades. Modellens parametrar
estimerades via numeriska dataanalyser i Python och visade goda resultat. För att optimera modellen
och göra den mer realistisk utfördes ett antal experiment för att ta fram experimentella parametervärden.

Studien visar att modellen har bra kapacitet att kunna beskriva frisättningen, men på grund av
misslyckade experiment kunde diffusion inte inkorporeras i modellen. Modellen kan därför enbart
beskriva frisättningen som sker via erosion, men trots bristen på diffusion visar modellen fortfarande
en god förmåga att förutspå frisättningen. Resultatet kan i framtiden ge Camurus en större förståelse för
hur olika förhållanden i experimenten påverkar frisättning, och modellen kan användas för att förutspå
frisättning vid förändrade experimentella förhållanden.

• author: Gullberg, Elias
• supervisor: Stephen Burleigh; Nils Ove Gustafsson
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.); Biotechnology (MSc); Biotechnology (M.Sc.Eng.)
• course: KLGM16 20251
• year: 2025
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Mathematical Modeling, Surface Erosion, Drug Release, In Vitro Release, Liquid Crystal, Diffusion, Surfactants, Controlled Drug Delivery, Pharmaceutical Formulation
• language: English
• id: 9202380
• date added to LUP: 2025-06-23 10:47:11
• date last changed: 2025-06-23 10:47:11