توصيفگر ها :
مدلسازي ترموديناميكي , مدلسازي سينتيكي , سيال فوق بحراني , دي اكسيد كربن , نانوذرات دارويي , ضد سرطان , كوركومين
چكيده فارسي :
با وجود توسعه هزاران تركيب دارويي طي دهههاي اخير، تنها بخش كوچكي از آنها به مرحله توليد و تجاريسازي ميرسند. يكي از چالشهاي اصلي در مسير توسعه دارو، حلاليت ضعيف بسياري از تركيبات دارويي در آب است. آمارها نشان ميدهد بيش از 40 درصد داروهاي موجود در بازار، بهويژه تركيبات زيستفعال، از حلاليت آبي بسيار پاييني برخوردارند كه اين امر منجر به جذب ضعيف در بدن و كاهش كارايي درماني آنها ميشود. يكي از رويكردهاي مؤثر در بهبود اين مشكل، كاهش اندازه ذرات دارو تا مقياس نانو است. كاهش اندازه ذرات موجب افزايش چشمگير سطح تماس، بهبود حلاليت و زيستدسترسي، كاهش دوز مصرفي، كاهش عوارض جانبي و در نتيجه كاهش هزينه نهايي درمان ميشود. با اين حال، روشهاي سنتي كاهش اندازه ذرات داراي محدوديتهايي از جمله استفاده از حلالهاي آلي و افزايش دما هستند كه ميتواند ساختار دارو را تخريب كند. در سالهاي اخير، استفاده از فناوري سيالات فوق بحراني بهويژه دياكسيدكربن فوق بحراني، بهعنوان يك ضدحلال در فرايند توليد نانوذرات، مورد توجه فراوان قرار گرفته است. اين فناوري قادر است ذراتي با اندازه ريز، توزيع اندازه يكنواخت و عاري از حلال توليد كند.در اين پژوهش، با هدف توليد نانوذرات كوركومين (يك تركيب زيستفعال با خواص ضدسرطان، ضدالتهاب و آنتياكسيداني)، از روش ضدحلال گازي استفاده شد. ابتدا مدلسازي ترموديناميكي سيستم با استفاده از معادله حالت پنگ-رابينسون و روابط حاكم براي محاسبه تعادل بخار-مايع و پارامترهاي سيستم انجام شد تا محدودههاي عملياتي مناسب جهت انجام آزمايشها تعيين گردد. سپس طراحي آزمايشها بر اساس روش باكس-بنكن(Box-Behnken) انجام شد تا اثر متقابل متغيرهاي مختلف بهصورت سيستماتيك بررسي گردد. شش پارامتر كليدي شامل دما (308، 328 و 348 كلوين)، فشار (12، 18 و 24 مگاپاسكال)، دبي تزريق ضدحلال (10، 50 و 90 ميليليتر بر دقيقه)، غلظت اوليه حلشونده (5، 35 و 65 ميليگرم بر ميليليتر)، سرعت همزن (500، 1500 و 2500 دور بر دقيقه) و نوع حلال (اتانول و ديمتيلسولفوكسيد) مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج تجربي نشان داد كه افزايش فشار و افزايش دبي تزريق ضدحلال منجر به كاهش ميانگين اندازه ذرات شد، در حالي كه افزايش دما و غلظت اوليه حلشونده تأثير معكوس داشته و اندازه ذرات را افزايش داد. همچنين مشخص شد كه نوع حلال تأثير قابل توجهي بر اندازه نهايي ذرات دارد، بهطوريكه اندازه متوسط ذرات توليدشده با استفاده از اتانول بهعنوان حلال برابر با 81 نانومتر و با استفاده از DMSO برابر با 230 نانومتر بود. اين نتايج نشاندهنده اثربخشي بالاي فرايند ضدحلال گازي در كاهش اندازه ذرات كوركومين از حدود 28±1 ميكرومتر در نمونه اوليه به محدوده نانومتر است. براي تحليل دقيقتر رفتار سيستم و استخراج پارامترهاي سينتيكي، مدلسازي سينتيكي فرايند با استفاده از معادلات موازنه جرم و موازنه جمعيت انجام شد. حل عددي معادله موازنه جمعيت با تركيب روشهاي كرانك-نيكلسون و لاكس-واندروف صورت گرفت تا توزيع اندازه ذرات در شرايط مختلف بهدست آيد. با بهينهسازي پارامترهاي سينتيكي و مقايسه نتايج مدل با دادههاي آزمايشگاهي، صحت مدلسازي تاييد گرديد و نشان داده شد كه مدل قادر به پيشبيني روند فرايند در شرايط مختلف ميباشد. براي بررسي ويژگيهاي نانوذرات توليدشده، آناليزهاي FESEM، DLS، XRD، DSC، FTIR و HPLC انجام شد. نتايج اين آناليزها نشان داد كه نانوذرات توليدشده داراي ساختاري يكنواخت، اندازه نانومتري و خلوص مناسب هستند. در نهايت، براي ارزيابي كارايي عملكردي نانوذرات، آزمون انحلال برونتني انجام شد. نتايج اين آزمون حاكي از افزايش قابل توجه نرخ انحلال نانوذرات در مقايسه با نمونه اوليه بود، بهطوريكه نانوذرات توليدشده در حلال اتانول و DMSO بهترتيب داراي نرخ انحلال 3.3 و 2.4 برابر بيشتر از كوركومين اوليه بودند. اين بهبود چشمگير را ميتوان به اندازه نانومتري و كاهش بلورينگي ذرات نسبت داد.
چكيده انگليسي :
Despite the development of thousands of pharmaceutical compounds in recent decades, only a small fraction of them reach the stage of production and commercialization. One of the major challenges in drug development is the poor aqueous solubility of many active pharmaceutical ingredients (APIs). Statistics show that over 40% of marketed drugs—especially bioactive compounds—have low water solubility, leading to poor absorption and reduced therapeutic efficacy. A widely used strategy to overcome this limitation is reducing the particle size of drugs to the nanoscale. Nanonization significantly increases surface area, enhances solubility and bioavailability, reduces the required dose and side effects, and ultimately lowers treatment costs. However, conventional size reduction techniques have limitations, including the use of organic solvents and elevated temperatures, which may compromise the structural integrity of the drug. In recent years, supercritical fluid technology—particularly supercritical carbon dioxide—has gained attention as an effective antisolvent method for producing drug nanoparticles. This technology enables the formation of fine, uniform, and solvent-free particles. In this study, gas antisolvent (GAS) precipitation was employed to produce curcumin nanoparticles, a bioactive compound with anti-cancer, anti-inflammatory, and antioxidant properties. First, thermodynamic modeling of the system was carried out using the Peng–Robinson equation of state and vapor–liquid equilibrium relations to determine the appropriate operating range. Experimental design was then performed investigate the interaction effects of six key variables: temperature, pressure, antisolvent flow rate, initial solute concentration, stirring rate, and solvent type (ethanol and dimethyl sulfoxide). Experimental results showed that increasing pressure and antisolvent flow rate led to smaller particle sizes, while higher temperature and solute concentration increased particle size. Solvent type significantly influenced the final particle size, with ethanol producing smaller nanoparticles (~81 nm) compared to DMSO (~230 nm). The GAS process was shown to be highly effective in reducing curcumin particle size from approximately 28 ± 1 μm to the nanometer range. To analyze system behavior and extract kinetic parameters, kinetic modeling was performed using mass balance and population balance equations. Numerical solutions were obtained using a combination of Crank–Nicolson and Lax–Wendroff methods to simulate the particle size distribution under various conditions. Characterization of the produced nanoparticles using FESEM, DLS, XRD, DSC, FTIR, and HPLC confirmed their uniform morphology, nanoscale size, and high purity. Finally, in vitro dissolution testing revealed a significant improvement in dissolution rate compared to the original sample. Specifically, the nanoparticles prepared using ethanol and DMSO exhibited 3.3- and 2.4-fold increases in dissolution rate, respectively. This enhancement is attributed to both the reduced particle size and decreased crystallinity of the processed samples.
