Akışkanlaştırma rejimlerinin ve kaplama işleminin aljinat aerojeller için wurster akışkan yatağında incelenmesi

Aerojeller, yüksek poroziteli, açık ve bağlantılı gözenekli ve geniş yüzey alanlı katı malzemelerdir. Son on yılda, aerojellerin gözenekli yapısı ile bir kaplama malzemesinin morfolojik, mekanik ve fonksiyonel özelliklerinin kombinasyonunun farklı uygulamalar için olağanüstü performanslar sağladığı görülmüş ve bu da aerojellerin kaplamaları ile ilgili araştırma sayılarında artışa neden olmuştur. Bu çalışmada, kaplama işlemi yüksek poroziteli aljinat aerojeller için laboratuvar ölçekli Wurster akışkan yatağında incelenmiştir. Bu çalışmanın ilk kısmında, akışkanlaştırma rejimleri iki farklı parçacık boyutuna sahip aljinat aerojeller için Wurster akışkan yatağının hem tüp hem de dairesel bölgesinde püskürtme olmaksızın karakterize edilmiştir. Her iki parçacık boyutu için minimum akışkanlaştırma ve kabarcıklanma rejimeleri her iki bölgede de görülürken, pnömatik rejim sadece tüp bölgesinde görülmüştür. Yeni bir rejim olarak yatay-dairesel rejim, büyük parçacıklar için tüp bölgesinde tanımlanmıştır. Yatağın içerisinde çalkantılı ve dolaşımlı parçacık hareketi rejimleri olmak üzere iki tane daha rejim vardı. Tüm akışkanlaştırma rejimleri daha sonra Kunii and Levenspiel diyagramlarında haritalandırılmıştır. Dolaşımlı parçacık hareketi bu diyagramlarda ilk kez verilmiştir.Bunun yanı sıra, parçacık boyutunun, parçacık hacminin, Wurster tüp boyutlarının, delikli plaka geometrisinin ve bölme boşluk yüksekliğinin, her bir akışkanlaştırma rejimin sınırlarına etkisi, yüzeysel hava hızlarının her rejimin başlangıç ve bitiminde ölçülmesi ile incelenmiştir. Genel olarak, parçacık boyutunun ve bölme boşluk yüksekliğinin arttırılması, her rejimin başlangıç ve bitiş yüzeysel hava hızlarında bir artışa yol açmıştır. Artan tüp çapı ve boyutu, pnömatik, çalkantılı ve dolaşımlı parçacık hareketi rejimlerinin başlangıç ve bitiş yüzeysel hava hızlarını artmıştır. Artan parçacık hacmi küçük parçacıklar için kabarcıklanma ve pnömatik rejimlerinin bitiş yüzeysel hava hızlarında, çalkantılı ve dolaşımlı parçacık hareketi rejimlerinin başlangıç hızlarında bir artışa neden olmuştur. Kabarcıklanma, çalkantılı ve pnömatik rejimlerinin başlangıç ve bitişinde, 400 ml büyük parçacık hacmi için yüzeysel hava hızları, 200 ml büyük parçacık hacmi için yüzeysel hava hızlarından büyüktü. Bu kısımda, başarılı bir kaplama işlemi için istenilen dolaşımlı parçacık hareketi rejimi detaylı olarak incelenmiştir. Sonuçlar, her bir parametre için dolaşımlı parçacık hareketini elde edebilmek için bir üst limit olduğunu göstermiştir. Uygun parçacık dolaşımı için, bölme boşluk yüksekliğinin 2 cm olması gerektiği bulunmuştur. Maksimum parçacık hacmi 10 cm çaplı tüp için 500 ml olarak bulunurken maksimum parçacık hacmi 8 cm çaplı tüp için 250 ml idi. Bu çalışmanın ikinci kısımında, aljinat aerojel parçacıkları sulu bir polimer çözeltisi ile Wurster akışkan yatağında gözeneklerine zarar verilmeden başarılı bir şekilde kaplanmıştır. Polimer, bir hidroksipropil selüloz (HPC) ve kopovidon karışımıdır ve genelde farmasötik dozaj formlarının koruyucu kaplamaları için kullanılır. Kaplama zamanı, yatak sıcaklığı, atomizasyon hava basıncı ve polimer reolojisi ile aljinat aerojellerin etrafındaki kaplama tabakasının kalınlığında ve kaplama tabaka yüzey morfolojisinde meydana gelen değişimler ilk kez incelenmiştir. Ayrıca, kaplama polimerinin ve kaplama polimerini oluşturan bireysel HPC ve kopovidon çözeltilerinin farklı sıcaklıklardaki faz ve reoloji davranışları, aerojeller üzerine yapışma ve yayılım mekanizmalarını anlayabilmek için çalışılmıştır. Değişik deneyler, üç farklı yatak sıcaklığında ve atomizasyon hava basıncında yapılmıştır. Kaplama zamanı her deney için 5 dakika ile 40 dakika arasında ve kaplama tabaka kalınlığı 12.4 ± 4.6 µm ile 170.6 ± 43.3 µm arasında değişmiştir. En düzgün kaplama tabaka yüzeyi ve en yüksek kaplama verimi 69.2 ± 0.4 % olarak doğrusal artan bir kaplama tabaka kalınlığı ile 50 °C ve 1.7 bar'da elde edilmiştir. Atomizasyon hava basıncındaki 1.5 bar'dan 1.7 bar'a bir artış, hava düzgün bir kaplama tabaka yüzeyine neden olmuştur. 1.7 bar'da, yüksek bir ortalama kaplama polimer çözeltisi damlacık hızı, dar bir damlacık parçacık boyut dağılımı ile homojen bir yayılmaya ve kaplama tabaka kalınlığında daha az değişimlere sebep olmuştur. Yatak sıcaklığı değişiminin, kaplama tabaka kalınlığında atomizasyon hava basıncına daha önemli değişikliklere neden olduğu bulunurken, atomizasyon hava basıncı kaplama tabakasının yüzey morfolojisini büyük ölçüde etkilemiştir. Son olarak, ilaç yüklü ve yüksüz aljinat aerojel parçacıkları Wurster akışkan yatağı kullanılarak başarılı bir şekilde enterik metakrilik asit-etil akrilat kopolimer sulu polimer çözeltisi ile kaplanmıştır. Koruyucu kaplamada elde edilen optimize edilmiş koşullara dayanarak, yüksüz aerojeller için atomizasyon hava basıncı 1.7 bar olarak belirlenmiştir. Parçacık kırılmasını önlemek ve kaplama tabaka kalınlığında bir artış sağlamak için, atomizasyon hava basıncı kaplama işlemi boyunda ilaç yüklü aerojeller için 1.3 bar ve 1.5 bar arasında değiştirilmiştir. En yüksek kaplama polimer kalınlığı yüksüz aerojeller için 50 ± 5 μm idi ve 50 dakika içerisinde ulaşılırken ilaç yüklü aerojeller için kaplama tabaka kalınlığı 3 saat içerisinde 83.8 ± 11.9 μm'a ulaştı. Her iki ilaç yüklü ve yüksüz aerojeller için, boncuk ve lif yapılı iki farklı kaplama yüzey morfolojisi kaplama yüzeyinde görüldü. Reoloji deneyleri, kaplama polimerinin geniş bir frekans aralığında stabil kaldığını ve viskozitesinin uygulanan atomizasyon hava basıncında alt Newtonian bölgesinde neredeyse sabit kaldığını göstermiştir. Öyleyse, farklı atomizasyon hava basınçlarında farklı kaplama mekanizmaları, boncuk ve iplik yapılı yüzey morfolojilerine neden olmuş olabilir. Daha sonra, ilaç yüklü ve kaplı aerojeller ilaç taşıyıcıları olarak incelenmiştir. Model ilaç olarak ibuprofen kullanılmış ve kaplamalı ve kaplamasız aerojellerden asit ve baz ortamlarında salınımı incelenmiştir. Literatürde ilk kez, asit ortamında ibuprofen salınımının uygun kaplama tabaka kalınlığına sahip kaplama polimerinin ve aljinat asit tabasının sinerjik etkisi ile engellendiği gösterilmiştir. Baz ortamda, kaplı ve kaplamasız aerojeller kristal ibuprofenin salınım profiline kıyasla farklı profiller sağlamıştır. Enterik kaplı aerojeller salınım oranında bir azalmaya yol açarken, ibuprofen salınımı kaplamasız aerojeller ile arttırılmıştır.