Controlled release of isoniazid by hybrid systems

de Carvalho Arjona, Jéssica (2025). Controlled release of isoniazid by hybrid systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Clays and polysaccharides have emerged as promising platforms for drug delivery due to their biocompatibility, tunable properties, and cost-effectiveness. This study investigates the potential of smectite clays and modified pullulan hydrogels as drug carriers for isoniazid (INH), a first-line treatment for tuberculosis. Seven natural and synthetic clays were characterized by XRF, XRD, FTIR, BET, and TGA to explore the relationship between pore volume, surface charge, and INH adsorption/release. The clay exhibiting an ideal pore volume (~0.100 cm³/g) displayed superior retention and sustained release in neural environment. Optimal adsorption (~115 mg/g) was achieved with montmorillonite at pH 2, where INH is positively charged and interacts more strongly with negatively charged clay surfaces. Comparative tests with Laponite, a hectorite clay type, revealed that surface charge and pore structure significantly influence both incorporation and release efficiency, with montmorillonite releasing less than 8% INH under simulated gastric conditions. Adsorption mechanisms varied with pH, transitioning from monolayer to multilayer regimes, which in turn influenced the release kinetics. Monolayer-loaded hybrids followed a zero-order release profile (R² > 0.93), offering steady and controlled delivery. Cytocompatibility tests confirmed the safety of the clay-based systems. In parallel, pullulan was functionalized with methacrylic anhydride to enable UV cross-linking, forming hydrogels with tunable swelling properties. The degree of functionalization was confirmed by H-NMR and FTIR. Crosslinking degree, confirmed by rheology, directly impacted the hydrogel swelling capacity and INH release profiles under gastrointestinal conditions (pH 7.4). The pullulan hydrogels demonstrated green-processing advantages and potential for sustained drug delivery. Together, these findings provide valuable insights into the design of advanced, pH-responsive drug delivery systems. By elucidating the interplay between material structure, drug state, and release behavior, this work supports the development of optimized carriers for tuberculosis therapy and highlights the complementary potential of natural clays and modified biopolymers in biomedical applications.

Titre traduit

Libération contrôlée de l’isoniazide pour les systèmes hybrides

Résumé traduit

Les argiles et les polysaccharides se démarquent comme des vecteurs prometteurs pour la libération contrôlée de médicaments, en raison de leur biocompatibilité, de leur polyvalence et de leur faible coût. Cette étude explore le potentiel des argiles smectites et des hydrogels de pullulane modifiée comme véhicules de libération de l’isoniazide (INH), un médicament de première ligne dans le traitement de la tuberculose. Sept argiles naturelles et synthétiques ont été caractérisées par FRX, DRX, FTIR, BET et TGA afin d’examiner la relation entre le volume des pores, la charge de surface et les mécanismes d’adsorption et de libération de l’INH. L’argile présentant un volume de pores optimal (~0,100 cm³/g) a montré une capacité supérieure de rétention et de libération prolongée en milieu neutre. L’adsorption maximale (~115 mg/g) a été observée avec la montmorillonite à pH 2, condition dans laquelle l’INH, chargée positivement, interagit plus fortement avec les surfaces argileuses chargées négativement. Des essais comparatifs avec la Laponite, une argile de type hectorite, ont démontré que la charge de surface et la structure poreuse influencent significativement l’efficacité d’incorporation et de libération, la montmorillonite libérant moins de 8 % de l’INH dans des conditions gastriques simulées. Les mécanismes d’adsorption ont varié selon le pH, passant d’une adsorption en monocouche à une adsorption en multicouches, ce qui a directement influencé la cinétique de libération. Les hybrides en monocouche ont suivi un profil de libération d’ordre zéro (R² > 0,93), assurant une libération régulière et contrôlée. Les tests de cytocompatibilité ont confirmé la tolérance cellulaire sécurité des systèmes à base d’argile. Parallèlement, la pullulane a été fonctionnalisée avec de l’anhydride méthacrylique, permettant une réticulation par UV et la formation d’hydrogels aux propriétés de gonflement modulables. Le degré de fonctionnalisation a été confirmé par H-NMR et FTIR, tandis que le degré de réticulation, évalué par rhéologie, a eu un impact direct sur la capacité de gonflement et les profils de libération de l’INH en conditions gastro-intestinales (pH 7.4). Les hydrogels de pullulane ont démontré des avantages en matière de procédés durables et un fort potentiel pour la libération prolongée de médicaments. Ces résultats apportent des contributions précieuses au développement de systèmes avancés de libération de médicaments sensibles au pH, mettant en lumière le potentiel complémentaire des argiles naturelles et des biopolymères modifiés dans des applications biomédicales.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure and University of Sao Paulo in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 141-161).
Mots-clés libres:	argiles, libération de médicaments, isoniazide, pullulane, hydrogels
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demarquette, Nicole R.
Codirecteur:	Codirecteur Valenzuela-Diaz, Francisco Rolando
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2025 18:30
Dernière modification:	23 sept. 2025 18:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3701

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