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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-48144
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4814/


Characterization of different shellac types and development of shellac coated dosage forms

Charakterisierung verschiedener Schellacksorten und Entwicklung schellacküberzogener Arzneiformen

Farag, Yassin

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SWD-Schlagwörter: Schellack, Naturstoff, Wirkstofffreisetzung, Kontrollierte Wirkstofffreisetzung, Auflösung, Pellet, Wirbelschicht
Freie Schlagwörter (Deutsch): Wurster Verfahren, Glasübergangstemperatur, Magensaftresistenz, Sustained Release
Freie Schlagwörter (Englisch): shellac, fluid bed, film coating, enteric coating, sustained relaese, drug release, dissolution, gastric resistance
Basisklassifikation: 58.28
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Leopold, Claudia Sabine (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.10.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 15.10.2010
Kurzfassung auf Englisch: Shellac is the purified product of the natural material lac which is secreted by the small parasitic insect Kerria Lacca on various host trees in India, Thailand and South-eastern Asia. Shellac is non-toxic, physiologically harmless and therefore listed as GRAS by the FDA. This status allows its use in food products such as coating for citrus fruits or confectionaries. Besides its use in the color industry this is its main application.

Shellac for pharmaceutical applications is usually obtained by solvent extraction. With a careful selection of the raw material this refining process allows the production of shellac types with reproducible quality. However, this refining process results in shellac in its acid form which undergoes aging. This aging process leads to changes in the material properties and is the main reason for the decline in pharmaceutical applications.
Since the introduction of aqueous ammoniacal solutions shellac has regained importance. Aqueous solutions are easy to handle and allow the production of films that lack the aging instability.

In the present work different shellac types and batches were characterized with regard to their physicochemical properties and drug release from shellac-coated dosage forms. It could be shown that the samples differed significantly in their material properties and aging behavior as well as in the drug release profiles of the coated dosage forms. Besides the origin especially the age of the samples could be identified as a critical factor.

Subsequently, the influence of the aging process on the material properties was investigated. Therefore, shellac samples were artificially aged by thermal stress. Aim of this study was the identification of a suitable parameter for the detection of aged shellac. The determination of the acid value, which is required by the pharmacopoeias for the chemical characterization of shellac, was found to be unsuitable for this purpose. It could be shown, that the glass transition temperature is a more sensitive indicator for the detection of aged shellac.

Furthermore, the influence of process parameters during the production of shellac-coated dosage forms was investigated. It could be shown that the inlet air temperature of the fluid bed coating process has a large influence on the quality of the final product. Whereas high inlet air temperatures led to continuous coating films, a reduction of the temperature resulted in cracks in the coating film and thus a loss of film integrity with most samples. The temperature sensitivity of the coating process was found to be different for the investigated shellac types.

Finally, a new concept for the formulation of shellac-coated sustained release formulations is presented. A subcoat containing different substances that interact with shellac was applied to drug pellets which were subsequently coated with shellac. It could be shown that the application of modifying subcoats is an effective means to obtain sustained release from shellac-coated formulations The choice of a suitable substance and concentration allows tailor-made release profiles.

Shellac is a very interesting material with a broad spectrum of applications. However, different shellac types may differ widely in their material properties. These differences are even more pronounced with aged shellac. This variability in the physicochemical and mechanical properties also affects the processibility of the material and has to be considered if shellac is used in pharmaceutical applications.
However, due to its regulatory status shellac may be of interest for coating applications especially for food products where the use of other coating materials is not allowed. Hence, the subcoat formulations presented in this work offer an interesting approach for the development of sustained release drug and dietary supplement formulations.
Kurzfassung auf Deutsch: Schellack ist die aufgereinigte Form des Harzes Lac, welches von dem kleinen, parsisitischen Insekt Kerria Lacca auf verschiedene Wirtsbäume in Indien, Thailand und Südostasien sezerniert wird. Schellack ist ungiftig, physiologisch gut verträglich und deshalb als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz als Überzugsmittel für Lebensmittel wie Zitrusfrüchte und Süßwaren, worin Schellack neben der Verwendung in der Farbindustrie seine Hauptanwendung findet.

Schellack für pharmazeutische Anwendungen wird überwiegend durch Lösemittelextraktion gewonnen. Bei einer sorgfältigen Auswahl der Rohmaterialien erlaubt es dieses Aufreinigungsverfahren Schellack mit gleichbleibender Qualität herzustellen. Endprodukt dieses Verfahrens ist jedoch Schellack in seiner Säureform, die einem Alterungsprozess unterliegt. Dieser Alterungsprozess führt zu Veränderungen in den Materialeigenschaften, was einer der Hauptgründe dafür ist, dass die Verwendung von Schellack in pharmazeutischen Anwendungen stark zurückgegangen ist.
Seit der Einführung wässrig-ammoniakalischer Lösungen konnte Schellack wieder Bedeutung gewinnen. Wässrige Schellacklösungen lassen sich leicht verarbeiten und daraus hergestellte Filme zeigen nur geringe Alterungserscheinungen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Schellacksorten und -chargen hinsichtlich ihrer physikochemischen Eigenschaften sowie der Wirkstofffreisetzung aus schellack-überzogenen Arzneiformen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die einzelnen Proben sowohl stark in ihren Materialeigenschaften und ihrem Alterungsverhalten als auch in den Wirkstofffreisetzungsprofilen der überzogenen Arzneiformen unterschieden. Neben dem verschiedenen Ursprung wurde dabei vor allem das Alter der Schellackprobe als kritischer Faktor identifiziert.

Im Folgenden wurde geklärt, welchen Einfluss der Alterungsprozess auf die Materialeigenschaften hat. Dazu wurden Schellackproben unter Stressbedingungen künstlich gealtert. Im Rahmen dieser Untersuchung sollte eine geeignete Kenngröße gefunden werden, um gealterten Schellack zu erkennen. Die Säurezahl, die vom Arzneibuch als einzige Kennzahl für die chemische Charakterisierung gefordert wird, hat sich dabei als ungünstig erwiesen. Es konnte gezeigt werden, dass die Glasübergangstemperatur einen viel empfindlicheren Indikator für die Erkennung von gealtertem Schellack darstellt.

Des Weiteren wurde der Einfluss von Prozessparametern bei der Herstellung schellacküberzogener Arzneiformen untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Einlasstemperatur beim Überzugsprozess einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der überzogenen Arzneiform hat. Während bei hohen Temperaturen intakte Überzüge hergestellt werden konnten, führte eine Absenkung der Temperatur bei den meisten Proben zur Ausbildung von Rissen im Überzug und damit zu einem Verlust der Filmintegrität. Es stellte sich heraus, dass die Temperaturabhängigkeit des Überzugsprozesses stark von der verwendeten Schellacksorte abhängt.

Schließlich wurde ein neues Konzept zur Entwicklung schellacküberzogener Retardarzneiformen entwickelt. Arzneistoffpellets wurden mit einem Zwischenüberzug versehen, der verschiedene Substanzen enthielt, die mit Schellack wechselwirken. Anschließend wurden die Pellets mit Schellack überzogen. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung modulierender Zwischenüberzüge eine effektive Methode ist, eine verlängerte Wirkstofffreisetzung mit schellack-überzogenen Arzneiformen zu erhalten. Durch die Auswahl der entsprechenden Substanz und deren Konzentration können auf diese Weise Arzneiformen mit maßgeschneiderten Freisetzungsprofilen hergestellt werden.

Schellack ist ein Material mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Einzelne Schellacksorten können sich jedoch deutlich in Ihren Eigenschaften unterscheiden. Diese Unterschiede sind umso stärker ausgeprägt je älter die Schallackproben sind. Diese Variabilität in den Materialeigenschaften beeinflusst auch die Verarbeitbarkeit des Materials und muss bei der Verwendung von Schellack in Arzneiformen berücksichtigt werden.
Im Gegensatz zu den meisten anderen Überzugsmaterialien ermöglicht der Status als Lebensmittelzusatzstoff eine Anwendung von Schellack in Lebensmitteln. Die in dieser Arbeit vorgestellten Retardformulierungen eröffnen daher einen interessanten Ansatz für die Entwicklung verlängert freisetzender Arzneiformen und Nahrungsergänzungs-mittel.

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