DE60109732T2

DE60109732T2 - Beschichtung von ungeladen soliden teilchen durch polymermehrlagen

Info

Publication number: DE60109732T2
Application number: DE60109732T
Authority: DE
Inventors: Frank Caruso; Dieter Kowloon TRAU; Helmuth MÖHWALD; Reinhard Kowloon RENNEBERG
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2021-01-13
Also published as: DE60109732D1; JP2003519565A; US7045146B2; ATE291958T1; DE10001172A1; WO2001051196A1; ES2236175T3; DK1246692T3; US20020187197A1; EP1246692B1; EP1116516A1; EP1246692A1

Description

Die Erfindung betrifft (i) die Einkapselung von ungeladenen organischen Substanzen in polymere Kapseln unter Verwendung einer Mehrschrittstrategie, die das Laden der Oberfläche der Mikrokristalle mit einer amphiphilen Substanz, gefolgt von aufeinanderfolgendem Ablagern von Polyelektrolyten entgegengesetzter Ladung, um eine mehrlagige Schale aus polymerem Material um das Mikrokristalltemplat zusammenzubauen, umfasst und (ii) die Bildung von Polymermehrschichtkäfigen, die von den beschichteten Kristallen durch einfaches Entfernen des kristallinen Templats abgeleitet werden.
In den letzten Jahren haben Mikrokapseln aufgrund ihrer technologischen Bedeutung in den Gebieten Medizin, Pharmazie, Landwirtschaft und Kosmetik beachtliche Aufmerksamkeit erhalten.^1–7 Die überwiegende Mehrheit der Anwendungen steht im Zusammenhang mit der kontrollierten Freisetzung von eingekapselten aktiven Bestandteilen (z. B. Arzneimittel, Vakzine, Antikörper, Hormone, Pestizide und Duftstoffe) unter wohldefinierten Bedingungen. Trotz der zahlreichen verfügbaren Einkapselungstechnologien, einschließlich solcher, die auf Liposomen, Mikropartikeln und Mikroemulsionen basieren, gab es ein starkes Interesse an Strategien, um wasserunlösliche pharmazeutische Arzneimittel in stabilen und wässrigen Formen einzukapseln und abzugeben.^8,9 Methoden, um dies zu erreichen, beinhalteten üblicherweise die Aufnahme solcher Arzneimittel in Mizellen und Mikrosphären, Emulgieren des Arzneimittels mit Ölen, die Verwendung von konzentrierten Lösungen von wasserlöslichen Polymeren ebenso wie das Löslichmachen oder Suspendieren des Arzneimittels mit nicht ionischen Detergenzien. Ein alternativer neuer Ansatz war, wasserunlösliche kristalline Arzneimittel mit einem Membranlipid zu beschichten, um somit die Dispersion des Kristalls in einem wässrigen Medium zu ermöglichen.⁹ Dies stellt ein elegantes Verfahren zur Herstellung injizierbarer Formen von wasserunlöslichen Substanzen dar. Die Vorteile dieses Verfahrens sind die entscheidend höhere Konzentrationen (bis zu 40% w/v) des injizierbaren Arzneimittels, die (verglichen mit anderen Verfahren) ermöglicht werden und die Stabilität der beschichteten Dispersion.
Die Kopplung von Selbstassemblierung und kolloidaler Templatbildung stellt ein elegantes und vielseitiges Mittel dar, um zahlreiche funktionelle Materialien einschließlich biologische Makromoleküle einzukapseln und Kern-Schalen-Strukturen für eine potenzielle Verwendung in den Gebieten Medizin, Pharmazie, Katalyse und Trennungen zu bilden.^10–18 Das Verfahren bringt das Beschichten von in einem wässrigen Medium dispergierten Partikeln durch die elektrostatische Selbstassemblierung im Nanomaßstab von geladenen polymeren Materialien mit sich. Diese Strategie nutzt die Tatsache, dass die kolloidalen Gebilde, die als die Template dienen, eine inhärente Oberflächenladung aufweisen, was sie wasserdispergierbar macht und die notwendige Ladung liefert, die für eine Adsorption anschließender Schichten und Polyelektrolyt-Mehrschichteinkapselung essenziell ist. Kürzlich wurde dieser Ansatz eingesetzt, um Proteine einzufangen¹⁸ und neue Klassen von Verbundstoffkolloiden aufzubauen.^11–17 Die verwendeten Kolloide haben von geladenen Polymergittern^11–17 bis zu biologischen Templaten, z. B. Zellen¹⁰ und Proteinkristallen¹⁸ gereicht.
Feste kristalline organische Verbindungen sind eine wichtige Klasse von Materialien, die in der Pharmazie als Arzneimittel weit verbreitet eingesetzt werden. Die kontrollierte Beschichtung solcher Verbindungen ist von weit verbreitetem Interesse.¹⁹ Viele kristalline Materialien, die in der Medizin von Bedeutung sind, z. B. aus niedermolekulargewichtigen Arzneimitteln bestehende Kristalle, sind jedoch ungeladen und besitzen eine geringe Löslichkeit in Wasser. Für solche Arzneimittel stellt ihre Einkapselung und Anwendung in, einem wässrigen Medium oftmals ein beträchtliches Problem dar.
Ein Ziel der Erfindung war daher, ein Verfahren für die Einkapselung von ungeladenen Materialien bereitzustellen.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren für die Einkapselung eines nicht geladenen kristallinen festen Partikelmaterials gelöst, umfassend

(a) Behandeln des kristallinen Partikelmaterials mit einer amphiphilen Substanz und
b) anschließendes Beschichten des festen Materials mit einer Schicht von geladenem Polyelektrolyt oder mit einer Multischicht, die abwechselnde Schichten von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten umfasst.

Die Einkapselung von Materialien unter Verwendung kolloidaler Template wurde auf ungeladene feste Template ausgedehnt, wodurch eine alternative und vorteilhafte Strategie gegenüber anderen Einkapselungsverfahren präsentiert wird.
Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es überraschenderweise möglich, ungeladene feste Partikelmaterialien, insbesondere organische kristalline Template, die weitgehend unlöslich und/oder hydrophob sind, einzukapseln. Somit ist das Verfahren auf eine Vielzahl von Substanzen und insbesondere auf Substanzen, die von großem pharmazeutischen Interesse sind, anwendbar.
Im ersten Schritt des Verfahrens werden die ungeladenen kristallinen festen Partikelmaterialien mit einer amphiphilen Substanz behandelt, wodurch die Oberfläche der Partikelmaterialien geladen wird. Anschließend wird im zweiten Schritt das mit einer amphiphilen Substanz beschichtete Material erneut mit einem Polyelektrolyt beschichtet, der entgegengesetzt zu der Oberfläche des beschichteten Partikelmaterials geladen ist. Für die Bildung von Multischichten wird das Material aufeinanderfolgend mit entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten, d. h. abwechselnd mit kationischen und anionischen Polyelektrolyten, behandelt. Polymere Schichten assemblieren durch elektrostatische Schicht-auf-Schicht-Ablagerung sich selbst auf den vorgeladenen festen Templaten, so dass rings um die festen Kerne eine mehrschichtige polymere Schale gebildet wird.
Aufgrund der halbdurchlässigen Natur der polymeren Multischichtschale ist es außerdem möglich, den festen Templatkern zu entfernen, z. B. indem er einem milden organischen Lösungsmittel ausgesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit einen neuen und einfachen Weg zur Herstellung von polymeren mehrschichtigen Mikrokapseln bereit, ebenso wie eine überragende Strategie für die Einkapselung von hydrophoben Verbindungen wie beispielsweise Arzneimitteln.
Das begrenzte Potenzial von medizinischen Arzneimitteln hängt mit ihrer geringen Löslichkeit in wässrigen Lösungen zusammen. Die meisten Arzneimittel sind feste kristalline Substanzen, die unpolare aromatische Gruppen (Amphetamine) und/oder heterozyklische Gruppen (1,4-Benzodiazepim) oder kondensierte aromatische oder alizyklische Gruppen (Isoprenoide: Steroid, Vitamin A, Vitamin E) und meist ein oder mehrere polare funktionelle Gruppen (z. B. Amin, Hydroxy, Carboxy, Phenol, Aldehyd, Keton) enthalten. Ihre Formulierung ist ein Schlüsselfaktor, um ihre Verwendung im menschlichen Körper zu ermöglichen.
Das hierin beschriebene Verfahren stellt eine Strategie bereit für

A) die Einkapselung von wasserunlöslichem ungeladenem festem Partikelmaterial, z. B. Arzneimittelkristallen oder/und amorphen (glasartigen) Materialien;
B) die Herstellung von hohlen polymeren Kapseln.

A) Das Ausgangsmaterial ist die feste Substanz selbst. Aufgrund des ungeladenen und hydrophoben Charakters dieser Materialien können sie nicht direkt mit Polyelektrolyten beschichtet werden. Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, durch Behandlung mit einer geladenen amphiphilen Spezies (z. B. ionischen Tensiden), eine Oberflächenladung in den Kristall einzuführen. Dies führt zur Bildung einer stabilen Suspension der beschichteten Substanz in Wasser. Typische Oberflächenpotenziale nach einer Behandlung mit einem Amphiphil (z. B. Natriumdodecylsulfat, SDS) liegen zwischen –50 und –70 mV, was auf eine Suspension von mit oberflächenaktivem Mittel beladenen Kristallen mit hoher Stabilität hinweist. Die geladenen Kristalle sind anschließend geeignete Template zur Beschichtung mit Polyelektrolyten.
Ein Vorteil dieser Erfindung ist die Möglichkeit, ein Arzneimittel-Freisetzungssystem mit einer konstanten Freisetzungsrate über eine lange Zeitperiode zu erzeugen. Dies ist aufgrund der festen Phase im Inneren der Kapsel möglich. Nachdem das eingekapselte feste Material in einer Flüssigkeit wie beispielsweise einem Puffer oder einem Körperfluid angewendet wird, wird sich durch den Kristall selbst ein Zweiphasensystem ausbilden und eine gesättigte Lösung des Kristallmaterials ist im Inneren der Kapsel. Durch Inkontaktbringen der erfindungsgemäß hergestellten Kapseln, welche aus einem eingekapselten festen Material bestehen, mit einer Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser, dringt die Flüssigkeit in die Kapseln ein. Dadurch quillt die Wand der Kapsel zu einem gewissen Grad und innerhalb der Kapsel wird ein kleiner Teil des festen Materials gelöst bis eine Sättigung der eingedrungenen Flüssigkeit erreicht ist. Wenn die Freisetzung des Materials erfolgt, wird die Menge der aus der Kapsel freigesetzten Substanz kontinuierlich durch weiteres Auflösen von festem Material innerhalb der Kapsel wieder aufgefüllt. Daher bleibt die Konzentration der Substanz in der Flüssigkeit innerhalb der Kapsel fast konstant. Folglich kann über einen langen Zeitraum eine konstante Freisetzungsrate der Substanz erzielt werden.
Das Verfahren der Erfindung ist insbesondere geeignet, um Freisetzungssysteme herzustellen, die eine kleine Menge an Wirkstoff über einen längeren Zeitraum konstant freisetzen. Bei einem solchen System ist die eine Diffusionsbarriere durch die Wand der Kapsel vorteilhafterweise hoch, was dazu führt, dass eine kleine Menge an Substanz freigesetzt wird verglichen mit der Menge an Substanz, die in demselben Zeitraum durch Lösen von festem Material innerhalb der Kapsel ergänzt werden kann. Solche Freisetzungssysteme sind insbesondere in der Hormontherapie nützlich, wo die konstante Freisetzungsrate von kleinen Mengen an Wirkstoff erforderlich ist.
Die Freisetzungsrate einer Substanz ist eine Funktion der Differenz ihrer Konzentration innerhalb und außerhalb der Kapsel. Der beschriebene Ansatz stellt ein Verfahren bereit, um diesen Konzentrationsgradienten konstant zu halten, solange das feste Material nicht vollständig aufgelöst ist. Dies würde zu einer konstanten Freisetzungsrate der Substanz über einen langen Zeitraum führen. Diese Methode bietet eine Vorteil gegenüber anderen Freisetzungssystemen, die eine gelöste Substanz in einer Kapsel oder einem Liposom verwenden. Die Konzentration der gelösten Substanz in solchen Kapseln oder Liposomen nimmt vom ersten Moment der Freisetzung an ab, und die Freisetzungsrate ist nicht konstant.
B) Das Verfahren weist auch die Möglichkeit zur Herstellung von hohlen Polymerkapseln auf. Bis jetzt wurden im Templatentfernungsverfahren drastische Bedingungen (z. B. pH < 1,6, pH > 11) verwendet, um das polymere Templat zu zersetzen und es aus der Kapsel zu entfernen. Bei Verwendung dieser drastischen Vorgehensweisen wird die Kapsel selbst in vielen Fällen beschädigt und in ihren Eigenschaften verändert. Dieses Problem kann durch die Verwendung eines Nichtpolymer-Templats wie etwa einer kristallisierten, hydrophoben, niedermolekulargewichtigen Substanz (wie oben erklärt) gelöst werden. Diese Substanz kann nach einer Einkapselung leicht durch Behandlung mit einem milden organischen Lösungsmittel (z. B. Ethanol) entfernt werden. Die Substanz wird gelöst und dringt leicht durch die Polymermultischichten ein. Die Schalen können dann durch Zentrifugation pelletiert und in einer wässrigen Lösung resuspendiert werden.
Gemäß der Erfindung wird ein festes ungeladenes Material in zwei Schritten eingekapselt. Zuerst wird das feste ungeladene Material mit einer amphiphilen Substanz behandelt. Diese Behandlung führt bevorzugt zu einer wässrigen Dispersion des festen Materials. Die amphiphile Substanz ist auf der Oberfläche des festen Materials angeordnet, wodurch das Material für die folgende Beschichtung mit einem geladenen Polyelektrolyt zugänglich wird. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete ungeladene Material ist bevorzugt ein Material, welches keine Ladungen trägt und auch keine ionisierbaren Gruppen aufweist. Es ist jedoch auch möglich, ein ungeladenes Material mit ionisierbaren Gruppen zu verwenden, wobei dieses Material unter Bedingungen verwendet werden kann, unter welchen die ionisierbaren Gruppen nicht ionisiert werden. Der Einkapselungsprozess gemäß der Erfindung ist daher für einen weiten Bereich von Materialien anwendbar, deren Einkapselung in einer festen Form vorher nicht möglich war oder nur unter sehr speziellen Bedingungen möglich war. In einem zweiten Schritt wird das feste Partikelmaterial, auf dessen Oberfläche die amphiphile Substanz angeordnet ist, mit einer Schicht eines geladenen Polyelektrolyten oder mit einer Multischicht, die abwechselnde Schichten von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten umfasst, beschichtet. Die Beschichtung mit dem geladenen Polyelektrolyten auf der Oberfläche wird durch die amphiphile Substanz ermöglicht. Durch aufeinanderfolgende Behandlung mit entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten können Multischichtbeschichtungen hergestellt werden. Bevorzugt werden Kapseln mit mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei, noch weiter bevorzugt mindestens fünf und am meisten bevorzugt mindestens acht Schichten an Polyelektrolyten mit abwechselnder Ladung hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, dickere Schalen herzustellen mit z. B. bis zu 100 oder mehr Polyelektrolytschichten, bevorzugt bis zu 50 und am meisten bevorzugt bis zu 20 Schichten. Die Assemblierung von dickeren Schalen hat den Effekt, die äußere Oberfläche zu glätten und gleichzeitig die Porosität der Schalen zu verringern.
Durch die Anzahl an Polyelektrolytschichten, die Auswahl der amphiphilen Substanz und der verwendeten Polyelektrolyte und die Bedingungen während der Beschichtung mit der amphiphilen Substanz kann die Porosität der Kapseln beeinflusst werden. Auf diese Weise können speziell für die entsprechende Anwendung bestimmte Porengrößen erhalten werden. Monomere Detergenzien wie z. B. SDS führen beispielsweise zu kleinen Poren, während durch polymere Detergenzien wie beispielsweise PSS größere Poren in der Kapselwand erhalten werden. Die beim Laden des festen Materials mit der amphiphilen Substanz verwendeten Bedingungen können die Porengröße beeinflussen, z. B. durch die Auswahl der Form des polymeren Detergenzes wenn polymere Detergenzien verwendet werden. Ionenstärke und pH-Wert können z. B. bestimmen, ob das polymere Detergenz in gestreckter oder gewundener Form vorliegt. Beispielsweise können Poren mit einem Durchmesser von ungefähr 20 nm bis > 100 nm in den Kapselwänden erhalten werden, wenn ein amphiphiler Polyelektrolyt als amphiphile Substanz verwendet wird. Wenn jedoch eine ionische oberflächenaktive Substanz als amphiphile Substanz verwendet wird, können kleine Porengrößen von weniger als ungefähr 5 bis 10 nm erhalten werden. Die Porosität der Kapsel kann durch einen weiteren Quervernetzungsschritt verringert werden, in welchem ein Reagenz verwendet wird, um Inter- und Intra-Quervernetzungen von Polyelektrolyten in den Schalen einzuführen.
Die Dicke der Kapselschale ist bevorzugt ungefähr 2 bis 100 nm, weiter bevorzugt 5 bis 50 nm. Die Größe der Kapseln selbst ist bevorzugt < 50 μm, insbesondere kleiner < 20 μm und weiter bevorzugt < 15 μm; es ist jedoch ebenfalls möglich, größere Kapseln herzustellen. Die minimale Größe der Kapseln ist bevorzugt mindestens 10 nm, weiter bevorzugt mindestens 50 nm. Die Kapselgröße hängt in erster Linie von der Größe des verwendeten festen Materials ab.
Das Verfahren der Erfindung ist besonders für ungeladenes festes Material geeignet, welches eine geringe Löslichkeit in Wasser besitzt oder wasserunlöslich ist oder in Wasser nicht dispergierbar ist. Die Einkapselung solcher Materialien war im Stand der Technik schwierig und kann nun gemäß der Erfindung einfach bewältigt werden.
Das als Kern für die Einkapselung verwendete ungeladene feste Material kann ein organisches Material, ein Biomaterial oder/und ein anorganisches Material sein. Organische Materialien, insbesondere feste Materialien aus organischen Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht können besonders vorteilhaft eingekapselt werden. Gemäß der Erfindung ist die Einkapselung von ungeladenen festen organischen kristallinen Templaten, die weitgehend wasserunlöslich sind, möglich. Geeignete Materialien, die entsprechend dem Verfahren der Erfindung eingekapselt werden können, sind z. B. Wirkstoffe, Vitamine, Nährstoffe, Hormone, Wachstumsfaktoren, Pestizide, Antibiotika und Konservierungsstoffe. Gemäß der Erfindung ist es dabei nicht notwendig, dass die Materialien eine geladene oder ionisierbare Gruppe aufweisen.
Die Form der Kapseln hängt stark von der Form des verwendeten festen Materials ab. Geeigneter Weise wird das feste Material als kristallines Material z. B. in Form von Einzelkristallen eingesetzt. Es ist besonders bevorzugt, Mikrokristalle der ungeladenen Verbindungen, die eingekapselt werden sollen, zu verwenden. Grundsätzlich kann ein beliebiges ungeladenes festes Material eingekapselt werden, z. B. ein synthetisches Material, ein aus natürlichen Quellen isoliertes Material oder ein chemisch modifiziertes isoliertes Material.
Als amphiphile Substanz kann erfindungsgemäß eine beliebige Substanz verwendet werden, die ionische hydrophile und hydrophobe Gruppen aufweist. Es ist wichtig, dass die amphiphile Substanz mindestens eine elektrisch geladene Gruppe aufweist, um dem festen Material elektrische Ladungen zu verleihen. Daher kann die verwendete amphiphile Substanz auch als ionische amphiphile Substanz oder ionisches Detergenz bezeichnet werden. Bevorzugt werden ionische oberflächenaktive Mittel, Phospholipide und/oder amphiphile Polyelektrolyte verwendet. Amphiphile Polyelektrolyte sind z. B. Polyelektrolyte, die eine geladene Gruppe als hydrophile Gruppe und eine hydrophobe Gruppe, z. B. aromatische Gruppen, umfassen. Es ist bevorzugt, ein kationisches und/oder anionisches oberflächenaktives Mittel zu verwenden. Beispiele für geeignete kationische oberflächenaktive Mittel sind quaternäre Ammoniumsalze (R₄N⁺X^–), insbesondere Didodecylmethylammoniumbromid (DDDAB), Alkyltrimethylammoniumbromide, insbesondere Dodecyltrimethylammonium-bromid oder Palmityltrimethylammoniumbromid oder N-Alkylpyridiniumsalze oder tertiäre Amine (R₃NH⁺)X^–), insbesondere Cholesteryl-3β-N-(dimethyl-aminoethyl)-carbamat oder sekundäre Amine ((R₂NH₂ ⁺)X^–) oder primäre Amine ((RNH₃ ⁺)X^–) oder Mischungen davon, worin X^– ein Gegenion bedeutet, z. B. ein Halogenid. Beispiele für geeignete anionische oberflächenaktive Mittel sind Alkylsulfonat (R-SO₃M), insbesondere Dodecylsulfat, z. B. Natriumdodecylsulfat (SDS), Laurylsulfat oder Olefinsulfonat (R-SO₃M), insbesondere Natrium-n-dodecyl-benzolsulfonat oder Alkylsulfate (R-OSO₃M) oder Fettsäuren (R-COOM), insbesondere Dodekansäure-Natriumsalz oder Phosphorsäure oder Cholinsäuren oder Fluororganische Verbindungen, insbesondere Lithium-3-[2-(perfluoralkyl) ethylthio]propionat oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt sind oberflächenaktive Mittel mit 1–30 Kohlenstoffatomen in ihrer Alkyl- oder Olefingruppe.
Weiter ist es bevorzugt, als amphiphile Substanz eine polymere Substanz zu verwenden, die geladene Gruppen und hydrophobe Seiten bereitstellt, insbesondere Poly(styrolsulfonat) (PSS), oder als amphiphile Substanz ein Block-Copolymer zu verwenden, insbesondere Poly(ethylen)blockstyrolsulfonsäure (PEE-PSS).
Unter Polyelektrolyten versteht man im Allgemeinen Polymere mit ionisch dissoziierbaren Gruppen, die eine Komponente oder Substituent der Polymerkette sein können. Üblicherweise ist die Anzahl dieser ionisch dissoziierbaren Gruppen in Polyelektrolyten so groß, dass die Polymere in dissoziierter Form (auch Polyionen genannt) wasserlöslich sind. Unter der Bezeichnung Polyelektrolyte versteht man in diesem Zusammenhang, dass sie auch Ionomere umfasst, bei denen die Konzentration an ionischen Gruppen für eine Wasserlöslichkeit nicht ausreichend ist, die jedoch genügend Ladungen besitzen, um eine Selbstassemblierung zu durchlaufen. Die Schale umfasst jedoch bevorzugt "echte" Polyelektrolyte, d. h. wasserlösliche Polyelektrolyte. Abhängig von der Art von dissoziierbaren Gruppen werden Polyelektrolyte als Polysäuren und Polybasen klassifiziert.
In dissoziierter Form bilden Polysäuren unter Abspaltung von Protonen Polyanionen, die anorganische, organische und Bio-Polymere sein können. Beispiele für Polysäuren sind Polyphosphorsäure, Polyvinylschwefelsäure, Polyvinylsulfonsäure, Polyvinylphosphonsäure und Polyacrylsäure. Beispiele der entsprechenden Salze, die auch als Polysalze bezeichnet werden, sind Polyphosphat, Polysulfat, Polysulfonat, Polyphosphonat und Polyacrylat.
Polybasen enthalten Gruppen, die in der Lage sind, z. B. durch Reaktion mit Säuren Protonen aufzunehmen, wobei ein Salz gebildet wird. Beispiele für Polybasen mit dissoziierbaren Gruppen innerhalb ihres Rückgrats und/oder ihrer Seitengruppen sind Polyallylamin, Polyethylimin, Polyvinylamin und Polyvinylpyridin. Unter Aufnahme von Protonen bilden Polybasen Polykationen.
Geeignete Polyelektrolyte gemäß der Erfindung sind organische Polymere, Biopolymere, anorganische Polymere und Mischungen davon.
Geeignete Polyelektrolyte gemäß der Erfindung sind auch Biopolymere wie beispielsweise Algininsäure, Gummi arabicum, Nukleinsäuren, Pektine, Proteine und andere, ebenso wie chemisch modifizierte Biopolymere wie etwa Carboxymethylcellulose und Ligninsulfonate, ebenso wie synthetische Polymere wie etwa Polymethacrylsäure, Polyvinylsulfonsäure, Polyvinylphosphonsäure und Polyethylenimin.
Lineare oder verzweigte Polyelektrolyte können verwendet werden. Die Verwendung verzweigter Polyelektrolyte führt zu weniger kompakten Polyelektrolyt-Multischichten mit einem höheren Grad an Wandporosität. Um die Kapselstabilität zu erhöhen, können Polyelektrolytmoleküle innerhalb oder/und zwischen den einzelnen Schichten quervernetzt werden, z. B. durch Quervernetzung von Aminogruppen mit Aldehyden. Bevorzugt wird der Polyelektrolyt nach der Templatbildung quervernetzt. Außerdem können amphiphile Polyelektrolyte, z. B. amphiphile Block- oder Zufallscopolymere mit partiell polyelektrolytischem Charakter verwendet werden, um die Durchlässigkeit gegenüber polaren kleinen Molekülen zu verringern. Solche amphiphile Copolymere bestehen aus Einheiten mit unterschiedlicher Funktionalität, z. B. sauren oder basischen Einheiten auf der einen Seite und hydrophoben Einheiten auf der anderen Seite wie beispielsweise Styrole, Diene oder Siloxane, die in dem Polymer als Blocks oder statistisch verteilt vorhanden sein können. Durch die Verwendung von Copolymeren, die aufgrund äußerer Bedingungen ihre Struktur verändern, kann die Durchlässigkeit oder andere Eigenschaften der Kapselwände auf eine definierte Weise gesteuert/geregelt werden. In diesem Zusammenhang sind z. B. Copolymere mit einem Poly(N-isopropylacrylamid)-Teil, z. B. Poly(N-isopropylacrylamid-acrylsäure) möglich, die über das Gleichgewicht von Wasserstoffbindungen ihre Wasserlöslichkeit als eine Funktion der Temperatur ändern, was von Quellen begleitet wird.
Durch Verwendung von Polyelektrolyten, die unter bestimmten Bedingungen abbaubar sind, z. B. Photo-, Säure- oder Base-labil, kann die Freisetzung der eingeschlossenen aktiven Substanz über die Auflösung der Kapselwände weiter kontrolliert werden. Außerdem können für bestimmte Applikationen leitende Polyelektrolyte oder Polyelektrolyte mit optischen aktiven Gruppen als Kapselkomponenten verwendet werden. Grundsätzlich bestehen keine Begrenzungen im Hinblick auf die Polyelektrolyte bzw. Ionomere, die verwendet werden können, solange die verwendeten Moleküle eine ausreichend hohe Ladung aufweisen oder/und in der Lage sind, mit der benachbarten Schicht durch andere Arten der Wechselwirkung, z. B. Wasserstoffbindungen und/oder hydrophobe Wechselwirkungen zu binden.
Geeignete Polyelektrolyte sind somit sowohl niedermolekulare Polyelektrolyte als auch Polyionen, die z. B. Molekulargewichten von wenigen 100 Dalton aufweisen, bis hin zu makromolekularen Polyelektrolyten, z. B. Polyelektrolyten biologischen Ursprungs mit einem Molekulargewicht von mehreren Millionen Dalton.
Weitere Beispiele eines organischen Polymers als Bioelektrolyt sind bioabbaubare Polymere wie beispielsweise Polyglykolsäure (PGA), Polylactonsäure (PLA), Polyamide, Poly-2-hydroxybutyrat (PHB), Polycaprolacton (PCL), Poly(lacton-co-glykol)säure (PLGA), fluoreszenzmarkierte Polymere, leitende Polymere, Flüssigkristallpolymere, Photokontaktpolymere, photochrome Polymere und deren Copolymere und/oder Mischungen davon. Beispiele für als Polyelektrolyt bevorzugte Biopolymere sind Polyaminosäuren, insbesondere Peptide, S-Layer-Proteine, Polykohlenhydrate wie beispielsweise Dextrin, Pektin, Alginat, Glykogen, Amylose, Chitin, Chondroitin, Hyaluronsäure, Polynukleotide wie beispielsweise DNA, RNA, Oligonukleotide oder/und modifizierte Biopolymere wie etwa Carboxymethylcellulose, Carboxymethyldextran oder Ligninsulfonate. Bevorzugte Beispiele für anorganische Polymere als Polyelektrolyt sind Polysilane, Polysilanole, Polyphosphazene, Polysulfazene, Polysulfide und/oder Polyphosphate.
Es ist auch möglich, geladene Nanopartikel oder Biomoleküle als Kapselmaterial abzulagern.
Das Verfahren der Erfindung wird bevorzugt so durchgeführt, dass überschüssiges Material der in den einzelnen Schritten verwendeten Ausgangssubstanzen nach jedem Behandlungsschritt abgetrennt wird. Z. B. wird zuerst eine wässrige Dispersion der Templatpartikel durch Zugabe einer wässrigen Lösung der amphiphilen Substanz gebildet. Nach Abtrennen jeglicher überschüssiger amphiphiler Moleküle wird anschließend eine erste Polyelektrolytspezies zugegeben, um die erste Polyelektrolytschale aufzubauen. Nach dem Abtrennen jeglicher überschüssiger Polyelektrolytmoleküle wird anschließend die entgegengesetzt geladene Polyelektrolytspezies zugegeben, die zum Aufbau der nächsten Schicht verwendet wird. Anschließend werden abwechselnd entgegengesetzt geladene Schichten von Polyelektrolytmolekülen appliziert. Es ist möglich, identische oder unterschiedliche Polyelektrolytspezies oder Mischungen von Polyelektrolytsorten für jede Schicht mit derselben Ladung zu verwenden, d. h. für jede zweite Schicht. Zwischen jedem Inkubationsschritt wird ein Reinigungsschritt durchgeführt.
Das hergestellte eingekapselte Material bildet bevorzugt eine stabile Suspension in einer wässrigen Phase.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Kapseldicke und Durchlässigkeit für die kontrollierte Freisetzung des eingekapselten Materials auf eine vorbestimmte Weise gesteuert/geregelt werden kann, z. B. durch die Anzahl der Schichten, die Natur der verwendeten Polyelektrolyte, die Natur der verwendeten amphiphilen Substanzen, die Natur der, falls verwendeten, Nanopartikel oder Biomoleküle, einen optionalen zusätzlichen Quervernetzungsschritt und die Bedingungen der Polyelektrolytassemblierung.
Nachdem die gewünschte Anzahl von Polyelektrolytschichten entsprechend der Erfindung appliziert wurde, können die nun eingekapselten Templatpartikel, wenn gewünscht, desintegriert werden, was zur Bildung von hohlen Kapseln führt. Die Erfindung umfasst daher auch ein Verfahren zur Herstellung von hohlen Kapseln mit einer Polyelektrolytschale, umfassend die Schritte:
(a) Behandeln eines ungeladenen kristallinen festen Partikelmaterials mit einer amphiphilen Substanz, (b) anschließendes Beschichten des kristallinen festen Materials mit einer Schicht eines geladenen Polyelektrolyts oder mit einer Multischicht, die abwechselnde Schichten von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten umfasst und (c) Entfernen des Kerns aus kristallinem ungeladenen festen Partikelmaterial durch dessen Auflösung.
Die Desintegration kann durch Zugeben von Reagenzien bewirkt werden, die geeignet sind, um das ungeladene feste Kernmaterial aufzulösen, z. B. ein organisches Lösungsmittel, bevorzugt ein mildes organisches Lösungsmittel, in dem das Material löslich ist oder ein saures oder alkalisches Lösungsmittel, in dem das Material ein lösliches Salz bildet. Das organische Lösungsmittel kann in wasserfreier, reiner Form oder als H₂O/Lösungsmittel-Mischungen verwendet werden. Repräsentative geeignete Lösungsmittel sind z. B. Ethanol, Chloroform, etc. Gemäß der Erfindung kann die Auflösung der Templatpartikel auf eine sanfte Weise während einer kurzen Inkubationsperiode, von z. B. 1 min bis 1 h bei Raumtemperatur bewirkt werden. Die Template desintegrieren fast vollständig, da selbst wenn die verbleibenden Schalen mit einem Elektronenmikroskop untersucht werden keine Reste der Partikel mehr detektiert werden können.
Bevorzugt werden die Hohlkapseln in einem wässrigen Lösungsmittel oder einem organischen Lösungsmittel wieder dispergiert. Im Inneren der Kapseln befindet sich dann bevorzugt reines Lösungsmittel.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Polyelektrolytkapseln, die mit dem Verfahren der Erfindung erhältlich sind. In einer Ausführungsform enthalten diese Kapseln einen Kern aus ungeladenem festen Material, der als Templat diente. Die Struktur solcher Kapseln besteht somit von innen nach außen her betrachtet aus den folgenden Schichten: aktive Substanz, amphiphile Substanz und ein oder mehrere Schichten an Polyelektrolyt. In einer anderen Ausführungsform besitzen die Polyelektrolytkapseln keine detektierbaren Reste des ungeladenen festen Kernmaterials mehr, d. h. sie sind kernlos. Eine solche hohle Polyelektrolytkapsel besitzt die folgende Struktur: Hohlraum, amphiphile Substanz, eine oder mehrere Schichten an Polyelektrolyt. Der Vorteil des in den Polyelektrolytkapseln enthaltenen amphiphilen Materials ist, dass die Porosität dadurch gesteuert/geregelt und bestimmt werden kann. Außerdem wird durch die Verwendung der amphiphilen Substanz eine gleichmäßige Bedeckung des Kernmaterials erzielt, so dass die Polyelektrolytkapseln bevorzugt eine durch den Kern bestimmte äußere Form aufweisen. Es ist besonders bevorzugt, dass die Polyelektrolytkapseln gemäß der Erfindung eine aktive Substanz enthalten, besonders eine pharmazeutisch wirksame Substanz. Die eingekapselte Wirksubstanz kann dabei identisch zu dem eingekapselten ungeladenen festen Partikelmaterial sein, sie kann jedoch auch später in die leeren Polyelektrolytschalen eingeführt worden sein.
Die Kapseln gemäß der Erfindung besitzen bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 50 μm, bevorzugt von 50 nm bis 10 μm. Durch geeignete Auswahl der Template können Kapselzusammensetzungen mit hoher Monodispersität erhalten werden, d. h. Zusammensetzungen, bei denen die Menge der Kapseln, deren Abweichung von dem mittleren Durchmesser > 50% ist, weniger als 10% beträgt und bevorzugt weniger als 1% beträgt. Die Kapseln gemäß der Erfindung können auch getrocknet, insbesondere gefriergetrocknet werden und anschließend in geeigneten Lösungsmitteln wieder dispergiert werden.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die Art des Amphiphils, das verwendet wird, um das feste Material, insbesondere Mikrokristalle, voraufzuladen, die Porosität der resultierenden Kapseln bestimmt. Es ist daher möglich, einzigartige, hoch flexible Systeme mit maßgeschneiderten Freisetzungseigenschaften für eingekapselte Substanzen bereitzustellen, insbesondere für Wirkstoffabgabe-Applikationen. Zur Beeinflussung der Porosität ist es auch möglich, amphiphile Substanzen, insbesondere Phospholipide, ionische Tenside oder amphiphile Polyelektrolyte zwischen den Polyelektrolytschalen zu lagern.
Die durch das Verfahren der Erfindung hergestellten Kapseln können zur Einkapselung von Wirkstoffen verwendet werden. Diese Wirkstoffe können sowohl anorganische als auch organische Substanzen sein. Beispiele für solche Wirksubstanzen sind Katalysatoren, insbesondere Enzyme, pharmazeutisch wirksame Substanzen, Polymere, Farbstoffe wie beispielsweise fluoreszierende Verbindungen, Sensormoleküle, d. h. Moleküle, die nachweisbar auf die Änderung der Umgebungsbedingungen wie beispielsweise der Temperatur oder des pH-Werts reagieren, Pflanzenschutzmittel und aromatische Stoffe. Die Wirksubstanzen können dabei die eingekapselten ungeladenen festen Materialien selbst bilden oder im Anschluss in die hohlen Polyelektrolytschalen, welche durch Auflösen des Kerns unter milden Bedingungen, z. B. mittels eines organischen Lösungsmittels, erhalten werden, eingeführt werden.
Die Kapseln können auch als Reaktionskammern verwendet werden, insbesondere als Mikroreaktionskammern für chemische Reaktionen. Aufgrund der Tatsache, dass die Durchlässigkeit der Kapselwände kontrollierbar ist, um so z. B. niedermolekulare Substanzen durchzulassen, makromolekulare Moleküle jedoch großteils zurückzuhalten, können in einer Reaktion gebildete hochmolekulare Produkte, z. B. bei Polymerisation gebildete Polymere, nach der Synthese leicht im Inneren zurückgehalten werden.
Die Kapseln können auch in zahlreichen anderen Applikationen verwendet werden, z. B. in der Sensorik, Oberflächenanalytik, Pharmazie, Medizin, Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie, Kosmetik, Informationstechnologie und Druckindustrie (z. B. Einkapselung von Farbstoffmaterialien).
Im Folgenden wird die Erfindung durch die beiden Modellsubstanzen: Pyren (PYR) und Fluoresceindiacetat (FDA) detailliert beschrieben, sie kann jedoch generell auch mit anderen ungeladenen festen Materialien ausgeführt werden.
Pyren (PYR) und Fluoresceindiacetat (FDA) wurden als die ungeladenen mikrokristallinen Template verwendet. Sowohl PYR als auch FDA besitzen eine sehr geringe Löslichkeit in Wasser. Der erste und entscheidende Schritt bei der Einkapselung beinhaltete das Einführen einer Ladung auf der Kristalloberfläche durch Selbstassemblierung einer amphiphilen Substanz, insbesondere eines ionischen oberflächenaktiven Mittels, eines Phospholipids oder eines Polyelektrolyts mit amphiphiler Natur wie beispielsweise eines geladenen Polymers, das amphiphatisch ist. Bevorzugt wurden die Mikrometergroßen Kristalle in Wasser dispergiert, z. B. indem sie in Anwesenheit eines ionischen oberflächenaktiven Mittels beschallt wurden.²⁰ Der amphiphile Film stabilisiert den Mikrokristall durch sowohl hydrophobe als auch hydrophile Wechselwirkungen, beschichtet ihn und schließt ihn ein und schützt ihn somit vor einer Aggregation. Die stabilen und geladenen Mikrokristalline, die mit der amphiphilen Substanz, insbesondere einem geladenen oberflächenaktiven Mittel, beschichtet sind, wurden anschließend einem Polyelektrolyt ausgesetzt (der eine entgegengesetzte Ladung zu der auf dem kristallinen Templat adsorbierten amphiphilen Substanz trug), was zu ihrer zusätzlichen Beschichtung mit einer Polymerschicht führte. Die anschließende aufeinanderfolgende Adsorption von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten führte zur Bildung von Polymermultischichten auf dem kolloidalen Mikrokristallkern.²¹
Die Assemblierung von Polymermultischichten auf den beschichteten Mikrokristalltemplaten kann somit durch eine Schicht-auf-Schicht-Adsorption von kationischen und anionischen Polyelektrolyten erzielt werden.
2 zeigt das ζ-Potential als Funktion der Anzahl der Polymerbeschichtungsschichten von PYR- und FDA-Mikrokristallen, die mit oberflächenaktivem Mittel (DDDAB oder SDS, 2a), DPPC oder PSS (2b) vorbehandelt wurden. PYR-Kristalle, die mit DDDAB (positiv geladen) behandelt wurden, zeigten ein ζ-Potenzial von +50 mV, während in SDS (negativ geladen) dispergierte FDA-Kristalle einen Wert von –50 mV aufwiesen.
Außerdem ergaben mit DPPC dispergierte FDA-Mikrokristalle ein ζ-Potenzial von +20 mV und die mit PSS behandelten einen Wert von –40 mV. Diese Daten bestätigen die Aufladung der Mikrokristall-Oberfläche durch die Adsorption der amphiphilen Substanzen oder PSS, was die Dispergierbarkeit der Mikrokristalle in wässriger Lösung erklärt. Die adsorbierte Schicht beschichtet den Mikrokristall und schützt ihn so vor Aggregation.
Die Mechanismen der Mikrokristalldispersion und Stabilisierung können durch die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den Amphiphilen und den Mikrokristallen erklärt werden. Da sowohl PYR als auch FDA hydrophob sind, ist davon auszugehen, dass die hydrophoben Ketten der oberflächenaktiven Mittel und die an DPPC mit der Mikrokristalloberfläche assoziieren, während die ionischen Gruppen an diesen Amphiphilen von der Oberfläche wegzeigen.²⁶ Es ist erwähnenswert, dass weder die PYR- noch die FDA-Mikrokristalle leicht mit den Polyelektrolyten PAH, Poly (diallyldimethylammoniumchlorid) (PDADMAC) oder Copolymeren von DADMAC und Acrylamid mit variierenden DADMAC-Gehalten (8–73 mol-%) dispergiert werden konnten. Im Gegensatz dazu konnten die Mikrokristalle durch Behandlung mit PSS dispergiert werden. Die aufgrund der aromatischen Gruppe an dem Polymerrückgrat (und der geladenen Gruppen) amphiphile Natur von PSS kann für die erfolgreiche Adsorption und darauffolgendes Laden der Kristalloberfläche verantwortlich sein. Die beschichteten Mikrokristalle werden durch die ionischen und/oder sterischen Wechselwirkungen der dünnen Beschichtung, die dicht mit jedem Mikrokristallpartikel assoziiert ist, am weiteren Wachstum (d. h. Aggregation) gehindert. Die oberflächenmodifizierten Mikrokristalle stellen stabile und geladene Kolloide dar, die für die Polylelektrolytmultischicht-Beschichtung geeignet sind.
Wie in 2 gezeigt, wurde in dem ζ-Potenzial ein alternierendes Signal beobachtet, wenn die vorgeladenen Kristalle mit Polymerlösungen entgegengesetzter Ladung behandelt wurden. Das Signal des ζ-Potenzials hing von dem Polyelektrolyt ab, der die äußerste Schicht bildete, d. h. dem Polymer, welches abgelagert wurde. Ungeachtet des Mikrokristalltyps (PYR oder FDA) oder des Amphiphils, das verwendet wurde, um die Mikrokristalle zu beschichten und zu stabilisieren, wurden für beschichtete Kristalle, die abwechselnd mit PAH bzw. PSS behandelt wurden, alternierende positive und negative ζ-Potenziale gemessen. Dies zeigt, dass auf dem Mikrokristalltemplat ein schrittweises Wachstum der Polymere stattfand, und es ist charakteristisch für die Bildung von Polymermultischichten auf geladenen kolloidalen Partikeln. Werte von ca. +50 mV wurden beobachtet, wenn PAH die äußerste Schicht bildete und –50 mV, wenn PSS zuletzt abgelagert wurde. Die geringfügig niedrigeren positiven Werte, die für PAH-FITC (FITC: Fluoresceinisothiocyanat)-Schichten (ca. +20 mV) beobachtet wurden, ist auf die hohe Ladung von negativ geladenen FITC-Molekülen an den PAH-Ketten zurückzuführen. Entscheidenderweise wurden die Amphiphile fest auf den Mikrokristallen adsorbiert, was die Bildung von Polymermultischichten ermöglichte.
Gemäß der Erfindung können geladene oberflächenaktive Mittel, Lipide oder amphiphile Polymere verwendet werden, um hydrophobe kristalline Template zu laden und somit ihre Einkapselung mit Polyelektrolytmultischichten zu vereinfachen. Überraschenderweise werden die amphiphilen Substanzen nicht von der Oberfläche des ungeladenen festen Materials entfernt, wenn ein Polyelektrolyt zugegeben wird, sondern dienen als Linker für die Anbindung des Polyelektrolyten auf dem ungeladenen festen Material.
Ein zusätzlicher Beweis für die erfolgreiche Einkapselung der ungeladenen Mikrokristalle wurde durch Transmissions- und konfokale Fluorszenz-Laserrastermikroskopie (CLSM; confocal laser scanning microscopy)-Messungen erhalten. CLSM wurde verwendet, um die Morphologie der Mikrokristalle zu untersuchen und ihre Beschichtung mit Polymer-Multischichten zu bestätigen. Ein fluoreszierend markierter Polyelektrolyt (FITC-PAH) wurde als die äußerste Schicht auf die vorbeschichteten Mikrokristallkolloide adsorbiert, um seine Sichtbarmachung durch Fluoreszenzmikroskopie zu ermöglichen. Die regelmäßige Bedeckung von FITC-PAH auf der Kristalloberfläche wurde durch Fluoreszenzmikroskopie bestätigt, während die Transmissionsmikrophotografien zeigten, dass der beschichtete Mikrokristall aus einem festen Kern bestand. Die beschichteten Mikrokristalle konnten ohne irgendeine merkliche Veränderung der Morphologie für Tage gelagert werden.
3 zeigt ein CLSM-Bild (im Transmissionsmodus) eines FDA-Mikrokristalls, der als Ergebnis der Beschichtung mit PSS dispergiert wurde und außerdem mit neun Polyelektrolytschichten (von denen die letzte Schicht PAH-FITC war) beschichtet wurde. Das Nebenbild zeigt das entsprechende CLSM-Fluoreszenzmikroskopieaabbild. Aus dem Transmissionsbild ist offensichtlich, dass der Mikrokristall einen festen Kern aufweist. Die Mikrokristalle wiesen verschiedene Formen auf, zwischen nahezu sphärisch bis stäbchenartig, quadratisch und rechteckig. Ein direkter Beweis für die Polymerbeschichtung von PDA wird in dem CLSM-Fluorszenzbild (Ausschnitt) bereitgestellt. Dies zeigt Fluoreszenz aufgrund von PAH-FITC, welches in der äußeren Schicht eines beschichteten Mikrokristalls vorliegt. Ähnliche CLSM-Bilder wurden für vordispergierte FDA- und PYR-Kristalle, die mit Polymer beschichtet waren, beobachtet. Untersuchungen zeigten, dass die beschichteten Mikrokristallsuspensionen für Tage stabil waren, wenn sie in wäßrigem Medium gelagert wurden, was die Stabilität der adsorbierten Schichten widerspiegelt.
Ein direkter Beweis dafür, dass ein Polymer-Multischichtkäfig die Mikrokristalle einkapselte, wurde durch Entfernen des Templatkerns erhalten. Das Freisetzungsverhalten der Pyren- und Fluoresceindiacetat-Moleküle durch Auflösen der Kerntemplate durch die Polymerkapselwand kann unter Verwendung von Fluoreszenzspektroskopie untersucht werden. Im Anschluss an die Zentrifugation der beschichteten Mikrokristallsuspensionen, die mit Ethanol behandelt wurden, wurde der Überstand in regelmäßigen Zeitabständen auf entweder Pyren oder Fluorescein untersucht.
Kontrollexperimente für DDDAB-dispergierte PYR-Mikrokristalle und solche, die mit PSS dispergiert wurden, zeigten schnelle Freisetzungseigenschaften: Nach Zugabe von Ethanol wurde der Pyrenkern innerhalb von ungefähr 30 min sowohl bei den mit einem oberflächenaktiven Mittel als auch bei den mit PSS-beschichteten Kristalle entfernt. Die Poren in den polymeren Mikrokapseln, die in dieser Arbeit gebildet wurden, sind groß genug, um eine Entfernung der niedermolekulargewichtigen Kernmoleküle zu ermöglichen (siehe unten). Dieser Befund stimmt mit früheren Berichten über die Durchlässigkeitseigenschaften von Polyelektrolyt-Multischichten überein: Polymer-Multischichten sind gegenüber niedermolekulargewichtigen Substanzen durchlässig^14,15, aber im Wesentlichen undurchlässig gegenüber Polymeren die größer sind als 4000 Da.²⁷ Weitere Experimente zeigten, dass sich herausstellte, dass die Entfernungsrate von der ersten adsorbierten Schicht, der Anzahl an Polyelektrolytschichten und dem Verhältnis von Ethanol zu Wasser in dem Lösemedium abhängig ist. Es ist bemerkenswert, dass bis zu fünf Polyelektrolytschichtenpaare in der vorliegenden Arbeit auf den Mikrokristalltemplaten assembliert waren. Bei kleinerer Polyelektrolytschichtanzahl wurden geringere Freisetzungsraten beobachtet. Die Assemblierung von dickeren Schalen (z. B. mehr Polyelektrolytschichten) kann den Effekt besitzen, die äußere Oberfläche zu glätten und gleichzeitig die Porosität zu verringern. Die Schicht-auf-Schicht-Assemblierung von Polykationen und Polyanionen zeigt eine bemerkenswerte Selbstregulierung: Bei Filmen, die auf schwach geladenen und/oder rauen planaren Oberflächen gewachsen waren, wurde häufig ein unregelmäßiges Wachstum für die ersten paar Schichten beobachtet und nach Ablagerung einiger Schichtpaare wurde ein regelmäßiges Wachstum beobachtet.^30–32
In 4 sind die CLSM-Mikrografiken von polymerbeschichteten FDA-Mikrokristallen nachdem diese mit einer Ethanollösung behandelt und in Wasser dispergiert wurden gezeigt. Das Transmissionsbild (a) zeigt mehrere der gebildeten hohlen kolloidalen Einheiten. Es gibt keine Anzeichen für einen festen Kern, was auf die Auflösung und Entfernung des Mikrokristalls hindeutet. Das Kernmaterial wird durch Ethanol gelöst und die einzelnen Moleküle sind dann in der Lage, durch die semipermeablen Polymerkapselwände zu diffundieren. Die in dem Transmissionsbild ersichtlichen Strukturen sind auf den Kontrast der verbleibenden Polymerschichten der ursprünglichen Beschichtung der Mikrokristalle zurückzuführen, was die erfolgreiche Bildung von hohlen Polymerkapseln anzeigt. Die obigen Ergebnisse stimmen mit der visuellen Beobachtung überein, dass die polymerbeschichteten Mikrokristall-Suspensionen nach der Zugabe von Ethanol ihre Trübheit verloren. Einen weiteren Beweis stellt das entsprechende CLSM-Fluoreszenzbild (b) dar, welches die Fluoreszenz von den PAH-FITC-Schichten zeigt. Die verschiedenen beobachteten Morphologien sind auf die Vielfalt der Mikrokristallformen zurückzuführen. Einige Vertiefungen auf den Polymerkapselwänden können auch auf den bei deren Herstellung verwendeten Zentrifugationsprozess zurückzuführen sein. In Folge der einfachen Entfernung des Mikrokristallkerns durch Behandlung mit Ethanol gab es keine Anzeichen für ein Brechen der Kapselwände. Die CLSM-Ergebnisse zeigen, dass Polymermultischichten auf vorgeladenen Mikrokristalltemplaten abgelagert werden können, und dass der Kern durch Behandlung mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden kann, wobei hohle Polymerkapseln zurückbleiben.
Die hergestellten Polyelektrolytkapseln wurden unter Verwendung von TEM und AFM weiter charakterisiert. In 5 (a bzw. b) sind TEM-Bilder von luftgetrockneten hohlen Polymerkapseln gezeigt, die aus SDS-dispergierten PYR-Mikrokristallen, die mit elf Polymerschichten beschichtet wurden bzw. aus FDA-Kristallen, die mit PSS dispergiert wurden und zusätzlich mit neun Polyelektrolytschichten beschichtet wurden, erhalten wurden. Die Nebenbilder stellen stärkere Vergrößerungen dar. Die in den Polymerkapseln erkennbaren Faltungen und Knitterungen sind ein Ergebnis des Verdampfens des wässrigen Inhalts durch Lufttrocknen.¹⁰ Der erheblichste Unterschied zwischen 5a und 5b ist die Porosität der Wände. Die Kapseln, die gebildet wurden, wenn die Mikrokristalle mit einem (entweder positiv oder negativ geladenen) oberflächenaktiven Mittel dispergiert wurden, weisen eine viel glattere Textur und eine geringere Porosität auf als solche, die von PSS-dispergierten Mikrokristallen gebildet wurden. Poren mit einem Durchmesser von 20 nm bis größer als 100 nm wurden für Hohlkapseln, die von polymerbeschichteten PSS-dispergierten Mikrokristallen abgeleitet sind, beobachtet. Im Gegensatz dazu war es schwierig, Poren in den sehr glatt texturierten Polymerkapseln zu erkennen, wenn ein oberflächenaktives Mittel verwendet wurde, um die Mikrokristalle zu dispergieren, woraus auf eine durchschnittliche Porengröße von weniger als ungefähr 5–10 nm geschlossen wurde. Diese Erkenntnisse wurden durch AFM-Messungen bestätigt. Die erkennbaren Unterschiede können der anfänglichen Konformation der ersten adsorbierten Schicht (im Hinblick auf Homogenität), die verwendet wurde, um die Kristalle zu dispergieren, zugeschrieben werden. Dennoch veranschaulicht das Obige den entscheidenden Einfluss der ersten adsorbierten Schicht auf die Porosität der resultierenden dünnwändigen Hohlpolymerkapseln. Man erwartet, dass die Kontrolle über die Porengröße in solchen hohlen Mikrokapseln wichtige Auswirkungen auf die Technik besitzt, da sie die Regulierung der Freisetzungsrate von eingekapselten Materialien ermöglicht.
Eine Untersuchung der scheinbaren Höhen von luftgetrockneten Polymerkapseln durch Verwendung von Einfangmodus-AFM führte zu Werten von ungefähr 25–30 nm für Kapseln, die 10 Polyelektrolytschichten umfassten. Dieses Ausmaß entspricht dem Doppelten der Polymerkapselwanddicke; somit beträgt die durchschnittliche Dicke pro Polyelektrolytschicht zwischen 1 und 1,5 nm, ein Wert, der in der Nähe des Wertes liegt, der für Polymermultischichten auf anderen kolloidalen Templaten erhalten wird.¹⁰
Ein attraktives Merkmal des für die Bildung der Hohlpolymerkapseln verwendeten Verfahrens ist die einfache Entfernung des Mikrokristalltemplatkerns. Bisherige Verfahren verwendeten extrem saure (pH = 1)^10,15 oder basische (> 12)^10,17 Lösungen. Selbstverständlich ist die Verwendung solcher Bedingungen begrenzt, insbesondere, wenn während des Vorgangs der Entfernung des Kerns biologische Verbindungen zugegen sind. Außerdem können die unerwünschten Veränderungen der Zusammensetzung und der Eigenschaften der hohlen Polymerkapseln, die unter solchen drastischen Bedingungen auftreten²⁹, vermieden werden.
Zusammengefasst, ergänzt der auf ungeladenen organischen Mikrokristallen basierende Kolloidtemplat-Ansatz andere Strategien, die wir zur Einkapselung verschiedener Materialien entwickelt haben. Dieses Verfahren ist aufgrund seines Potentials, einen großen Bereich von ungeladenen kristallinen Wirkstoffen einzukapseln, von besonderer Relevanz und Wichtigkeit. Außerdem erlaubt seine Vielseitigkeit und die Kontrolle, die es über die Wanddicke der Polymermultischichten und die Zusammensetzung ermöglicht, die Bildung eines Wirkstoff-Freisetzungssystems mit einer maßgeschneiderten Freisetzungsrate. Die gebildeten Systeme bieten hervorragende Wirkstofffreisetzungs-Modellsysteme, um verschiedene Parameter für die Freisetzungsrate von eingekapselten niedermolekulargewichtigen Verbindungen zu untersuchen. Es ist eine interessante Strategie, die Freisetzungsrate durch Variation der Dicke und der Zusammensetzung der Polymerkapselwände zu regulieren.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele und Figuren weiter veranschaulicht.
1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, das verwendet wird, um organische Mikrokristalle einzukapseln und hohle Polymerkäfige zu bilden. Die ungeladenen Mikrokristalle werden durch die Selbstassemblierung von geladenen Molekülen eines oberflächenaktiven Mittels beschichtet (Schritt 1), dadurch diese wasserdispergierbar werden und sie somit einer anschließenden Beschichtung mit Polyelektrolyt-Multischichten zugänglich macht (Schritt 2). Jede abgelagerte Polyelektrolytschicht besitzt eine entgegengesetzte Ladung zu der, die bereits adsorbiert ist. Durch direkte Behandlung der eingekapselten Mikrokristalle mit Ethanol, was deren Auflösung und Entfernung verursacht, werden hohle Polymermultischichtkäfige gebildet (Schritt 3). Etwas oberflächenaktives Mittel kann elektrostatisch an die hohlen Polymerkäfige gebunden sein.
Schritt 1 aus 1 kann selbstverständlich variiert werden, indem z. B. ein Polyelektrolyt (z. B. PSS) oder Phospholipide verwendet werden, um die Mikrokristalle zu beschichten und vorzuladen.
2 zeigt das Potenzial von mit Amphiphil stabilisierten PYR- und FDA-Mikrokristallen als eine Funktion der Anzahl der Polyelektrolytschichten: (a) PYR-DDDAB (gefüllte Quadrate), FDA-SDS (offene Kreise); (b) FDA-DPPC (gefüllte Kreise); FDA-PSS (offene Quadrate). Schichtanzahl = 1 entspricht den mit Amphiphil beschichteten Mikrokristallen. Bei der Adsorption jeder Polyelektrolytschicht wird eine Umkehr der Oberflächenladung beobachtet. Von Schicht Nr. 2 an bedeuten positive Werte eine PAH-Adsorption und negative Werte eine PSS-Ablagerung. Schicht 9 und 11 für das PYR-DDDAB-System und Schicht 10 für das FDA-PSS-System entsprechen einer PAH-FITC-Adsorption.
3 zeigt die Transmissions- und Fluoreszenz- (Teilbild) CLSM-Mikrobilder eines FDA-Kristalls, der durch Adsorption von PSS dispergiert wurde und weiter mit neun Polyelektrolytschichten beschichtet wurde, wobei die äußerste Schicht PAH-FITC, [(PAH/PSS)₄/PAH-FITC] ist.
4 zeigt die CLSM Transmissions- (a) und Fluoreszenz- (b) Mikrobilder von hohlen Polymerkapseln, die von polymerbeschichteten FDA-Mikrokristallen abgeleitet sind. Die Polymerkäfige wurden von polymerbeschichteten FDA-Mikrokristallen erhalten. Die FDA-Mikrokristalle wurden durch Adsorption von PSS dispergiert und zusätzlich mit neun Polyelektrolytschichten beschichtet, wobei die äußerste Schicht PAH-FITC, [(PAH/PSS)₄/PAH-FITC] war. Die Teilbilder zeigen einen einzelnen hohlen Polymerkäfig, der nach dem Auflösen des Kerns von mit SDS dispergiertem FDA erhalten wurde und mit elf Polyelektrolytschichten [(PAH/PSS)₄/PAH-FITC] beschichtet ist. Die Skalabalken in den Teilbildern entsprechen 2 μm.
5 zeigt die TEM-Bilder von luftgetrockneten hohlen Polymerkapseln, die nach Entfernung des Mikrokristalltemplatkerns mit Ethanol erhalten wurden. (a) Der PYR-Kern wurde durch SDS dispergiert und mit elf Polyelektrolytschichten beschichtet. (b) FDA wurde durch PSS dispergiert und mit neun Polyelektrolytschichten beschichtet. Die Polymerkapseln flachten in Folge des Trocknens ab und Faltungen und Knitterungen sind sichtbar. Ein entscheidender Unterschied in der Porosität wurde für die Polymerkapseln abhängig davon beobachtet, ob ein oberflächenaktives Mittel (a, weniger porös) oder PSS (b, mehr porös) verwendet wurde, um die Mikrokristalle zu dispergieren. Ähnliche Unterschiede wurden für sowohl die PYR- als auch FDA-Systeme beobachtet. Die Skalabalken in den Teilbildern entsprechen 200 nm.
Beispiele
1. Materialien
Pyren (PYR) wurde von Aldrich bezogen und Fluoresceindiacetat (FDA) von Sigma. Das Polykation, Poly(allylaminhydrochlorid) (PAH), M_w 15000, und das Polyanion, Poly(natrium 4-styrolsulfonat) (PSS), M_w 70000, wurden von Aldrich erhalten. Die positiv geladenen oberflächenaktiven Mittel Didodecylmethyl ammoniumbromid (DDDAB), Hexadecyltrimethylammoniumbromid (HDTAB), Dodecyltrimethylammoniumbromid (DTMAB), Myristyltrimethylammoniumbromid (MTMAB), und das negativ geladene oberflächenaktive Mittel Natriumdodecylsulfat (SDS) waren jeweils von Aldrich. Das Dipalmitoyl-DL-α-phosphatidylcholin (DPPC) wurde von Sigma bezogen. Alle Reagenzien wurden wie erhalten verwendet, außer PSS, welches vor Verwendung gegen Milli-Q-Wasser (M_w-Cut-Off 14000) dialysiert und lyophilisiert wurde.
2. Herstellung von mit Fluoresceinisothiocyanat markiertem PAH (PAH-FITC)
Eine wässrige Lösung von 500 mg PAH in 6 ml Wasser wird mit 1 M NaOH auf einen pH-Wert von 8,1 eingestellt. Eine wässrige Lösung von 4 mg FITC in 500 μl DMSO wird zu der PAH-Lösung zugegeben (Konjugationsverhältnis FITC/PAH-Monomer ist 1/500). Die Mischung wird über Nacht bei Raumtemperatur inkubiert und anschließend mit einem 3 μm-Filter filtriert. Das unkonjugierte FITC wird von dem Konjugat durch Gelfiltration über eine PD-10-Säule (Pharmacia) entfernt. Die endgültigen Fraktionen werden gegen deionisiertes Wasser über Nacht unter Verwendung eines 0,5–2 ml Slide-A-Lizer-Rahmens (Pierce) mit einer Molekulargewichtsausschlussgrenze von 3500 Da dialysiert. Ausbeute: 25 ml PAH-FITC-Lösung mit einer Konzentration von 9 mg/ml.
3. Assemblierung von Polyelektrolyt-Multischichten auf organischen Mikrokristallen
Die Schicht-auf-Schicht-Assemblierung von Polyelektrolyten auf FDA- oder PYR-Mikrokristallen wurde wie folgt durchgeführt: 50 mg feingemahlene Kernpartikel (FDA oder PYR) wurden zunächst sorgfältig mit 12 ml an 0,2–0,4 Gew.-% des Dispergierungsmittels (ionisches oberflächenaktives Mitte, Lipid oder geladenes Polymer) gemischt. Kristallines Fluoresceindiacetat oder Pyren kann unter Verwendung von z. B. einem Mörser und Pistill zu feinen Partikeln gemahlen werden. Es können jedoch auch verbesserte Kugelmahlverfahren verwendet werden.
Die Kristalle wurden suspendiert durch ihre unmittelbare Beschallung für 5 min. Die Suspension wurde für 30 min stehen gelassen, wodurch ein Absetzen der größeren Kristalle ermöglicht wurde, oder sie wurden vorsichtig zentrifugiert. Der trübe weiße Überstand wurde anschließend extrahiert, zentrifugiert und mehrmals gewaschen und schließlich in Wasser wieder suspendiert.
Die resultierenden Mikrokristallpartikel wurden anschließend Schicht auf Schicht mit PSS und PAH beschichtet.¹⁸ Wenn positiv geladene oberflächenaktive Mittel oder DPPC als die erste Schicht verwendet wurden, wurde zuerst 1 ml PSS-Lösung (5 mg/ml mit 0,5 M NaCl) zugegeben. Es wurde zuerst PAH-Lösung (1 ml an 5 mg/ml mit 0,5 M NaCl) zugegeben, wenn PSS oder SDS auf den Mikrokristallen adsorbiert war. Nach einer Adsorptionszeit von 15 min für PAH- oder PSS-Adsorption wurde die Suspension bei 3000 g für 5 min zentrifugiert. Der Überstand wurde anschließend entfernt und es wurden 3 Zyklen an Waschen mit Wasser und Redispergieren angewendet, um den Überschuss an nicht adsorbiertem Polyelektrolyt in Lösung zu entfernen. Anschließende Polyelektrolytschichten, die eine entgegengesetzte Ladung zu der bereits auf dem Partikel adsorbierten trugen, wurden auf identische Weise abgelagert, um Multischicht-beschichtete Mikrokristalle zu bilden. In einigen Fällen wurde der fluoreszenzmarkierte Polyelektrolyt PAH-FITC verwendet (als eine 2 mg/ml-Lösung mit 0,5 M NaCl), um eine Fluoreszenzschicht auf der Mikrokristalloberfläche zu bilden.
Die Reihenfolge der Polyelektrolytbeschichtung und die resultierenden Zeta-Potenziale sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben und außerdem in 2 graphisch dargestellt.
Tabelle 1: Zeta-Potenzial von Fluoresceindiacetat-Kristallen als eine Funktion der Schichtanzahl und des Polyelektrolyten
Tabelle 2: Zeta-Potenzial von Pyrenkristallen als eine Funktion der Schichtanzahl und des Polyelektrolyten
Die Behandlung der Kristalle mit der SDS-Lösung führt zu einer hohen negativen Oberflächenladung (siehe Schicht Nr. 1 in den Tabellen 1 und 2). Die resultierenden Suspensionen sind sehr stabil und ideal geeignet als Template für die Beschichtung mit Polyelektrolyten. Die abwechselnde Ladung des Zeta-Potenzials zeigt die erfolgreiche Beschichtung. Die Beschichtung wurde außerdem durch Anwendung von FITC-konjugiertem PAH und dessen Sichtbarmachung durch Fluoreszenzmikroskopie bestätigt.
Die Morphologie der Kristalle ändert sich während der Beschichtungsverfahren nicht. Die Ausbeute an beschichteter Substanz wird nur durch einen kleinen Verlust beim Zentrifugations/Waschschritt verringert und kann auf hohe Raten von ungefähr 98% optimiert werden.
Zusätzlich zu dem vorhergehend beschriebenen Experiment wurden auch Einkapselungen unter anderen Bedingungen (Konzentration des oberflächenaktiven Mittels 0,2–0,4 Gew.-%, Beschallung 5–30 min, niedrigere Polyelektrolytkonzentrationen) erfolgreich durchgeführt.
4. Freisetzungsexperimente
12 ml Lösungsmittel (Ethanol oder Ethanol/Wasser-Mischungen) wurden in 15 ml-Röhrchen verteilt. 0,1 ml der beschichteten Mikrokristallsuspension von Beispiel 3 wurden anschließend rasch zu jedem Röhrchen zugegeben und nach definierten Zeiträumen (2, 5, 10 min etc.) wurde die Suspension bei 3000 g für 5 min zentrifugiert. Ein Teil des Überstands wurde entfernt und auf Anwesenheit von PYR von FDA durch Fluoreszenz getestet. Für PYR wurde die Intensität der Fluoreszenzemission des Überstands direkt gemessen unter Verwendung einer Anregungswellenlänge (λ_ex) von 350 nm und die Emission (λ_em) bei 373 nm angezeigt. FDA wurde vor der Fluoreszenzmessung zuerst durch Behandlung mit entweder Esterase oder verdünnter Base zu Fluoreszein hydrolysiert (λ_ex = 492 nm, λ_em = 513 nm). Als Kontrollexperiment wurden auch die Freisetzungseigenschaften von unbeschichteten Partikeln wie oben aufgeführt untersucht.
5. Herstellung von hohlen Polymerkapseln durch Entfernen des hydrophoben Templats mit organischen Lösungsmitteln
Der Mikrokristallkern wurde entfernt, indem 0,2 ml der beschichteten Partikelsuspension von Beispiel 3 mit 1 ml Ethanol (oder Chloroform) behandelt und zur Auflösung des Kerns 30 min belassen wurden. Die resultierenden hohlen Polymerkapseln wurden anschließend bei 10000 g für 10 min zentrifugiert, erneut mit Ethanol behandelt, weitere zweimal mit Wasser gewaschen und schließlich in Wasser resuspendiert.
Die resuspendierten Schalen wurden durch konfokale Fluoreszenzmikroskopie analysiert, was zeigte, dass durch das Verfahren hohle Schalen erhalten wurden. Die Form der Schalen ist aufgrund der anfänglichen Form des Templats unregelmäßig. Dies kann durch geeignete Auswahl des Templats optimiert oder maßgeschneidert werden.
6. Instrumente und Testverfahren
Mikroelektrophorese
Die mikroelektrophoretische Mobilität von beschichteten organischen Mikrokristallen wurde mit einem Malvern-Zetasizer 4 gemessen, indem der Mittelwert von 5 Messungen als stationärer Wert angenommen wurde. Die Mobilitäten (μ) wurden in die elektrophoretischen Potenziale (ζ) umgewandelt unter Verwendung der Smoluchowski-Beziehung ζ = μη/ε, wobei η und ε die Viskosität bzw. Permittivität der Lösung sind.²⁵ Alle Messungen wurden an Mikrokristallen durchgeführt, die in Luft-ausgeglichenem reinem Wasser (pH ~ 5,6) dispergiert waren.
Konfokale Laserscanmikroskopie (CLSM)
CLSM-Bilder wurden mit einem konfokalen Laserscan-Aristoplan-Mikroskop von Leica mit einem 40 × Ölimmersionsobjektiv durchgeführt.
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
TEM-Messungen wurden an einem Philips CM12-Mikroskop durchgeführt, das mit 120 kV betrieben wurde. Die TEM-Proben wurden durch Ablagerung einer verdünnten Partikelsuspension auf einem kohlebeschichteten Kupfernetz hergestellt. Die Mischung wurde für 1 min an Luft trocknen gelassen, wobei nach dieser Zeit die überschüssige Lösung durch Abtupfen mit Filterpapier entfernt wurde.
Kernkraftmikroskopie (AFM)
AFM-Bilder wurden erhalten unter Verwendung eines Nanoscope IIIa AFM (Digital Instruments, CA) im Einfangmodus. Die Proben wurden hergestellt, indem ein Tropfens einer verdünnten Lösung auf eine frisch gespaltene Glimmer-Oberfläche appliziert wurde, man 1 min an Luft trocknen ließ und anschließend die überschüssige Lösung abgetupft wurde.
Fluoreszenzspektroskopie
Steady-State-Fluoreszenzspektren wurden unter Verwendung eines Spex Fluorolog 1680-Spektrometers aufgenommen. Sowohl Anregungs- als auch Emissionsbandweiten wurden auf 1,0 nm eingestellt. Alle Messungen wurden an Luft-ausgeglichenen Lösungen bei 25°C durchgeführt.
Referenzen und Anmerkungen

1. Park, K. Controlled Drug Delivery: Challenges and Strategies, Am. Chem. Soc., Washington, DC, 1997
2. Ribeiro, A. J.; Neufeld, R. J.; Arnaud, P.; Chaumeil, J. C. Int. J. Pharm. 1999, 187, 115
3. Langer, R. Nature, 1998, 392, 5–10
4. Rilling, P.; Walter, T.; Pommersheim, R.; Vogt, W. J. Membrane Sci. 1997, 129, 283.
5. Hari, P. R.; Chandy, R.; Sharma, C. P. J. Microencapsulation 1996, 13, 319.
6. Kreuter, J. Colloidal Drug Delivery Systems, Marcel Dekker, New York, 1994.
7. Arshady, R. J. Controlled Release 1991, 17, 1.
8. Kirpotin, D.; Chan, D. C. F.; Bunn, P. WO 98/14180, 1998.
9. Haynes, D. H. U. S. Patent Nr. 5,091,187, 1992.
10. Für einen Überblick, siehe: Caruso, F. Chem. Eur. J. 2000, 6, 413.
11. Caruso, F.; Möhwald, H. Langmuir 1999, 15, 8276.
12. Caruso, F.; Caruso, R. A.; Möhwald, H. Chem. Mater. 1999; 11, 3309.
13. Caruso, F.; Caruso, R. A.; Möhwald, H. Science 1998, 282, 1111.
14. Caruso, F.; Donath, E.; Möhwald, H. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 2011.
15. Donath, E.; Sukhorukov, G. B.; Caruso, F., Davis, S. A.; Möhwald, H. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2201.
16. Caruso, F.; Möhwald, H. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 6039.
17. Caruso, C. Schüler und D. G. Kurth, Chem. Mater., 1999, 11, 3394.
18. Caruso, F.; Trau, D.; Möhwald, H.; Renneberg, R. Langmuir 2000, 16, 1485.
19. D. H. Haynes, U. S. Patent Nr. 5,091,187, 1992.
20. 50 mg an feingemahlenem kristallinen Kern (PYR oder FDA, Aldrich) wurden zu 12 ml einer wässrigen Lösung eines 0,2 gew.-%-igen oberflächenaktiven Mittels (SDS oder DDDAB, Aldrich) zugegeben. Die Kristalle wurden durch ihre unmittelbare Beschallung für 5 min suspendiert. Die Suspension wurde für 30 min stehen gelassen, wodurch ein Sedimentieren der größeren Kristalle ermöglicht wurde. Der trübe weiße Überstand wurde anschließend extrahiert, zentrifugiert und mehrere Male gewaschen und schließlich in Wasser resuspendiert.
21. PAH/PSS-Multischichten wurden auf den Templaten unter Verwendung der vorhergehend beschriebenen Vorgehensweise hergestellt.⁵ Kurz, die mit einem oberflächenaktiven Mittel beschichteten Mikrokristalle wurden mit 1 ml einer 5 mg/l Polyelektrolytlösung behandelt (entweder PSS, M_w 70000 oder PAH, M_w 15000 (Aldrich), abhängig von dem verwendeten oberflächenaktiven Mittel), die 0,5 M NaCl enthielt. Nach einer 15-minütigen Adsorptionszeit wurde der überschüssige Polyelektrolyt durch wiederholte Zentrifugations- und Waschzyklen entfernt. Nachfolgende Polyelektrolytschichten wurden auf identische Weise abgelagert.
22. F. Caruso, H. Lichtenfeld, E. Donath und H. Möhwald, Macromolecules, 1999, 32, 2317.
23. D. Myers, Surfactant Science and Technology, Second Edition, VCH, Weinheim, 1992.
24. Die Mikrokristalle konnten nicht leicht dispergiert werden, indem sie einfach mit Polelektrolyt (z. B. PAH, Poly(diallyldimethylammoniumchlorid) PDADMAC) und Copolymere von DADMAC und Arcylamid) behandelt wurden. Die einzige Ausnahme war PSS, welches eine aromatische Gruppe enthält, die möglicherweise für sein amphiphiles Verhalten bei der Beschichtung der Mikrokristalle und deren Stabilisierung verantwortlich ist.
25. Hunter, R. J. Foundations of Colloid Science, Clarendon Press, Oxford, 1989, Vol. II, S. 807.
26. Myers, D. Surfactant Science and Technology, Second Edition, VCH, Weinheim, 1992.
27. Sukhorukov, G. B.; Brumen, M.; Donath, E.; Möhwald, J. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6434.
28. Moya, S.; Sukhorukov, G. B.; Auch, M.; Donath, E.; Möhwald, H. J. Colloid Interface Sci. 1999, 216, 297.
29. Moya, S.; Dähne, L.; Voigt, A.; Donath; E.; Möhwald, H. zur Veröffentlichung eingereichted.
30. Decher, G.; Schmitt, J. Prog. Colloid Polym. Sci. 1992, 89, 160.
31. Lvov, Y.; Decher, G.; Möhwald, H. Langmuir 1993, 9, 481.
32. Caruso, F.; Niikura, K.; Furlong, D. N.; Okahata, Y. Langmuir 1997, 13, 3422.

Claims

Verfahren zur Einkapselung eines ungeladenen kristallinen Feststoffmaterials in der Form von Partikeln, umfassend: (a) Behandeln des kristallinen Feststoffpartikelmaterials mit einer amphiphilen Substanz und (b) anschließendes Beschichten des Materials mit einer Schicht eines geladenen Polyelektrolyten oder mit einer Multischicht umfassend abwechselnde Schichten von entgegensetzt geladenen Polyelektrolyten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Feststoffmaterial eine geringe Löslichkeit in Wasser aufweist, in Wasser unlöslich ist oder in Wasser nicht dispergierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Feststoffmaterial ein organisches Material, ein Biomaterial oder ein anorganisches Material ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Feststoffmaterial ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Arzneimitteln, Vitaminen, Nährstoffen, Hormonen, Wachstumsfaktoren, Pestiziden, Antibiotika und Konservierungsmitteln oder Gemischen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Feststoffmaterial ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Einzelkristallen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Feststoffmaterial ein synthetisches Material oder ein aus natürlichen Quellen isoliertes Material oder ein chemisch modifiziertes isoliertes Material ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die amphiphile Substanz ausgewählt wird aus ionischen oberflächenaktiven Mitteln, Phospholipiden und amphiphilen Polyelektrolyten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein kationisches oder ein anionisches oberflächenaktives Mittel oder eine Kombination von anionischen und kationischen oberflächenaktiven Mitteln verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das kationische oberflächenaktive Mittel ausgewählt wird aus der Substanzklasse von quaternären Ammoniumsalzen ((R₄N⁺)X^–), insbesondere Didodecyldimethylammoniumbromid (DDDAB), Alkyltrimethylammoniumbromiden, insbesondere Dodecyltrimethylammoniumbromid oder Palmityltrimethylammoniumbromid oder N-Alkylpyridiniumsalzen oder tertiären Aminen ((R₃NH⁺)X^–), insbesondere Cholesteryl-3β-N-(dimethyl-aminoethyl)carbamat oder sekundären Aminen ((R₂NH₂ ⁺)X^–) oder primären Aminen ((RNH₃ ⁺)X^–) oder Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das anionische oberflächenaktive Mittel ausgewählt wird aus der Substanzklasse von Alkylsulfonaten (R-SO₃M), insbesondere Dodecylsulfat, Laurylsulfat oder Olefinsulfonaten (R-SO₃M), insbesondere Natrium-n-dodecylbenzolsulfonat oder Alkylsulfaten R-OSO₃M oder Fettsäuren (R-COOM), insbesondere Dodecansäurenatriumsalz oder Phosphorsäuren oder Cholinsäuren oder Fluororganika, insbesondere Lithium-3-[2-(perfluoralkyl)-ethylthio]propionat oder Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die amphiphile Substanz eine polymere Substanz ist, welche geladene Gruppen und hydrophobe Seiten aufweist, insbesondere Poly(styrolsulfonat) (PSS), oder ein Blockcopolymer ist, insbesondere Poly(ethylethylen-blockstyrolsulfonsäure (PEE-PSS).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Polyelektrolyt ausgewählt wird aus organischen Polymeren, Biopolymeren, anorganischen Polymeren und Gemischen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Polyelektrolyt ein lineares oder ein nicht lineares Polymer oder Gemische von diesen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Polyelektrolyt ein Blockcopolymer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Polyelektrolyt nach dem Templatieren quervernetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, worin die Quervernetzung zwischen den Polymeren in einer Schicht oder/und zwischen den Schichten bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, worin der Polyelektrolyt ein organisches Polymer ist, ausgewählt aus bioabbaubaren Polymeren, insbesondere Polyglykolsäure (PGA), Polymilchsäure (PLA), Polyamiden, Poly-2-hydroxybutyrat (PHB), Polycaprolacton (PCL), Poly(milch-co-glykol) säure (PLGA), fluoreszenzmarkierten Polymeren, leitfähigen Polymeren, Flüssigkristallpolymeren, photoleitfähigen Polymeren, photochromen Polymeren und Copolymeren und/oder Gemischen von diesen.
Verfahren nach Anspruch 12, worin der Polyelektrolyt ein Biopolymer ist, ausgewählt aus Polyaminosäuren, insbesondere Peptiden, S-Layer-Proteinen, Polykohlenwasserstoffen, insbesondere Dextrin, Pektin, Alginat, Glykogen, Amylose, Chitin, Chondroitin, Hyaluronsäure, Polynukleotiden, insbesondere DNA, RNA, Oligonukleotiden oder/und modifizierten Biopolymeren, insbesondere Carboxymethylcellulose, Carboxymethyldextran oder Ligninsulfonaten.
Verfahren nach Anspruch 12, worin der Polyelektrolyt ein anorganisches Polymer ist, ausgewählt aus Polysilanen, Polysilanolen, Polyphosphazenen, Polysulfazenen, Polysulfiden und Polyphosphaten und Gemischen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin geladene Nanopartikel und/oder Biomoleküle als Kapselmaterialien abgelagert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das überschüssige Material an amphiphilen Substanzen, Polyelektrolyten und/oder Nanopartikeln und Biomolekülen, die nicht zur Bildung der Beschichtung beitragen, nach jedem Beschichtungsschritt abgetrennt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das eingekapselte Material eine stabile Suspension in einer wässrigen Phase bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kapseldicke und Durchlässigkeit für die kontrollierte Freisetzung des eingekapselten Materials durch mindestens eines der folgenden Merkmale kontrolliert wird: die Art des oberflächenaktiven Mittels, die Anzahl der Schichten, die Art des Polyelektrolyten, die Art der Nanopartikel oder Biomoleküle, einen zusätzlichen Quervernetzungsschritt, die Bedingungen der Polyelektrolyt-Assemblierung und die Art der amphiphilen Beschichtung.
Verfahren zur Herstellung von Kapseln mit einer Polyelektrolytschale, umfassend die Schritte: (a) Behandeln eines ungeladenen kristallinen festen Templatmaterials mit einer amphiphilen Substanz, (b) anschließendes Beschichten des kristallinen Feststoffmaterials mit einer Schicht eines geladenen Polyelektrolyten oder mit einer Multischicht umfassend abwechselnde Schichten von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten und (c) Entfernen des Kerns aus ungeladenem kristallinem festem Templatmaterial.
Verfahren nach Anspruch 24, worin aus dem eingekapselten Material hohle Kapseln gebildet werden, indem das Kernmaterial durch Behandeln mit einem organischen Lösungsmittel, in welchem das Material löslich ist oder mit einem sauren oder alkalischen Lösungsmittel, in welchem das Material ein lösliches Salz bildet oder mit Gemischen davon, entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, worin die hohlen Kapseln in einem wässrigen Lösungsmittel oder einem organischen Lösungsmittel oder Gemischen davon redispergiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24–26, worin ferner ein Wirkstoff in die Kapseln eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Größe der Poren innerhalb der Kapselwand durch die Art der verwendeten amphiphilen Substanz und/oder die Beschichtungsbedingungen der amphiphilen Substanz kontrolliert wird.
Polyelektrolytkapsel, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28.
Kapsel nach Anspruch 29, umfassend einen Kern, der aus ungeladenem Feststoffmaterial besteht.
Kapsel nach Anspruch 29, welche keinen nachweisbaren Rückstand des festen Kernmaterials umfasst.
Kapsel nach einem der Ansprüche 29–31, die eine endgültige Form aufweist, die durch das ungeladene feste Kernmaterial bestimmt ist.
Kapsel nach einem der Ansprüche 29–32, umfassend einen Wirkstoff.
Verwendung von Kapseln nach einem der Ansprüche 29–33 für die Einkapselung von Wirkstoffen.
Verwendung von Kapseln nach einem der Ansprüche 29–33 als Reaktionskammern.
Verwendung von Kapseln nach einem der Ansprüche 29–33 in der Sensorik, Oberflächenanalytik oder in Informationstechnologieanwendungen.
Verwendung von Kapseln nach einem der Ansprüche 29–33 in Pharmazie, Medizin, Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie, Kosmetik oder in Druckanwendungen.
Verwendung von Kapseln nach einem der Ansprüche 29–33 als langsame, gezielte oder kontrollierte Freisetzungssysteme.
Zusammensetzung, welche Kapseln nach einem der Ansprüche 29–33 in getrockneter Form enthält.
Zusammensetzung, welche Kapseln nach einem der Ansprüche 29–33 mit einer monodispersen Größenverteilung umfasst.