Fachbereich Agrarwirtschaft und Lebensmittelwissenschaften Studiengang Master Lebensmittel– und Bioprodukttechnologie 4. Fachsemester
Simona Gerike
Esterhydrolyse
Lösungsmittelhydrolyse zur Herstellung von biokompatiblen
Polymerpartikeln
Betreuer : Prof. Dr. M. Rüsch gen. Klaas
Dipl.–Ing. M. Jobmann
Kooperierendes Unternehmen : Fraunhofer–Institut für Angewandte
Polymerforschung (IAP)
Eingereicht am : 06.02.2013
Prüfungstermin : 11.02.2013
Danksagung
Es ist ein lobenswerter Brauch, wer was Gutes bekommt, der bedankt sich auch.
Wilhelm Busch
Mein größter Dank gilt der Leiterin der Abteilung Mikroverkapselung/Partikelanwendungen Frau Dipl.–Ing. Monika Jobmann für ihre Geduld und ihr Verständnis sowie die stete Bereitschaft mir mit Rat und Tat, sowohl in beruflicher als auch persönlicher Hinsicht, unterstützend bei der Durchführung der praktischen Arbeiten und schriftlichen Ausarbeitung zur Seite zu stehen. Ohne sie hätte diese Arbeit nie zu dem werden können, was sie heute ist.
Desweiteren richtet sich mein Dank an den Leiter des Fachbereichs Synthese– und Polymertechnik Herrn Dr. Mathias Hahn dafür, dass ich meine Arbeit in seinem Fachbereich anfertigen durfte.
Herrn Prof. Dr. Mark Rüsch gen. Klaas möchte ich dafür danken, dass er, obwohl er nicht mehr der Hochschule Neubrandenburg angehört, sich bereit erklärt hat meine Arbeit zu betreuen. Folgenden Personen möchte ich ebenfalls meinen ausdrücklichen Dank aussprechen: Frau Katrin Hohmann für die Unterstützung während der praktischen Laborarbeiten.
Frau Dipl.–Ing. (FH) Marlies Walter und Frau Dipl.–Ing. (FH) Kathrin Jesse für die Aufnahme der GPC–Proben. Bei Fr. Jesse möchte ich darüber hinaus für die stete Bereitschaft zur Diskussion und Interpretation meiner Ergebnisse sowie zur Klärung diverser Probleme herzlich bedanken.
Frau Dipl.–Chem. Jeanett Köhn für die Aufnahme der UV/VIS–Proben und das Korrektur lesen meiner Arbeit sowie die konstruktive Kritik, die ebenfalls zum Gelingen der Arbeit beigetragen hat.
Herrn Dipl.–Ing. (FH) André Gomoll für zahlreiche aufschlussreiche und interessante Diskussionen.
Dem gesamten Fachbereich möchte ich hiermit meinen herzlichsten Dank für das entgegengebrachte Vertrauen und die freundschaftliche Arbeitsatmosphäre ausdrücken. Meine Arbeit hat mir viel Freude bereitet und ich war sehr gerne ein Teil dieses Kollegiums.
An dieser Stelle möchte ich auch meiner Mutter aus tiefstem Herzen danken, die mir während des gesamten Studiums Unterstützung und Rückhalt gegeben hat.
Abstract
In the master´s thesis at the Fraunhofer–Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), different particle formation processes which are based on the principle of ester hydrolysis, were investigated.
The studies concern primarily the synthesis of loaded microcapsules by ammonolysis. During ammonolysis the organic polymer solvent (ethyl acetate) was hydrolyzed by ammonia and decomposed with the formation of the water–soluble products, which diffuse further into the aqueous phase, in which the polymer solution was emulsified. The emulsified polymeric droplets precipitated as matrix capsules.
Various biopolymers, Poly(D, L–Lactid) as well as low and high molecular weight Poly(İ–Caprolacton) were used as the capsule materials to study the suitability of the ammonolysis process for the microencapsulation of active ingredients. Different methods are applied to characterize the synthesized matrix capsules with the respect to their loading capacity and release properties of the active ingredient.
Based on the article published by LEE et al. two alternative methods of ester hydrolysis (addition of sodium hydroxide and hydrochloric acid) were applied and compared to ammonolysis.
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis verwendeter Abkürzungen 8
Verzeichnis verwendeter Variablen und Formelzeichen 9
1 Einleitung 10
2 Stand der Technik 11
2.1 Biokunststoffmarkt 11
2.2 Biopolymere 13
2.3 Applikationsfeld Medizintechnik 14
2.4 Kontrolliert therapeutische Systeme 15
2.4.1 Konzept 15
2.4.2 Darreichungsformen 16
2.4.3 Darstellung 17
2.4.4 Polymermaterialien 21
2.4.4.1 Synthetische biodegradierbare biokompatible Polymere 21
2.4.4.2 Polylactid 22
2.4.4.3 Poly(İ–Caprolacton) 26
2.4.4.4 Polyvinylalkohol 27
2.4.5 Wirkstoffe 29
2.4.5.1 Mechanismen der Wirkstofffreisetzung 29
2.4.5.2 Coffein 30
2.4.5.3 Pfefferminzöl 31
2.4.5.4 Pigment 32
3 Material und Methoden 33
3.1 Materialien 33
3.1.1 Polymere 33
3.1.2 Wirkstoffe 33
3.2 Methoden 35
3.2.1 Herstellung des Matrixmaterials 35
3.2.2 Darstellung der Matrixkapseln 35
3.2.2.1 Ammonolyse 35
3.2.2.2 Basische Verseifung 37
3.2.2.3 Säurekatalyse 38
3.3.1 Verfahren der optischen Messtechnik 39
3.3.1.1 Exkurs: Licht 39
3.3.1.2 Farbmessung 40
3.3.1.3 Polarimetrie 42
3.3.1.4 Laserdiffraktometrie 44
3.3.1.5 Rasterelekronenmikroskopie 45
3.3.2 Spektroskopische Messmethoden: Ultraviolett–Visible–Spektroskopie 46
3.3.3 Chromatographische Messmethoden: Gelpermeationschromatografie 48
3.3.4 Thermische Messmethoden 49
3.3.4.1 Feuchtigkeitsbestimmung 49
3.3.4.2 Thermogravimetrische Analyse 49
4 Ergebnisse 51
4.1 Versuchsübersicht 51
4.2 Auswahl von Modellsubstanzen für die Mikroverkapselung 53
4.2.1 Ergebnisse 53
4.2.2 Ergebnisauswertung 54
4.3 Modellsubstanz Coffein 56
4.3.1 Ergebnisse 56
4.3.1.1 Herstellung der coffeinbeladenen Matrixkapseln 56
4.3.1.2 Bestimmung der Coffeinbeladung 57
4.4 Modellsubstanz Pfefferminzöl 60
4.4.1 Ergebnisse 60
4.4.1.1 Herstellung der pfefferminzölbeladenen Matrixkapseln 60
4.4.1.2 Freisetzungsuntersuchung und Ölgehaltbestimmung 60
4.4.2 Ergebnisauswertung 63
4.5 Modellsubstanz rotes Pigment 66
4.5.1 Ergebnisse 66
4.5.1.1 Herstellung der pigmentbeladenen Matrixkapseln 66
4.5.1.2 Bestimmung des Pigmentgehaltes in den Matrixkapseln 67
4.5.2 Ergebnisauswertung 69
4.6 Alternative Verfahren zur Esterhydrolyse 72
4.6.1 Ergebnisse 72
4.6.2 Ergebnisauswertung 73
4.7 Fehleranalyse 81
4.8 Abschlussdiskussion und Ausblick 83
5 Zusammenfassung 86
Quellenverzeichnis 87
Abbildungsverzeichnis 91
Tabellenverzeichnis 93
Anhang 94
Verzeichnis verwendeter Abkürzungen
AS – Arzneistoff BV – Basische Verseifung
DD – Destillat Dekanat EEE – Essigsäureethylester EK – Esterspaltende Komponente FD – Feststoff Dekanat GPC – Gelpermeationschromatographie HV – Hauptversuch
IPF – Isopropylformiat LMK – Lichtmikroskop
MS – Milchsäure MK – Matrixkapseln
PCL – Poly(İ–Caprolacton) PDI - Polydispersitätsindex
PDLA – Poly(D–Lactid) PDLLA – Poly(D, L–Lactid)
PE – Polyethylen PEEK – Polyetheretherketon
PET – Polyethylenterephthalat PGA – Polyglycolsäure
PGL – Polyglykolid PGV – Partikelgrößenverteilung
PHA – Polyhydroxyalkanoat PHB – Polyhydroxybutyrat
PL – Probenlösung PLA – Polylactid
PLLA – Poly(L–Lactid) PP – Polypropylen
PTFE – Polytetrafluorethylen PVAc – Polyvinylacetat
PVAL – Polyvinylalkohol PVALB – Polyvinylalkohollösung im
PVALT – Polyvinylalkhollösung im Vorlagegefäß (Becherglas)
Scheidetrichter PVC – Polyvinylchlorid
RE – Rückstreuelektronen REM – Rasterelektronenmikroskop ROP – Ringöffnungspolymerisation RI – Brechungsindex
SE – Sekundärelektronen SK – Säurekatalyse
TGA – Thermogravimetrische Analyse UV/VIS – ultraviolettes/sichtbares Licht
VV – Vorversuch WS – Wirkstoff
Verzeichnis verwendeter Variablen und Formelzeichen
a* – Rot–Grün–Wert
[Į]D25 – spezifischer Drehwinkel bei 589nm und 25°C b* – Blau–Gelb–Wert
ȕ(Ȝ) – spektraler Reflexionsgrad
c – Konzentration
cAnsatz – Konzentration des Reaktionsansatztes cLicht – Lichtgeschwindigkeit
d - Schichtdicke Küvette
F – Farbe
f – Frequenz
I – Intensität der aus der Probe austretenden Strahlung I0 – Intensität des einfallenden Lichtes
L* – Helligkeitswert
Ȝ – Wellenlänge
m – Masse
mi – Masse der Fraktion mit der Molmasse Mi
Mn – zahlenmittlere Molmasse
Mw – gewichtsmittlere Molmasse
ni – Anzahl der Teilchen mit der Molmasse Mi
o, p, q – Variablen verschiedener Trocknungsstufe (Freisetzungsuntersuchung) S(Ȝ) – Strahlungsfunktion
ı – Standardabweichung
t – Zeit
tR – Reaktionszeit (Zeit bis zur Wasserzugabe)
Vh – hydrodynamisches Volumen
Xɭ – arithmetischer Mittelwert xɭ, yɭ, zɭ – Normspektralwertfunktionen X, Y, Z – Normvalenzen
1 Einleitung
In den letzten Jahren werden die Forschungen im Bereich kontrolliert therapeutischer Systeme zunehmend intensiviert. Kontrolliert therapeutische Systeme dienen zur lokal gezielten und konstanten Wirkstofffreigabe über einen definierten Zeitraum hinweg. Matrixkapseln stellen eine Darreichungsform kontrolliert therapeutischer Systeme dar. Im Fokus der Forschungs– und Entwicklungsarbeiten steht unter anderem die Entwicklung neuer Partikelbildungsverfahren bzw. die Modifikation eingeführter Methoden wie Lösungsmittelverdampfung oder Lösungsmittelextraktion.
Im Rahmen der Master–Thesis werden am IAP, dem Fraunhofer–Institut für Angewandte Polymerforschung, verschiedene Partikelbildungsverfahren, die auf dem Prinzip der Esterhydrolyse basieren, untersucht. Im Mittelpunkt steht die Darstellung wirkstoffbeladener Matrixkapseln mithilfe des Ammonolyseverfahrens. Im Vergleich zu den oben genannten Standardmethoden ist der apparative Aufwand gering und es kann auf den Einsatz halogenierter, gesundheitsschädlicher Lösungsmittel verzichtet werden.
Beim Ammonolyseverfahren wird die organische Phase, die sich aus dem organischen Lösungsmittel sowie dem solvatisierten polymeren Kapselwandmaterial und einem Wirkstoff zusammensetzt, in einer kontinuierlichen wässrigen Phase emulgiert. Das Lösungsmittel (Essigsäureethylester) wird mittels Ammoniak hydrolysiert und die wasserlöslichen Hydrolyseprodukte diffundieren in die wässrige Phase, die emulgierten Tröpfchen härten aus und es entstehen wirkstoffbeladene Matrixkapseln.
Die Eignung des Ammonolyseverfahrens zur Mikroverkapselung von Wirkstoffen unterschiedlicher Eigenschaftsprofile wird mit verschiedenen Biopolymeren (Poly(D, L–Lactid) sowie nieder– und hochmolekulares Poly(İ–Caprolacton) als Kapselwandmaterial untersucht. Mithilfe ausgewählter analytischer Messmethoden wie UV/VIS–Spektroskopie, Thermogravimetrie und Farbmessung werden die dargestellten Matrixkapseln hinsichtlich Wirkstoffbeladung und Wirkstofffreisetzung untersucht.
Darüber hinaus wird das Ammonolyseverfahren mit zwei alternativen Varianten der Esterhydrolyse verglichen. Basierend auf einer Literaturvorschrift nach LEE et al. wird der Ester bei diesen Verfahren nicht durch Ammoniak, sondern durch Salzsäure bzw. Natronlauge hydrolysiert. Die resultierenden Matrixkapseln werden bezüglich Molekulargewicht und Morphologie analysiert.
2 Stand der Technik 2.1 Biokunststoffmarkt
Die Produkte der Biokunststoffindustrie stehen in der Verantwortung zahlreiche Erwartungen erfüllen zu müssen. Dazu zählen die Leistung eines Beitrages zum Klimaschutz, die Ermöglichung von mehr Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen, die Verbesserung des Ansehens von Kunststoffprodukten sowie die Anbietung von Lösungen der Abfallproblematik.[1] Die dauerhaft herrschende Debatte bezüglich Umweltschutz und Ressourcenschonung sowie der prognostizierte Anstieg der Rohölpreise veranlassen die Kunststoffindustrie verstärkt in die Forschung und Entwicklung von Biokunststoffen zu investieren.[2]
Heutzutage sind Biokunststoffe ausgereifte Materialien, die in einer Vielzahl von Märkten anzutreffen sind.[3] Weltweit die wichtigsten Verbraucher von Biokunststoffen sind Hersteller von Verpackungsmaterialien sowie die Automobil– und Elektroindustrie. Weitere Anwendungssegmente sind Cateringprodukte, Hygieneartikel, Textilien, Sport– und Freizeitprodukte. [1]
Für die globale Produktion von Biokunststoffen, welche 2011 über 1 Mio. t betrug, wird für das Jahr 2016 ein Wert von etwa 6Mio.t prognostiziert (Abb. 1).[3]
Eine Vielzahl von Unternehmen hat angekündigt ihre Kapazitäten auszubauen bzw. befindet sich bereits im Anlagenbau. Braskem Corporation, Dow und Crystalev bauen beispielsweise Anlagen zur Herstellung von bio–PE und NatureWorks plant die Errichtung einer PLA–Anlage mit einer jährlichen Kapazität von 140 t.[2]
Abb. 1:Weltweite Produktionskapazitäten für Biokunststoffe [3]
Beeinflusst werden wird der Markt zukünftig hauptsächlich durch die Regionen Asien und Südamerika. Asien wird in Folge dynamischer Entwicklungen bezüglich Verbrauch und Produktion seinen Marktanteil ausbauen und in Südamerika ist ein sprunghafter Anstieg der Produktionskapazität, voraussichtlich aufgrund massiver Produktionssteigerungen in Brasilien, zu erwarten.[1]
In Abb. 2 sind Ist– und Prognosewerte der Produktionskapazität gegenübergestellt.
Abb. 2: Weltweite Produktionskapazität für Biokunststoffe (nach Regionen) im Jahr 2011(links) und 2016 (rechts)[3]
Auf dem Markt, welcher durch hohe Zuwachsraten (bis zu 20% pro Jahr) und zunehmende Vielfältigkeit von Biopolymeren gekennzeichnet ist (Abb. 3), sind aktuell insbesondere zwei Biokunststoff–Typen vertreten:
Biologisch abbaubare Polymere z.B. stärkebasierte Kunststoffe
Biobasierte, nicht biologisch abbaubare Massenkunststoffe wie PE und PET[3]
Abb. 3: Weltweite Produktionskapazität für Biokunststoffe (nach Materialtypen) im Jahr 2011 (links) und 2016 (rechts)[3]
In den Marktstudien von CERESANA und EUROPEAN BIOPLASTICS wird ein enormer Anstieg der Produktionskapazität für biobasierte, aber nicht biologisch abbaubare Kunststoffe, vor allem die Herstellung von Bio-PET, prognostiziert.[1,3] In dieser Marktstudie geht CERESANA davon aus, dass die Automobil– und Elektroindustrie zukünftig, neben dem Bereich Verpackungen und Folien, einer der wachstumsstärksten Sektoren (Zuwachsraten von bis zu 30% pro Jahr) sein wird.[1]
40% der Gesamtproduktion von Biokunststoffen entfielen 2011 auf Bio–PET. Bis 2016 wird sich der Anteil laut Vorhersagen verdoppeln. Aber auch die Produktionskapazität der biologisch abbaubaren Kunststoffe wird bis 2016 ansteigen. Einen erheblichen Beitrag dazu werden PLA (298t ؙ 50% Zuwachs) und PHA (142 t ؙ 550 % Zuwachs) leisten.[3]
2.2 Biopolymere
Bis heute hat sich noch keine einheitliche Definition für den Begriff „Biopolymer“ etabliert, deshalb gibt es immer wieder Missverständnisse bei Verwendung derartiger Begrifflichkeiten (Biopolymer, Biokunststoff, Bioplastics, biologisch abbaubare Kunststoffe etc.). Die zurzeit geeignetste Definition scheint zu sein: Ein Polymerwerkstoff gilt als Biopolymer, wenn er mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist:
besteht aus biobasierten bzw. nachwachsenden Rohstoffen und/oder ist biologisch abbaubar (= biodegradierbar).
Für diese beiden Eigenschaften steht auch die Vorsilbe „Bio“. Klassisch unterscheidet man drei Gruppen von Biopolymeren:
Biologisch abbaubare synthetische Biopolymere (z.B. PVAL, PCL) Biologisch abbaubare (überwiegend) biobasierte Biopolymere (PLA) Nicht biologisch abbaubare biobasierte Biopolymere (bio–PE, bio–PP)
Die biologische Abbaubarkeit von Biopolymeren und daraus hergestellten Kunststoffen ist also nicht abhängig von der Rohstoffbasis, sondern nur von der chemischen Struktur der Stoffe. Der biologische Abbau basiert auf dem Vorhandensein von Heteroatomen in den Hauptketten der Makromoleküle (wie z.B. Wasserstoff– oder Stickstoffatomen). Sie ermöglichen Mikroorganismen an diesen Stellen den Zugang zu den Ketten und die Initiierung der Kettenspaltung durch Enzyme in molekulare Spaltprodukte (Primärabbau), welche von der Zelle aufgenommen werden können. Danach erfolgt i.d.R. der enzymatische Endabbau zu Wasser, Kohlenstoffdioxid und Biomasse. Abzugrenzen von der biologischen Abbaubarkeit ist der Begriff der Kompostierbarkeit. Die Bezeichnung „biologisch abbaubar“ besagt lediglich, dass ein Kunststoff einem durch biologische Aktivität verursachten zeitunabhängigen Primär– und Endabbau unterliegt. Um als kompostierbar zu gelten, muss das Material präzise vorgeschriebene Prüfungen, festgehalten in den DIN–Normen EN 13432 und EN 14995, erfolgreich durchlaufen. Kompostierbarkeit bedeutet, dass ein Stoff und die aus ihm hergestellten Produkte unter definierten Bedingungen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne vollständig zu Wasser, Kohlenstoffdioxid und Biomasse umgewandelt werden kann.[4,5]
2.3 Applikationsfeld Medizintechnik
Seit nun mehr 50 Jahren werden Kunststoffe für klinische Zwecke angewendet. Gegenüber klassischen Werkstoffen wie Metallen und Keramiken weisen sie eine Reihe von Vorteilen auf, u.a. die Möglichkeit zur Einstellung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften, günstige Verarbeitungsverfahren und verhältnismäßig niedrige Rohstoffpreise. Aufgrund dessen wird die Substitution klassischer Werkstoffe durch Kunststoffe angestrebt. Bereits „ die Hälfte aller weltweit hergestellten medizintechnischen Produkte besteh[en] aus Kunststoffen“ (Kaiser, 2007).[7] In Folge der steten Weiterentwicklung der Polymerchemie einerseits und der Fertigungstechnologien für Kunststoffe andererseits sind die Anwendungsfelder für Polymere vielfältig. Die Palette umfasst Einmalartikel (z.B. Katheter, Spritzen), Verpackungen, Implantate (z.B. Gefäßprothesen, Nahtmaterial, Herzklappen, Stents), therapeutische Systeme (Drug–Delivery–Systeme) und medizinische Geräte.[6,7]
Zum Einsatz kommen die verschiedensten Polymere, angefangen bei Standardkunststoffen wie PVC über Elastomere bis hin zu Hochleistungskunststoffen (z.B. PEEK).[7] Um jedoch für medizinisch–pharmazeutische Applikationen genutzt werden zu können, müssen die Polymere und die aus ihnen hergestellten Produkte hohe Anforderungen erfüllen. Besondere Anforderungen sind beispielsweise die Sicherstellung der medizinischen Reinheit, die Sterilisierbarkeit der Produkte und deren Biokompatibilität (= Bioverträglichkeit). Das bedeutet, dass bei direktem Kontakt von Material und Lebewesen keinerlei Schäden auftreten dürfen, weder im Organismus noch beim Material. Bei resorbierbaren Materialen, welche u.a. zur Herstellung von Implantaten und chirurgischen Nähfäden dienen, muss darüber hinaus auch die Bioverträglichkeit der Spaltprodukte gewährleistet sein.[6] Aber ein biokompatibler Werkstoff muss weder zwingend vom Körper resorbiert werden können, noch ein Biopolymer sein. Denn sowohl bioinerte Materialien (z.B. keramische oder auf Titan basierende Implantate) und Siloxane, als auch einige spezielle Kunststoffe auf Basis von PE und PET gelten als biokompatibel.[7]
2.4 Kontrolliert therapeutische Systeme 2.4.1 Konzept
Für die medikamentöse Behandlung wird primär auf oral verabreichbare Darreichungsformen zurückgegriffen. Für eine Genesung sind aufgrund der Verstoffwechselung im Darm hohe Dosierungen notwendig, was zum Auftreten unerwünschter Nebenwirkungen führen kann. Bei vielen Arzneistoffen (AS) ist zudem eine häufige Anwendung erforderlich, die, zusätzlich zu den bereits erwähnten Nebenwirkungen, zu einer Beeinträchtigung des Arbeits– und Lebensrhythmus des Patienten führen könnte.
Für eine Genesung muss im Körper (Blut, Plasma, Gewebe) eine optimale therapeutische Konzentration erreicht werden. Bei konventionellen Darreichungsformen ist wegen der ineffektiven Wirkstoffabgabe die Wirkungsdauer jedoch relativ kurz. Der AS wird am Anwendungsort in sehr hoher Konzentration abgegeben. Bis zur nächsten Arzneistoffverabreichung fällt sie exponentiell ab, was zu starken Konzentrationsschwankungen im Gewebe führt. Um also zumindest theoretisch eine relativ konstante Wirkstoffkonzentration zu erreichen, wird das Zeitfenster zwischen den Anwendungen möglichst eng gewählt.
Aufgrund der oben benannten Grenzen konventioneller Darreichungsformen wird in den letzten Jahrzehnten intensiv an kontrolliert therapeutischen Systemen geforscht. Sie bestehen aus einem oder mehreren Wirkstoffen (WS), welche von einer Matrix umschlossen sind. Aufgabe dieser lokalen Wirkstoffdepots ist es „einen oder mehrere [AS] in vorausbestimmter Rate kontinuierlich über einen festgelegten Zeitraum an einen festgelegten Anwendungsort [abzugeben]“ (Zaffaroni, 1971).[6] Durch die temporär konstant abgegebene Arzneistoffmenge stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dessen Zufuhr und Elimination ein, wodurch innerhalb einer definierten Zeitspanne eine gleichmäßige Wirkstoffkonzentration im Gewebe aufrechterhalten werden kann. Die dafür erforderlichen Substanzmengen sind geringer, was die Sicherheit der Arzneitherapie erhöht und das Risiko von Nebenwirkungen vermindert.[6]
2.4.2 Darreichungsformen
Verschiedenste Polymere werden für die Herstellung kontrolliert therapeutischer Systeme verwendet (ա2.4.4.1). Zusätzlich zu den bereits erwähnten Eigenschaften müssen die polymeren Materialien noch weitere Anforderungen erfüllen:
Gute Löslichkeit und enge, einstellbare Molekulargewichtsverteilung Funktionalitäten zur Anbindung/Inkorporierung/Freisetzung von AS
Polymereigenschaften dürfen sich während Exposition nicht nachteilig verändern Ausscheidung nach kurzer Verweilzeit mit geringer Akkumulation im Gewebe[6]
Kontrolliert therapeutische Systeme werden in Mikropartikel, Membran– und Trägersysteme eingeteilt. Für Membransysteme wie die osmotische Pumpe werden nicht oder nur sehr langsam abbauende, dem WS gegenüber relativ inerte Polymere (z.B. Polysiloxane, PVAc) eingesetzt. Sie dienen zur Erzeugung einer zumeist semipermeablen Membran, welche den Arzneistoff umgibt.
Bei Trägersystemen ist der WS entweder chemisch an die Hauptkette (side–chain–bound active agent) gebunden oder ist Bestandteil dieser (main–chain–bound active agent). Eingesetzt werden hydrophile bzw. hydrolytisch oder enzymatisch degradierbare Polymere wie PHB und PGL. Als Hüllenmaterial zur Verkapselung von WS finden als bioresorbierbare Polymere u.a. PLLA, PGA und deren Copolymere sowie PVAL Verwendung.[6]
Mikropartikel werden in Mikro– und Matrixkapseln unterschieden. Mikrokapseln (= Reservoir–Typ, Mikrocontainer[8]) bestehen aus einem definierten Kern und einer ihn umgebenden differenziert permeablen oder dichten Schale.[9] Die Wirkstoffbeladung kann bis zu 90Gew.% betragen.[10] Seine Freisetzung kann schlagartig (z.B. durch mechanische oder thermische Einwirkung) oder diffusionskontrolliert durch die Kapselwand erfolgen.[8] Matrixkapseln hingegen (= Matrixpartikel, Matrixdepots, {MK}) sind monolithische Partikel, in denen der WS (meist weniger als 50Gew.%) molekular dispers in eine Polymermatrix eingebettet ist. Seine Freisetzung wird kontrolliert durch den Abbau der polymeren Matrix und erfolgt kontinuierlich.[11]
Verkapselt werden können prinzipiell gasförmige, flüssige und feste Substanzen, unabhängig davon, ob sie hydrophil oder hydrophob sind. Als Wandmaterialien werden natürliche, semisynthetische und synthetische Polymere eingesetzt.[12]
In der Pharmaindustrie werden Mikropartikel seit den 1960–iger Jahren für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Sie dienen u.a. der Geschmacks– und Geruchsmaskierung, erleichtern den Umgang mit Flüssigkeiten, da diese in eine feste, besser handhabbare Form überführt werden können und schützen Arzneistoffe vor Umwelteinflüssen bzw. den Körper vor Schäden (z.B. durch Überdosierung oder allergische Reaktionen). Desweiteren konnte durch die Mikroverkapselung die Biokompatibilität von Biomolekülen, wie Peptide und Proteine, welche gegen Prostata–Karzinome eingesetzt werden,[13] erhöht werden, was sie einer Medikamententherapie zugänglich macht. In der heutigen Zeit finden Matrixdepots Anwendung in Injektions– und Inhalationsprodukten, bei der Gabe von Impfstoffen sowie bei der Detektion von Tumoren und der Bestimmung der Durchblutung von Organen.[14]
2.4.3 Darstellung
Zur Auswahl stehende Darstellungsverfahren für partikuläre Systeme sind ebenso zahlreich wie vielfältig und werden in der wissenschaftlichen Literatur umfassend beschrieben.[10,12,14,15] Nach DALMORO et al. gab es im Jahre 2006 über 1000 Patente, die verschiedenste Mikroverkapselungsprozesse zum Inhalt hatten. Prinzipiell unterscheidet man reaktive und nichtreaktive Partikelbildungsverfahren. Die Reaktiven beinhalten Polymerisationsprozesse. Die meisten Techniken stellen jedoch Modifikationen folgender nichtreaktiver Verfahren dar:[16]
Lösungsmittelextraktion (z.B. Superkritische Emulsionsextraktion[17]
) Lösungsmittelverdampfung (z.B. Unterdruck Lösungsmittelverdampfung[18]
) Phasenseparation (Koazervation)
Sprühverfahren (z.B. Sprühtrocknung)
Vertropfungsverfahren (z.B. Ultraschallvernebelung[16]
)
Die im Rahmen der Master–Thesis angewendete Methodik der Esterhydrolyse basiert auf dem Prinzip der Koazervation und ordnet sich bei nicht reaktiven Desolvationsverfahren ein.
Die organische innere Phase, in der Polymer und WS i.d.R. gelöst vorliegen, wird in einer kontinuierlich wässrigen Phase emulgiert. Die resultierende Öl–in–Wasser–Emulsion ist jedoch instabil. Die gebildeten Tröpfchen beginnen ineinander zu fließen, weil das System um die Verkleinerung der entstandenen Grenzfläche zwischen innerer und äußerer Phase bemüht ist. Infolge dieses Prozesses (Koaleszenz) wird, beginnt die Emulsion zu brechen und es kommt zur Phasenseparation. Um die Stabilität der Emulsion zu erhöhen werden Emulgatoren eingesetzt.[11]
Bei den verwendeten Darstellungsverfahren kann auf den Einsatz eines Emulgators verzichtet werden, denn die hohe Viskosität der kontinuierlich wässrigen Phase wirkt der Koaleszenz entgegen. Zur Anwendung kommen drei Techniken, bei denen sich die Lösungsmittelspaltung bzw. die Esterhydrolyse auf verschiedene Reaktionsmechanismen zurückführen lässt:
Ammonolyse
Alkalische bzw. basenkatalysierte Esterhydrolyse (= Basische Verseifung) Säurekatalysierte Esterhydrolyse (= Säurekatalyse)
Bei der Ammonolyse wird die Esterspaltung durch den nucleophilen Angriff von Ammoniakmolekülen verursacht. Es wird Ammoniaklösung verwendet, in der der Ammoniak überwiegend als Ammoniumhydroxid vorliegt. Die Dissoziation und Bildung von Ammoniak stellt eine Gleichgewichtsreaktion dar (Abb. 4), wobei das Gleichgewicht auf der Seite der Ionen liegt.
Abb. 4: Dissoziation des Ammoniaks (Gerike, 2013)
Die Phasengrenzfläche zwischen der kontinuierlich wässrigen Phase und der organischen Phase kann vom nukleophilen Ammoniakmolekül leichter durchdrungen werden als von den Ionen. Es greift das elektronenarme Kohlenstoffatom des Esters nucleophil an, wodurch dieser in ein Amid und ein Alkohol gespalten wird.
Abb. 5: Ammonolysereaktion (Gerike, 2013)
Konkurrierend zur Ammonolysereaktion, am Beispiel von Ethylacetat in Abb. 5 dargestellt, ist es auch denkbar, dass das Lösungsmittel durch Hydroxid–Ionen, die die Phasengrenzfläche durchdringen, hydrolysiert wird. In diesem Fall würde ein partiell negativ geladenes Ion des Esters entstehen, welches sofort mit einem Ammonium–Ion zum wasserlöslichen Ammoniumacetat reagieren könnte.
Säurekatalyse und Basische Verseifung basieren auf dem Prinzip der Esterspaltung durch Hydrolyse. Die Reaktionsmechanismen unterscheiden sich jedoch voneinander (Abb. 7 & 9). Allgemein stellt ein Ester eine Verbindung aus einer Säure und einem Alkohol dar. Bei der Hydrolyse (= Verseifung) wird er in Anwesenheit einer Base oder Säure mithilfe von Wasser wieder in diese Komponenten gespalten.
Die Säurekatalyse (SK) stellt eine Gleichgewichtsreaktion dar, denn die Säure katalysiert gleichermaßen Verseifung und Veresterung. Da jedoch Wasser im Überschuss vorliegt, befindet sich das Gleichgewicht auf der Seite der Produkte. Am Ende der Reaktion liegt die Säure wieder unverbraucht vor.[19]
In Abb. 6 ist die säurekatalysierte Hydrolyse von Ethylacetat mit Salzsäure dargestellt.
Abb. 6: Reaktionsgleichung Säurekatalyse von Ethylacetat (Gerike, 2013; vgl. [20])
Sie erfolgt über mehrere reversible Zwischenschritte (Abb. 7):
Zunächst wird das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe protoniert.
A: Protonierung der Carbonylgruppe
An den positivierten Kohlenstoff addiert sich dann nucleophil Wasser. Es resultiert ein tetraedrisches Zwischenprodukt.
B: Nucleophile Wasseraddition (Gerike, 2013)
Aufgrund von Protonenwanderung wird die Alkoholgruppe zu einer guten Abgangsgruppe.
C: Protonentransfer (Gerike, 2013)
Durch Protonenabspaltung entstehen dann die Produkte Carbonsäure und Alkohol.[21]
D: Spaltung des Intermediats in Essigsäure und Ethanol
Anders als bei der säurekatalysierten Hydrolyse ist die alkalische Hydrolyse irreversibel. Denn aus dem erhaltenen Alkohol und dem Salz der Säure lässt sich der Ester nicht erneut bilden.[19]
Abb. 8: Reaktionsgleichung Basische Verseifung von Ethylacetat (Gerike, 2013)
Die Basische Verseifung (Abb. 8 & 9) erfolgt nach einem der Ammonolyse analogem Mechanismus:
Das Hydroxy–Anion greift das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe nucleophil an, was zur Spaltung der Acyl–Sauerstoff–Bindung führt.
A: Nucleophiler Angriff des Hydroxy–Anions
Es entsteht ein Ester–Anion.
Durch die Abspaltung des Alkoholat–Ions wird die
Säure erhalten. Bis hierhin
B: Protonentransfer mit anschließender Alkoholat–Ion Abspaltung handelt es sich jeweils noch
um Gleichgewichtsreaktionen.
C: Protonenübertragung von der Säure auf das Alkoholat–Ion
Abb. 9: Reaktionsschritte der Basischen Verseifung von Ethylacetat (Gerike, 2013; vgl. [22])
Der letzte Schritt hingegen ist irreversibel. Es erfolgt ein Protonentransfer von der Säure zum Alkoholat–Ion. Es entstehen Ethanol und ein Acetat–Anion. Dieses verbindet sich mit dem positiven Natrium–Ionen zum wasserlöslichen Natriumacetat.[22]
2.4.4 Polymermaterialien
2.4.4.1 Synthetische biodegradierbare biokompatible Polymere
Biodegradable Polymere sind als Rohstoffquelle für medizinisch–pharmazeutische Anwendungen unverzichtbar. Aus ihnen werden z. B. Nähfäden, Schrauben und Platten für die Chirurgie hergestellt. In der in–vitro–Gewebezüchtung (Tissue Engineering) werden als Gerüstmaterialien (Scaffolds) eingesetzt oder dienen als Carrier für wachstumsfördernde Wirkstoffe. Desweiteren finden Polymere Verwendung in der Arzneimittel–Therapie in Form von Implantaten und (kontrolliert) therapeutischen Systemen (ա2.4.1). Für derartige Anwendungen ist die Nutzung synthetischer Polymere, wie PLA und PCL, im Vergleich zu Natürlichen (z.B. Stärke, Gelatine, Albumin) vorteilhafter. Denn im Gegensatz zu diesen können sie mit nahezu konstanten physikochemischen Eigenschaften und definierter Qualität erzeugt werden.[13] Darüber hinaus werden sie hydrolytisch, also durch die Einwirkung von Wasser, gespalten. Daraus resultiert eine lokal unabhängige Degradationsgeschwindigkeit, denn Wasser existiert überall im Körper. Zudem ist eine Vielzahl an Polymerkompositionen, synthetisierbar (Abb. 10).[23]
Abb. 10: Überblick Polymerklassen zur Herstellung therapeutischer Systeme. Klassifizierung
nach Ursprung (Gerike, 2013; vgl.[23])
Polymere
nicht bioabbaubar bioabbaubar n a t ü r l i c h s y n t h e t i s c h Polysaccharide pflanzlichen, tierischen, menschlichen und mikrobiologischen Ursprungs
proteinbasierte Polymere: Kollagen, Albumin, Gelatine
Polyanhydride: Polysebacinsäure,
Polyadipinsäure, Polyterephthalsäure
Polyester: PLA, PCL, PHB,PGA phosphorbasierte Polymere: Polyphosphate, Polyphosphazene Sonstige: Polyurethane, Polyorthoester, Polyacetale semisynthetische Polyaminosäuren: Poly(Į – L – Lysin), Poly(Į – Glutaminsäure), Poly(L – AsparaginsäureͿ semisynthetische Celullosederivate: Celulloseacetat, Ethylcellulose, Cellulosesulfat Acrylpolymere: Polymethacrylate, Polymethylmethacrylate Silicone: Polydimethylsiloxane, kolloidales Silica Sonstige: Polyethylvinylacetale,
2.4.4.2 Polylactid
Polylactid (PLA), abgeleitet vom englischen polylactic acid, ist ein nicht natürlicher vorkommender, bereits seit Jahrzehnten bekannter Polyester. THÈOPHILE–JULES PELOUZE hat ihn bereits 1845 durch Kondensation natürlicher Milchsäure synthetisieren können. Entdeckt wurde diese im Jahre 1780 vom schwedischen Chemiker CARL WILHELM SCHEELE, der sie in Form von braunem Sirup aus Sauermilch isolierte. Erstmalig fermentativ aus Carbohydraten gewonnen wurde sie 1839. Mit der industriellen Milchsäureproduktion wurde schließlich 1881 in den USA begonnen.[24,25]
Heutzutage wird Milchsäure (engl. lactid acid) sowohl synthetisch als auch biotechnologisch mittels Fermentation produziert. Die synthetische Produktion wurde in den 1950–iger Jahren in Japan gestartet. Mittlerweile sind die Mengen synthetisch hergestellter Milchsäure (MS) jedoch relativ gering. Ursache hierfür ist, dass zum einen synthetisch nur die Erzeugung racemischer Milchsäuregemische möglich ist und zum anderen die Kosten für Fermentationsprozesse aufgrund der rasanten Entwicklung der Biotechnologie in den vergangenen Jahren gesunken sind.[24,25] Laut ENDRES beträgt der Anteil an fermentativ produzierter Milchsäure ca. 70 bis 90% des Weltproduktionsvolumens. Für den Fermentationsprozess stehen viele Mikroorganismen zur Auswahl. Je nachdem, welche Form der Milchsäure präferiert wird (Abb. 11), werden homofermentative (ausschließlich L (+) produzierende) oder heterofermentative (racemische Gemische mit dominierendem D (-)–Anteil produzierende) Mikroorganismen eingesetzt.[4]
Milchsäure (2–Hydroxypropionsäure) kommt in der Natur vor und stellt die einfachste Į–Hydroxysäure dar. Bedingt durch ein chirales Kohlenstoffatom existieren zwei optisch aktive Isomere:
Abb. 11: Isomere der Milchsäure (Gerike, 2013; vgl. [24])
Jedes Milchsäuremolekül besitzt eine Carboxy– und eine Hydroxygruppe. Aufgrund dieser funktionellen Gruppen neigen die Moleküle zu intermolekularen Veresterungsreaktionen. Die einzelnen Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen, weshalb eine Milchsäurelösung immer ein Gemisch aus den resultierenden Produkten darstellt. Größtenteils entstehen dimere Verbindungen (Lactoylmilchsäure), teilweise auch Trimere (Lactoylactoylmilchsäure), die dann anteilig zu höheren Oligomeren weiterreagieren.[24]
Für die industrielleProduktion von PLA mittels Ringöffnungspolymerisation wird das cyclische Dimer der MS benötigt. Es kann entweder durch intramolekulare Veresterung von Lactoylmilchsäure oder beim Zerfall von Milchsäureoligomeren entstehen (Abb. 12).
Abb. 12: Darstellung des Lactids (Gerike, 2013; vgl. [24])
Entdeckt wurde das Lactid, nach IUPAC als 3,6–dimethyl–1,4–dioxan–2,5–dion bezeichnet, bei der bereits erwähnten Synthese von Milchsäure zu Polylactid von PELOUZE. Er erforschte die Autoveresterung von Milchsäure bei deren Erhitzung und gleichzeitiger Wasserentfernung. PELOUZE beobachtete die Entstehung eines Prepolymers, das nicht mehr vollkommen mit Wasser mischbar war. Ferner bildeten sich bei weiterer Erhitzung Kristalle im Destillat. Der gefundenen Substanz gab er den Namen „Lactid“.[24]
Wegen seiner zwei chiralen Kohlenstoffatome kommt Lactid in drei stereoisomeren Formen mit zum Teil voneinander abweichenden Eigenschaftsprofilen vor:
L–Lactid (= R,R–Lactid) D–Lactid (= S,S–Lactid) Meso–Lactid
Darüber hinaus existiert auch noch ein sog. rac–Lactid (D, L–Lactid), ein racemisches Gemisch aus D– und L–Lactid.
In einem von LIM et al. veröffentlichen Artikel werden zur Synthese von PLA drei Verfahren erwähnt (Abb. 13):
direkte Polykondensation
azeotropische Polykondensation (= Polykondensation in Lösung) Ringöffnungspolymerisation (ROP)
Abb. 13: Verfahren der PLA–Synthese (Gerike, 2013; vgl.[26])
Die direkte Polykondensation beinhaltet drei Schritte: 1. Reduzierung des Gehalts an freiem Wasser 2. Polykondensation von Oligomeren
3. Synthese hochmolekularen PLAs durch Schmelzpolykondensation
Es wurde bereits erwähnt, dass Milchsäurelösungen immer Gemische verschiedener Verbindungen, welche sich in einem Reaktionsgleichgewicht befinden, sind. Aufgrund der stetig ablaufenden inter– und intramolekularen Veresterungsreaktionen der Milchsäuremoleküle befindet sich auch freies Wasser im Gemisch. Wasser hemmt die Erzeugung hochmolekularer Polyester, deshalb wird es vor Reaktionsbeginn größtenteils verdampft. Anschließend wird die MS unter Vakuum zu Oligomeren kondensiert. Diese werden dann durch Schmelzpolykondensation zu hochmolekularem PLA synthetisiert. Beim letzten Schritt ist die kontinuierliche Abführung des entstehenden Reaktionswassers sehr wichtig. Dies kann jedoch zu Prozessunsicherheiten führen.[24,27] Inzwischen werden größtenteils Polykondensations– verfahren verwendet, die auf der Polykondensation in Lösung basieren. Sie ist eine hauptsächlich in Japan angewendete Synthesevariante, die von Mitsui Chemicals Co. entwickelt wurde.[28] Die Polykondensationsreaktion findet in einem (organischen) Lösungsmittel statt, welches als azeotropes Schleppmittel dient.[4]
Die erzeugten Polymere sind reiner und weisen höhere Molekulargewichte auf als die durch die Ringöffnungspolymerisation synthetisierten Produkte. Zudem enthalten sie nach der Rekristallisation aus dem Lösungsmittel weder Fremdstoffe noch Katalysatorreste. Allerdings eignet sich das Verfahren, aufgrund seines hohen Lösemittelbedarfs, nur dann für die großtechnische Produktion, wenn es in eine entsprechende Chemieanlage integriert werden kann, in dem das Lösungsmittel schon vorhanden ist[4]
Wegen besagter Nachteile der Polykondensationsverfahren hat sich die Ringöffnungs– polymerisation als Herstellungsverfahren durchgesetzt. Sie ermöglicht in kurzer Zeit die Synthese hochmolekularer Ester unter vergleichsweise milden Reaktionsbedingungen. Die monomere Milchsäure wird zunächst zu einem Prepolymer niedriger Molmasse (Mn<5000g/mol) synthetisiert. Dieses wird dann mithilfe eines Katalysators unter erhöhter
Temperatur und reduziertem Druck zum zyklischen Dimer Lactid depolymerisiert. Anschließend wird es mithilfe der „temperatur– und druckunterstützten, katalysatorgesteuerten […] Ringöffnungspolymerisation unter vakuumtechnischer Entfernung (Vakuumdestillation) der nicht polymerisierten Monomere (Entmonomerisierung)“ zu PLA (Mn>>50.000g/mol)
umgesetzt.[4] Das synthetisierte PLA kann schwermetallhaltige Katalysatorreste enthalten, was für Anwendungen in der Medizin und Pharmazie unerwünscht ist.[29] Deshalb wird in der Industrie Zinnoctoat als Katalysator favorisiert. Er weist eine niedrige Toxizität auf und ist von der FDA1 für mit Lebensmitteln in Berührung kommende Kunststoffe zugelassen. Desweiteren ist er sehr gut löslich in Lactid, ermöglicht in kurzer Zeit die Erreichung hoher Polymerisationsgrade und führt nur zu einer geringen Racemisierung.[27,28]
In Abhängigkeit vom Lactid–Isomer können drei PLA–Isomere synthetisiert werden: Poly(L–Lactid) (PLLA), Poly(D–Lactid) (PDLA) und Poly(D, L–Lactid) (PDLLA)
PLLA und PDLA sind optisch aktiv und wegen ihrer Kristallinität nur bedingt in organischen Lösungsmitteln löslich, weshalb sie z.B. für die Mikropartikelherstellung eher ungeeignet sind. Die Copolymere der D, L–Milchsäure sind im Gegensatz dazu optisch inaktiv und amorph, was sich beispielsweise in einer besseren Löslichkeit äußert. PLA hat den Vorteil, dass sich seine Eigenschaften variieren lassen, z.B. durch das Verhältnis der eingesetzten MS– bzw. Lactid– Isomere und damit die Kristallinität, das Molekulargewicht, die Kristallinität sowie durch das Blenden mit anderen Polymeren und Copolymerisieren mit anderen Monomeren.[4]
1
Food and Drug Administration–behördliche Lebensmittelüberwachung und Arzneimittelzulassungsbehörde der USA
2.4.4.3 Poly(İ–Caprolacton)
Poly(İ–Caprolacton) (PCL) wird durch ROP des cyclischen Esters der natürlich vorkommenden
ɸ–Hydroxycapronsäure gewonnen. Der cyclische Ester wird durch die Bayer–Villiger–Oxidation
aus Cyclohexanon synthetisiert. Initiiert werden kann die ROP anionisch, kationisch oder mittels Koordinations–Insertions–Mechanismus. Beim Koordinations–Insertions–Mechanismus dienen als Initiator organometallische Verbindungen wie beispielsweise Alkoxide oder Carboxylate des Zinns (z.B. Zinnoctoat).[30] Der detaillierte Reaktionsmechanismus ist noch nicht eindeutig geklärt. Man nimmt an, dass Hydroxyverbindungen die Reaktion initiieren, indem das freie Elektronenpaar des Sauerstoffs das Kohlenstoffatom der Ringcarbonylgruppe angreift. Das Monomer wird somit über den Carbonylsauerstoff an das Metallatom koordiniert. Anschließend wird das koordinierte Monomer durch die Spaltung der Acyl–Sauerstoff–Bindung in die kovalente Metallalkoxidverbindung eingebaut. Dies führt zur Ringöffnung, der Initiator wandert zum einen, der Katalysator zum anderen Kettenende (Abb. 14).[28,30,31]
Abb. 14: ROP von ɸ–Caprolacton zu Poly(ɸ–Polycaprolacton) (Gerike, 2013; vgl. [28]
)
Dieser Typ der ROP dient der Synthese hochmolekularer Homo–und Copolymere. Die durch ionische ROP erreichbaren Molmassen sind weitaus niedriger.[6]
Bei der kationischen ROP kommen Lewis–und Brönsted–Säuren sowie Alkylierungs– oder Acylierungsmittel als Initiatoren zum Einsatz. Sie spielt aber aufgrund der Vielzahl von auftretenden Nebenreaktionen kaum eine Rolle.
Die anionische ROP kann durch die alkalischen Salze organischer Säuren (z.B. Kaliumbenzoat) oder Alkoxide der Alkalimetalle (z.B. Kaliumphenoxid) gestartet werden. Der Mechanismus der anionischen ROP steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Ringgröße der Lactone. CHEDRON et al. zeigten, dass die Ringöffnung unter Acyl–Sauerstoff–Spaltung bei der Polymerisation von İ–Caprolacton mit starken Basen auf den nucleophilen Angriff des Initiators auf das Carbonyl–Kohlenstoffatom zurückzuführen ist.[30,31]
PCL ist ein aliphatischer, semikristalliner, ungiftiger, nicht natürlich vorkommender, thermoplastischer Polyester von wachsartigem Charakter. Infolge hoher Beweglichkeit seiner Kettensegmente und niedriger zwischenmolekularer Wechselwirkungen ist sein Schmelzpunkt mit 60 °C relativ niedrig.
Die Kristallinität und die Eigenschaften von PCL werden maßgeblich durch das Verhältnis der Grundbausteine (Ester– und Methylgruppen), deren Verteilung im Polymer, dem Polymerisationsgrad und evtl. einpolymerisierten Komponenten bestimmt. Der Kristallinitäts– grad sowie das Molekulargewicht wiederum beeinflussen die Degradationsgeschwindigkeit. PCL wird mithilfe von Pilzen hydrolytisch abgebaut. Bedingt durch seinen höheren kristallinen Anteil sind die Abbauzeiten länger als bei PLA, weshalb sich PCL hervorragend für Langzeitanwendungen eignet.[4,6,29]
2.4.4.4 Polyvinylalkohol
Polyvinylalkohol (PVAL) ist ein synthetisches, kristallines, geringfügig verzweigtes Polymer, das als weißes bis elfenbeinfarbiges geruchloses Granulat oder Pulver erhältlich ist.
Auf dem Markt existiert eine Vielzahl an PVAL–Typen. PVAL ist aus 1,3–Diolstruktureinheiten aufgebaut. Anteilig (1–2%) kommen auch 1,2–Dioleinheiten vor (Abb. 15).[32]
Abb. 15: Struktureinheiten des PVAL (Gerike, 2013; vgl. [32])´
Anwendung findet PVAL u.a. als Schutzkolloid, Emulgator, Bindemittel, als künstliche Tränenflüssigkeit sowie in der Verpackungs-, Klebstoff- und Papierindustrie.
Seine Eigenschaften korrelieren maßgeblich mit dem Polymerisations- und Hydrolysegrad.[4] Es wird in vollhydrolysiert (97,0–99,5mol–%), teilhydrolysiert (86,0–93,0mol–%) und gering hydrolysiert (69,0–83,0mol–%) unterschieden.[33] Die Charakterisierung des Polymerisations– grades erfolgt durch die Angabe der dynamischen Viskosität einer vier prozentigen wässrigen PVAL–Lösung.[4]
Die mit Abstand wichtigste Eigenschaft ist die gute Wasserlöslichkeit. Sie sinkt mit zunehmendem Polymerisations– und Hydrolysegrad. Bedingt wird dies durch die steigende Anzahl hydrophiler Hydroxy–Gruppen, welche starke Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Es kommt zur Verstärkung zwischenmolekularer Wechselwirkungen und zum Anstieg der Kristallinität.[4]
Die Viskosität der aus PVAL hergestellten Lösung hängt zum einen vom Polymerisationsgrad und zum anderen vom Gehalt an Acetatgruppen ab. Sie steigt mit zunehmendem Polymerisationsgrad und Acetatgruppengehalt.[4, 34]
Die direkte Polymerisation von Vinylalkohol zu PVAL ist nicht möglich, denn Vinylalkohol ist praktisch nicht existent.[34] Sofort nach seiner Entstehung erfolgt dessen Umlagerung in das energetisch günstigere Acetaldehyd (Keto–Enol–Tautomerie).[4]
Die Herstellung von PVAL erfolgt deshalb durch säure– oder basenkatalysierte Hydrolyse von Polyvinylestern, wobei heutzutage als Ausgangsstoff Polyvinylacetat (PVAc) favorisiert wird (Abb. 16).
Abb. 16: Säuren – bzw. basenkatalysierte Hydrolyse von PVAc zu PVAL (Gerike, 2013; bgl. [35])
Die Verseifung von Polyvinylestern mittels Natronlauge gelang erstmalig 1924. HERRMANN, HAEHNEL und BERG entdeckten 1932 die Möglichkeit der Synthese von PVAL durch Transesterifizierung von Polyvinylestern mit reinem Alkohol in Anwesenheit katalytischer Mengen von Laugensalzen. Dieser Typ der PVAL–Synthese ist das heute ausschließlich angewendete Verfahren.[34]
Hierbei wird zunächst Vinylacetat radikalisch zu Polyvinylacetat polymerisiert.[4] Anschließend wird dieses durch eine polymeranaloge Reaktion zu PVAL verseift.[36] Das bei der Methanolyse eingesetzte Natriummethoxid führt zur Umesterung der Essigsäure. Als Produkte entstehen PVAL und Methylacetat (Abb. 17).[35]
Abb. 17: Methanolyse von PVAc zu PVAL(Gerike, 2013; vgl. [35])
Industrielle Prozesse werden hinsichtlich des Gehaltes an Acetatgruppen und des Molekulargewichtes optimiert. Diese Parameter haben großen Einfluss auf die Eigenschaften von PVAL, wie Hydrolyse–und Polymerisationsgrad. Die Molmasse kann beispielsweise durch die Polymerisationstemperatur oder das Vinylacetat–Methanol–Verhältnis gesteuert werden. Der Gehalt an monomerem Vinylacetat sollte möglichst gering sein. Je geringer sein Gehalt, umso weißer das PVAL. Die Verteilung der Acetatgruppen ist abhängig vom Katalysator– und Lösungsmitteltyp. Bei der Basischen Verseifung liegen die Gruppen vornehmlich in Blöcken vor, bei saurer Hydrolyse statistisch.[34]
2.4.5 Wirkstoffe
2.4.5.1 Mechanismen der Wirkstofffreisetzung
Die Wirkstofffreigabe aus Polymerpartikeln erfolgt in Abhängigkeit vom Erosionsmechanismus des polymeren Materials. Unter Erosion versteht man den Verlust von Abbauprodukten und nicht–abgebauten Polymerstücken. Sie ist das Resultat einer Reihe sich teilweise überlagernder Prozesse wie Degradation, Quellung und Diffusion, die wiederum von anderen Polymereigenschaften beeinflusst werden.[13]
Polymere werden qualitativ in oberflächenerodierend und bulkerodierend eingeteilt. Bei der Oberflächenerosion (Surface erosion) schreitet die Partikelerosion von außen nach innen voran, weil der Polymerabbau schneller stattfindet als die Diffusion von Wasser in die Partikelmatrix.[37,38] Dabei kommt es zu keiner Quellung der Matrix.[11]
Die Wirkstofffreisetzung erfolgt bei diesem Erosionsprozess vornehmlich erosionskontrolliert, das bedeutet, dass der WS nahezu kontinuierlich abgeben wird. Vollständige Wirkstoffabgabe bedeutet somit auch, dass die Polymermatrix vollständig aufgelöst ist. Zu den oberflächenerodierenden Polymeren gehören Polyanhydride und Polyorthoester.[13]
Bei der Bulkerosion (Quellungsabbau) quillt das Polymer infolge schneller Wasserdiffusion in die Polymermatrix. Die Polymerdegradation beginnt zeitgleich in allen Partikelschichten und erfolgt gleichmäßig über den gesamten Partikelquerschnitt. Infolge des hydrolytischen Abbaus entstehen Degradationsprodukte mit sauren Endgruppen, welche autokatalytisch die Hydrolyse weiterer Esterbindungen verursachen. Je niedriger und feiner die Porosität der Polymermatrix, umso schwerer können die sauren Spaltprodukte nach außen und puffernde Basenmoleküle ins Innere diffundieren. Innerhalb des Partikels sinkt der pH–Wert in den sauren Bereich, was den Erosionsprozess beschleunigt. Die Erosion schreitet von innen nach außen voran.
Mit Abnahme der Kettenlänge sinkt auch die Glasübergangstemperatur des Polymers. Unterschreitet sie die Körpertemperatur, steigen Molekülkettenmobilität und Flüssigkeits– diffusion im Partikelinneren sprunghaft an. Es kommt zu einer drastischen Beschleunigung der Wirkstofffreigabe.[37,38] Bei der WS–Freisetzung lassen sich dementsprechend zwei Phasen beobachten. In der ersten Phase, bevor die Glasübergangstemperatur des Polymers die Körpertemperatur unterschreitet, werden diffusionskontrolliert nur geringe Mengen an WS abgegeben. In der zweiten Phase erfolgt die Freisetzung nach schlagartiger Abgabe einer hohen WS–Dosis annähernd linear. Bei den bulkerodierenden Polymeren, wie PDLLA besteht also das Risiko der Abgabe hoher und evtl. toxischer WS–Konzentrationen.[13]
Abb. 18: Strukturformel Coffein (Gerike, 2013; vgl. [39])
2.4.5.2 Coffein
Das Xanthinderivat Coffein (1,3,7–Trimethylxanthin) ist ein pflanzliches Purin–Alkaloid folgender Struktur.[39]
In reiner Form handelt es sich bei Coffein (Abb. 18), auch Methyltheobromin genannt, um farb– und geruchlose, bitter schmeckende Kristalle, welche gut in Wasser und Chloroform löslich sind. Es kommt in über 60 Pflanzen vor: An Chlorogensäure gebunden, findet man es in Kaffeebohnen, an Catechingerbstoffe gebunden in Guaranasamen. Auch getrockneter schwarzer Tee, die Kolanuss, Kakaokerne und Mateblätter enthalten Coffein.[36,40,41]
Coffein kann man einerseits durch Extraktion oder Entcoffeinierung mit überkritischem Kohlenstoffdioxid aus den entsprechenden Pflanzen gewinnen, andererseits lässt es sich auch durch Traube–Synthese aus Harnsäure bzw. Harnstoff oder ihren Derivaten herstellen.
Die anregende und belebende Wirkung von Coffein ist allseits bekannt. Es gehört zu den Psychostimulanzien und steigert durch die Erregung des Zentralnervensystems die psychische Aktivität, wodurch die Leistungsfähigkeit erhöht und Ermüdungserscheinungen aufgehoben werden.[39] Im medizinischen Bereich wird es als sogenanntes orphanes Arzneimittel in Form von Coffeincitrat zur Behandlung primärer Apnoe bei Frühgeborenen eingesetzt.[42]
Darüber hinaus wird es als adjuvantes Analgetikum in Kombination mit ASS oder Paracetamol bei Spannungskopfschmerzen und Migräne genutzt. In klinischen Studien haben sich diese Kombipräparate als signifikant wirksamer erwiesen als die Einzelsubstanzen bzw. die Zweierkombination aus ASS/Paracetamol. Aus diesem Grund ist seit einigen Jahren der Wirkmechanismus des Coffeins im Schmerzgeschehen Gegenstand zahlreicher Forschungen. Diese sprechen dafür, dass die Beeinflussung verschiedener biochemischer Mechanismen ursächlich für die schmerzlindernde Wirkung sein könnte.[43]
In der Kosmetikindustrie wird Coffein wegen seiner durchblutungssteigernden, entwässernden und fettabbaufördernden Wirkung für Produkte mit straffender bzw. abschwellender Wirkung eingesetzt. Zudem wird ihm nachgesagt, dass es die Haarwurzel vor dem schädlichen Einfluss des Testosterons schützt, wodurch das Haarwachstum gefördert wird. Deshalb findet es auch Anwendung in Haarshampoos und Haarwassern.[44]
2.4.5.3 Pfefferminzöl
Die Pfefferminze (Mentha piperita) ist eine Kreuzung aus Krauseminze und Wasserminze. Diese wird schon seit Jahrhunderten als Medizinalpflanze eingesetzt. Im Jahre 1564 wird sie in einem Kräuterbuch als „magenstärkendes, verdauungsförderndes, wurmtreibendes und herzstärkendes Mittel“ (Grünwald, 2006) charakterisiert.[45] Mittels Wasserdampfdestillation wird aus ihr das sensorisch hochqualitative echte Pfefferminzöl gewonnen. Die besondere Qualität dieses ätherischen Öles beruht auf der Existenz geringer Mengen verschiedener Bestandteile wie Menthofuran, cis–Jasmon und Viridoflorol. Entsprechend hoch ist sein Preis. Aus diesem Grund wird Pfefferminzöl gern verfälscht.[46] Zusätzlich zum echten Pfefferminzöl sind auch zwei kostengünstigere Minzöle erhältlich. Sie werden jeweils durch Wasserdampfdestillation aus der Japanischer Minze (Mentha–arvensis–Öl) bzw. Grüner Minze (Mentha–spicata–Öl) gewonnen. Die chemischen Bestandteile der Öle sowie ihre Eigenschaftsprofile unterscheiden sich voneinander. Echtes Pfefferminzöl hat eine hellgelbe bis hellgrünlich-gelbe Färbung, einen minzigen, krautig-süßen, frischen, balsamischen Geruch sowie einen kühlenden, süßlichen, frisch–minzigen Geschmack. Japanisches Minzöl ist farblos bis hellgelb. Sein frisch–minziger Geruch wird eher als scharf empfunden und im Vergleich zum Echten ist sein Geschmack bitterer. Der Geruch des farblosen bis gelblich–grünen Mentha–spicata–Öls erinnert an Kümmel und Minze.[47]
Bezüglich der chemischen Bestandteile weist das echte Pfefferminzöl eine deutlich höhere Vielfalt auf. Im Vergleich zum Japanischen Minzöl enthält es neben Menthol, Menthon und Isomenthon noch etliche andere Menthan– und Mentholderivate. Der organoleptische Charakter des Pfefferminzöls wird vorrangig durch die Bestandteile (-)–Menthol (Gehalt 25–40%), (-)–Menthon (Gehalt 20–30%), (-)–Menthylacetat (Gehalt ca. 5%) und (+)–Menthofuran (Gehalt 2–10%) bestimmt (Abb. 19).[46,47]
Abb. 19: Strukturformeln der Hauptbestandteile von echtem Pfferferminzöl (Gerike, 2013)
Anwendung finden Pfefferminz– bzw. Minzöle vorzugsweise im Bereich der Aromatisierung von Süßwaren, Kaugummi, Mundpflegeprodukten und Tabakwaren. Sie werden auch im Bereich der Medizin eingesetzt, z.B. als antirheumatische Einreibemittel, Rachentherapeutika und Bronchologika.
2.4.5.4 Pigment
Es wird zwischen Pigmenten und Farbstoffen unterschieden. Farbstoffe sind definiert als Farbmittel, welche im gefärbten Medium molekular gelöst vorliegen. Das Medium wird durch den in ihm molekular gelösten Stoff lichtabsorbierend und erscheint transluzent farbig.[48] Ein Pigment hingegen ist „eine aus Teilchen bestehende, im Anwendungsmedium praktisch unlösliche Substanz“ (Groteklaes, 2009)[49]. Das farbige Erscheinen des Mediums wird hier durch Lichtstreuung verursacht, wodurch es trüb wirkt.
Die Pigmente werden in anorganische und organische Pigmente klassifiziert. Die Klassen selbst werden in natürlich vorkommende und synthetische Pigmente unterteilt. Natürliche anorganische Pigmente wie Ocker und Umbra werden durch mechanische Behandlung (z.B. Mahlen, Schlämmen) erhalten. Aufgrund der besseren Qualitätskonstanz werden in der Industrie heute ausschließlich synthetische anorganische Pigmente eingesetzt. Diese können anhand verschiedener Gesichtspunkte (coloristisch, chemisch, metallisch) weiterdifferenziert werden. In der Natur vorkommende organische Pigmente sind u.a. Indigo, Chlorophyll und Knochenkohle. Synthetische organische Pigmente können bezüglich ihrer Chemie in Azo– Pigmente und polycyclische Pigmente oder hinsichtlich ihrer Coloristik in Bunt–, Schwarz–und Weißpigmente unterteilt werden. Letztere haben aber keine praktische Bedeutung.
Die Herstellung organischer Pigmente erfolgt mittels verschiedener Techniken aus Farbstoffen: Ausschluss von hydrophilen Gruppen
Verlackung
Bildung von Metallkomplexen Einführung hydrophober Gruppen
Die resultierenden Rohpolymere müssen anschließend noch bezüglich bestimmter Eigenschaften wie Teilchengröße, Teilchengrößenverteilung, Kristallform und Oberflächenqualität, optimiert werden. Diese Optimierungen sind notwendig, weil u.a. die coloristischen Eigenschaften (z.B. Streu– und Absorptionsvermögen), die ihrerseits z.B. für Farbstärke und Buntton der Endprodukte verantwortlich sind, von ihnen abhängen.[49]
3 Material und Methoden 3.1 Materialien
3.1.1 Polymere
Als Kapselmaterialien werden Poly(D, L–Lactide) und Poly(İ–Caprolactone) verschiedener Molekulargewichte verwendet. In Anlehnung an die Versuchsbezeichnungen werden diese im Folgenden als PLA und PCL bezeichnet. Es wird ein kommerziell von Polysciences, Inc. erworbenes PLA mittlerer Molmasse (Mw§15–25.000g/mol) und ein aus einem
Technikumsansatz im Fraunhofer IAP synthetisiertes PLA mit einer gewichtsmittleren Molmasse (Mw) von rund 116.000 g/mol (GPC–Messung vom 20.07.2012) verwendet. Die
Bezugsquellen für PCL sind Sigma–Aldrich (niedermolekular, Mw§10.000g/mol) und Dow
Plastics (TONE 787, hochmolekular, Mw§85.000g/mol {GPC–Messung 03.12.2010}).
Für die kontinuierlich wässrige Phase wird granuliertes PVAL, Handelsname Mowiol 8–88 (Firma Kuraray), mit einem Hydrolysegrad von 88% verwendet. Es weist sowohl hydrophile als lipophile Bereiche auf, wodurch es zur sterischen Stabilisierung der Matrixpartikel eingesetzt werden kann. Der PVAL wird an der Oberfläche der Matrixkapseln verankert. Diese monomolekulare PVAL–Schicht kann nicht vollständig durch Waschen entfernt werden und verleiht den Matrixpartikeln eine gute Redispergierkeit.[11]
3.1.2 Wirkstoffe
Verkapselt werden Farbmittel, Öle, Vitamine und Feststoffe.
Farbmittel: Wasserlösliches Cochenillerot A–Pulver (ist eine E–Nr. 124 in der Liste der zugelassenen Lebensmittelfarbstoffe). Außerdem wasserunlösliche Pigmente (rot und blau). Dabei handelt es sich um Industriemuster. Vom roten Pigment stehen für die Verkapselung zwei Typen zur Verfügung (unbehandelt und oberflächenmodifiziert).
Öle: Leinöl und künstliches Pfefferminzöl (Bezugsquelle Roth).
Vitamine: In Wasser lösliches, pulverförmiges Vitamin C (p.a. 99%) (Fluka) und wasserunlösliches aber in fetten gut lösliches öliges Vitamin E (Chroma).
Feststoffe: Albumin ist ein Protein. Das beigefarbene, wasserlösliche Albuminpulver der Firma Fluka Biochemika wurde aus Hühnereiweiß gewonnen. Desweiteren wird wasserfreies Coffeinpulver (Fluka) verkapselt.
3.1.3 Chemikalien zur Esterhydrolyse
Als Lösungsmittel wird Ethylacetat (Essigsäureethylester {EEE}) der Firma Th. Geyer (ChemSolute®), eingesetzt. Die Hydrolyse wird durch Ammoniaklösung (30% von Roth), Natriumhydroxidlösung (Fluka) oder Salzsäure (37% von Fluka) initiiert.
In Tab. 1 sind die genannten Substanzen, ergänzt durch weitere eingesetzte Chemikalien, gelistet.
Tab. 1: Chemikalienübersicht (Gerike, 2012)
Name Reinheit Bezugsquelle Menge Kennzeichnung Verwendungszweck
Ammoniaklösung (30%) 30% p.a. ACS Roth 2,5 l Charge: 292184494 Esterhydrolyse
Cyclohexan – Roth 2,5 l Lot: 2356/10CR Fällungsmittel
Ethylacetat z.A. (Essigsäureethylester)
min. 99,5%
ChemSolute 2,5 l CAS: 141–78–6 Polymerlösemittel, „Lösungsmitteltest“
entionisiertes Wasser – – – – Lösungs–& Dispersionsmittel,
Stabilisierung & Waschen der Mikropartikel Natriumhydroxid (Pellets) purum p.a. > 97% Fluka Chemika 1kg
Lot & Filling Code: 445871/1 32003201 Herstellung von Natriumhydroxidlösung zur Esterhydrolyse Mowiol 8–88 Mw = 67 000; Pw = 2700 (Granulat) – Kuraray Specialities Europe
k. A. – gelöst in entionisiertem Wasser hat es als kontinuierliche, wässrige Phase eine stabilisierende Funktion Salzsäure (rauchend, 37%) puriss p.a. ACS 36,5% Fluka Chemika 1 l
Lot & Filling Code:
4212043404C04 Esterhydrolyse Trichlormethan (Chloroform) stab. mit 1% Ethanol
Roth 2,5l Lot: 546 781 Polymerlösemittel
Poly (D,L–lactid ) (Flocken) – Polysciences, Inc. 10 g CAS: 026969664 Kapselwandmaterial Poly (D,L–lactid) (Granulat) – Technikums-ansatz k. A. – Kapselwandmaterial (nach Umfällung) Tone 787 (Granulat) – Dow Plastics k. A. – Kapselwandmaterial
Polycaprolacton (Flocken) – Sigma - Aldrich 5 g CAS: 2498–41–4 Kapselwandmaterial
Albumin from hen egg white (Pulver) > 70% (GE) Fluka Biochemika 100 g Analysis Nr.: 328356/1 Wirkstoff Coffein, wasserfrei (Pulver) – Fluka Chemika
250 g Lot & Filling Code: 448559/1 Wirkstoff Cochenillerot A (E124) (Pulver) – Chroma 10 g Charge/Lot: 30 2420 Wirkstoff DL–Į–Tocopherol (Vitamin E) (ölige Flüssigkeit)) 96%
Ph. Eur. Roth 100 g Charge: 09570380 Wirkstoff
Leinöl, roh (Flaxseed oil)
– Roth 1 l Charge: 28628032 Wirkstoff
Pfefferminzöl, künstlich
– Roth 500 ml Charge: 08785631 Wirkstoff
Pigment, blau Wirkstoff
Pigment, rot, roh Wirkstoff
Pigment, rot, oberflächenmodifiziert
Wirkstoff
Vitamin C (Pulver) p.a > 99,0 %
Fluka Chemika
250 g Lot & Filling Code: 421110/1 60601
Wirkstoff
Reinigungslösung Dr. Weigert neodisher®
5 l LaboClean FLA Reinigung der benutzten Glas– und Laborgeräte
3.2 Methoden
3.2.1 Herstellung des Matrixmaterials
Das aus einem früheren Technikumsansatz stammende PLA wird über Nacht mittels Magnetrührer in Chloroform gelöst. Am nächsten Tag wird das PLA umgefällt. Als Fällungsmittel dient Cyclohexan. Dieses wird mit entsprechendem Volumen in einem großen Becherglas vorgelegt. Unter stetigem Rühren mit einem Glasstab wird die PLA–Chloroform– Lösung langsam in das Becherglas gegossen. Das ausfallende höhermolekulare PLA wickelt sich um den Glasstab, niedermolekulare Degradierungsprodukte bleiben im Fällungsmittel zurück. Das umgefällte PLA wird bei 40°C unter Vakuum in einem Vakuumtrockenschrank bis zur Massenkonstanz getrocknet.
Mithilfe der Umfällung wird das Rohmaterial aufgereinigt, dass bedeutet die niedermolekularen, abbaubedingten Spaltprodukte werden entfernt und man erhält ein unter Umständen sogar höher molekulareres Polymer mit engerer Molmassenverteilung.
3.2.2 Darstellung der Matrixkapseln 3.2.2.1 Ammonolyse
Die im Rahmen der Master–Thesis dargestellten Matrixpartikel werden, bis auf wenige Ausnahmen einer gesonderten Versuchsreihe, mit dem Ammonolyseverfahren hergestellt.
Die Polymerprobe wird in EEE gelöst. Wird PCL als Kapselwandmaterial verwendet, wird zur Herstellung der Lösung mehr EEE benötigt. Außerdem wird das Lösungsmittel auf 40°C erhitzt um das PCL unter Rühren in Lösung bringen zu können.
Sollen wirkstoffbeladene Matrixdepots dargestellt werden, wird zusätzlich der Wirkstoff durch Rühren in der Polymerlösung gelöst bzw. suspendiert oder emulgiert. Die resultierende Probenlösung (PL) wird in einer 10%–igen Polyvinylalkohol–Lösung (PVALT), welche sich in
einem Scheidetrichter befindet, emulgiert. In einem Becherglas wird ein weiterer Teil des Reaktionsansatzes vorgelegt: PVALB (10%) sowie 30%–ige Ammoniaklösung (NH4OH), welche
mithilfe eines mechanischen Rührwerks durchmischt werden (= {PVALB+EK}).
Das Volumen der esterspaltenden Komponente (EK) ist sowohl abhängig vom Volumen der PL als auch vom Volumenverhältnis von {PVALT+PL} zu {PVALB+EK}. Unter Rühren wird die
{PVALT+PL}–Emulsion in den Reaktionsansatz getropft. Für eine erste Beurteilung der
dargestellten Matrixkapseln wird mittels Spatel eine Probe für das Lichtmikroskop entnommen. Nach einer halben Stunde wird dem Reaktionsansatz destilliertes Wasser hinzugefügt, dessen Volumen mit dem PVAL–Gesamtvolumen korreliert.
Nach Ablauf einer weiteren Stunde werden die Matrixpartikel durch Zentrifugieren (5min bei 10.000upm) separiert, in destilliertem Wasser redispergiert und unter Rühren gewaschen. Anschließend werden die Partikel abfiltriert und bei Raumtemperatur 48h unter dem Abzug getrocknet.
In der nachfolgenden Abbildung ist die Versuchsdurchführung nochmals schematisch aufbereitet worden:
Abb. 20: Fließschema Matrixpartikelherstellung mittels Ammonolyse (Gerike, 2012)
Zur Prüfung der Eignung der Ammonolyse als Verfahren zur Verkapselung von Wirkstoffen unter Verwendung biobasierter Polymere als Matrixmaterial werden, im Rahmen einer Vorversuchsreihe, Wirkstoffe verschiedener Eigenschaften unter variierenden Reaktionsbedingungen verkapselt.
Für die Hauptversuche werden folgende Modellsubstanzen ausgewählt: Coffein, als Beispiel für wasserlösliche Substanzen
Pfefferminzöl, als Vertreter wasserunlöslicher Stoffe, die sich aber gut in Alkoholen und organischen Lösungsmitteln lösen
Pigmente, die als schwerlöslicher Farbstoff weder in der wässrigen noch in der organischen Phase löslich sind.
Mit Hilfe eines Axioskop 2 Lichtmikroskops (LMK, 240fache Vergrößerung) von Zeiss werden die Versuche dokumentiert. Das Mikroskop ist mit einer 3CCD Farbvideokamera gekoppelt. Sie ermöglicht die Übertragung der Aufnahmen an einen Computer, wo sie mittels der Software IQ EasyMeasure® direkt ausgewertet werden können. Die lichtmikroskopischen Aufnahmen dienen der primären qualitativen Beurteilung der Matrixdepots.
3.2.2.2 Basische Verseifung
Zunächst werden in einer Vorversuchsreihe Matrixdepots nach einer Methode von LEE et al.
dargestellt (Abb. 21).[50] Als Lösungsmittel wird jedoch anstelle von Isopropylformiat (IPF), welches einen hohen Anschaffungspreis hat, Ethylacetat verwendet.
Für die Basische Verseifung wird das bereits in früheren Arbeiten optimierte Ammonolyseverfahren wird nur dahingehend variiert, dass die esterspaltende Komponente ausgetauscht wird. Die weitere Versuchsdurchführung entspricht der des Ammonolyseverfahrens.
Abb. 21: Fließschema Matrixpartikelherstellung mittels BV nach LEE et al. (Gerike, 2012; vgl. [50])
Anstelle einer wässrigen Ammoniumhydroxidlösung wird Natronlauge unterschiedlicher Konzentrationen verwendet:
40Gew.% 20Gew.% 10Gew.%
Zusätzlich zur Abhängigkeit vom Probevolumen und vom Volumenverhältnisverhältnis {PVALT+PL} zu {PVALB+EK}, ist die Menge an Natronlauge abhängig von ihrer
Konzentration. Je höher diese ist, umso weniger Natronlauge wird zur Erreichung der finalen Konzentration des Reaktionsansatzes benötigt.
3.2.2.3 Säurekatalyse
Die Matrixkapseln werden zunächst basierend auf einer Literaturvorschrift von LEE et al. dargestellt (Abb. 22).[50] Es wird, wie bei der Basischen Verseifung, lediglich IPF gegen Ethylacetat ausgetauscht.
Abb. 22: Fließschema Matrixpartikeldarstellung mittels SK nach LEE et al. (Gerike, 2012; vgl. [50])
Darüber hinaus wird für die Ammonolyse optimierte Verfahren eingesetzt und hinsichtlich der esterspaltenden Komponente und der Reaktionszeit bis zur Wasserzugabe (abhängig von der finalen molaren Konzentration des Reaktionsansatzes) variiert. Als EK wird 37%–ige Salzsäure verwendet.
Folgende Versuche verschiedener Reaktionszeiten (tR) und finaler molarer Konzentrationen des
Reaktionsansatztes (cAnsatz), welche durch die Variation des Volumens an zu gegebener Salzsäure
eingestellt werden kann, wurden durchgeführt: 0,38N und 90min
0,38N und 210min 0,48N und 270min
3.3.1 Verfahren der optischen Messtechnik 3.3.1.1 Exkurs: Licht
Die Wissenschaft vom Licht, Optik genannt (griechisch optike „die das Sehen betreffende Lehre“), stellt einen Teilbereich der Elektrodynamik dar und befasst sich mit den Erscheinungen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden können.
In der Regel ist mit der Bezeichnung „Licht“ der für das menschliche Auge sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums von Ȝ = 380nm bis Ȝ = 780nm gemeint.[51]Um die Eigenschaften von Licht zu beschreiben bedient man sich einfacher Modelle. Lichtstrahlen können von verschiedenen Lichtquellen (Sonne, Glühlampe, Laser) emittiert werden. Der Quantentheorie zufolge können diese Strahlen als geradlinige Bahnen von Lichtteilchen, sog. Photonen, betrachtet werden. Der Wellentheorie nach ist Licht eine transversale elektromagnetische Welle, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ausbreitet.[52] Eine Welle entsteht durch periodische Änderung einer Größe, in diesem Fall elektrische und magnetische Felder, in Raum und Zeit. Die Felder stehen senkrecht aufeinander und senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung des Lichts (Abb. 23).[53]
Abb. 23: Elektrische (E) und magnetische Feldstärke (H) in einer Lichtwelle zu einem festen Zeitpunkt[52]
Aufgrund dessen, dass die Auslenkung der Welle senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gerichtet ist, wird die Welle als transversal bezeichnet. Ein Lichtstrahl ist ein eng begrenzter Ausschnitt aus einer Welle. Um sich die räumliche Ausdehnung einer Lichtwelle vorstellen zu können werden die Phasenflächen der Wellen, auch Wellenfronten oder Wellenflächen genannt, betrachtet. Die Wellenlänge Ȝ, der Abstand zweier Phasenflächen, ist, wie in Gl. 1 dargestellt, mit der Frequenz f (= Wellenzahl) und der Lichtgeschwindigkeit cLicht (= Ausbreitungsgeschwindigkeit) verknüpft. [51-53]
