Electrospray scale-up for the production of particles of pharmaceutical interest

Abstract

Hem estudiat les condicions que permeten una nebulització robusta en fileres lineals d'electrosprays en les que el contra-elèctrode es troba lluny en comparació amb la separació entre emissors. En el nostre disseny, els tubs emissors sobresurten d'una placa posterior, y el contra-elèctrode és una placa plana col·lectora connectada a un alt voltatge negatiu. Addicionalment, elèctrodes situats en els dos extrems de la filera permeten obtenir condicions de camp elèctric uniforme, alhora que eviten l'aparició de descàrregues elèctriques gasoses. Demostrem que aquesta geometria és escalable indefinidament, per a diferents configuracions geomètriques y condiciones de operació. Aquesta conclusió està d'acord amb càlculs de camp elèctric en configuracions senzilles. Hem emprat aquest mateix equip d'electrospray per generar micro/nano partícules polimèriques carregades amb curcumina, un principi farmacèutic actiu. Una dissolució etanòl·lica de curcumina y un polímer altament hidròfil, la polivinilpirrolidona (PVP), ha estat nebulitzada y assecada mitjançant una filera d'electrosprays. Així s'han obtingut partícules esfèriques de PVP-curcumina de 0.5 μm de mida mitjana, que poden millorar la solubilitat aquosa de la curcumina. Per a facilitar la recol·lecció d'aquestes hem implementat un elèctrode de deflexió horitzontal que imposa periodicitat als esprais y a les regions de recol·lecció de partícules. A més, descrivim per primer cop la recol·lecció continua de partícules per electrospray damunt substrats de paper en condicions ambient. Finalment, basant-nos en la idea de l'ús del paper com substrat recol·lector, hem desenvolupat un dispositiu de impressió per doll electrohidrodinàmic (EHD) per a la deposició de línies de proteïnes damunt tires de nitrocel·lulosa. En col·laboració amb biòlegs de la mateixa universitat, hem aconseguit imprimir un biosensor colorimètric de flux lateral para la detecció de seqüències de ADN específiques del virus del papil·loma humà.

Hemos estudiado las condiciones que dan lugar a una nebulización robusta en hileras lineales de electrosprays, en las que el contra-electrodo se encuentra lejos en comparación con la separación entre emisores. En nuestro diseño, los tubos emisores sobresalen de una placa posterior, y el contra-electrodo es una placa plana colectora conectada a un alto voltaje negativo. Adicionalmente, electrodos situados en los dos extremos de la hilera permiten obtener condiciones de campo eléctrico uniforme, a la vez que evitan la aparición de descargas eléctricas gaseosas. Demostramos que esta geometría es escalable indefinidamente, para distintas configuraciones geométricas y condiciones de operación. Esta conclusión está de acuerdo con cálculos del campo eléctrico en configuraciones sencillas. Hemos usado este mismo equipo de electrospray para generar micro/nano partículas poliméricas cargadas con curcumina, un principio activo farmacéutico. Una solución etanólica de curcumina y un polímero altamente hidrófilo, la polivinilpirrolidona (PVP), ha sido nebulizada y secada mediante una hilera de electrosprays. Así se han obtenido partículas esféricas de PVP-curcumina de 0.5 μm de tamaño promedio, que pueden mejorar la solubilidad acuosa de la curcumina. Para facilitar la recolección de las partículas producidas, hemos implementado un electrodo de deflexión horizontal que impone periodicidad a los sprays y las regiones de recolección de partículas. Además, describimos por primera vez la recolección continua de partículas por electrospray sobre substratos de papel a condiciones ambiente. Finalmente, basándonos en la idea del uso del papel como sustrato recolector, hemos desarrollado un dispositivo de impresión por chorro electrohidrodinámico (EHD) para la deposición de líneas de proteínas sobre tiras de nitrocelulosa. En colaboración con biólogos de la misma universidad, hemos conseguido imprimir un biosensor colorimétrico de flujo lateral para la detección de secuencias de ADN específicas del virus del papiloma humano.

We have studied the conditions leading to robust spraying in linear arrays of electrosprays in which the counter electrode is far compared to the inter-emitter separation. In our design, a row of emitter tubes protrude out of a backplate, and the counter electrode is a flat collector plate set at a high negative potential. In addition, electrodes at both ends of the array enable uniform electrical field conditions, while preventing electrical gaseous discharges. We show that this geometry is scalable without bound under different geometrical configurations and operation conditions. This conclusion is in agreement with electric field computations in simplified geometries. The same electrospray setup has been used to generate polymer micro/nano particles loaded with curcumin as an active pharmaceutical ingredient (API). An ethanol solution of curcumin and a highly hydrophilic polymer, polyvinylpyrrollidone (PVP), has been electrospray dried using the linear electrospray array. The result has been PVP-curcumin spherical particles of 0.5 μm average size, for improving curcumin water solubility. To facilitate the collection of the produced particles a horizontal deflection electrode has been implemented to enforce periodicity in the sprays and the particle collections spots. Also first reported here is the continuous collection of electrosprayed particles onto paper substrates at ambient conditions. Finally, based on the idea of paper as substrate material, a single emitter electrohydrodynamic (EHD) jet printing device has been developed for the deposition of protein lines onto nitrocellulose strips. Through a collaboration with a biology group from the same university we have successfully printed a lateral flow assay biosensor that gives colorimetric signal upon the detection of the specific DNA sequence of human papilloma virus.