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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Anmeldung beansprucht Priorität
nach 35 USC § 119
der US-Anmeldung 60/001,365 mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung von Mikrosphären durch
Phasenumkehrungsphänomäne", eingereicht am
21 Juli 1995 durch Edith Mathiowitz, Donald E. Chickering III, Yong
S. Jong und Jules S. Jacob.
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Mikropartikel,
Mikrokapseln und Mikrosphären
(im folgenden "Mikropartikel" genannt) haben wichtige Anwendungen
in der pharmazeutischen, landwirtschaftlichen, Textil- und Kosmetikindustrie
als Transportmittel. In diesen Anwendungsgebieten wird ein Medikament,
ein Protein, ein Hormon, ein Peptid, ein Düngemittel, Pestizid oder Herbizid,
ein Farb- oder ein Duftstoff, oder ein anderer Wirkstoff in eine
Polymermatrix eingebettet und entweder sofort, oder auf kontrollierte
Art und Weise auf ein externes Signal (z.B. pH, Wärme, Wasser, Strahlung,
Druck, Konzentrationsgradienten, usw.) an einen Ort zugeführt. Die
Größe der Mikropartikel
kann ein wichtiger Faktor sein, um die Freisetzungsgeschwindigkeit
des eingeschlossenen Materials zu bestimmen.
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Es
gibt eine Vielzahl von Mikroverkapselungstechniken, die eine Vielzahl
von Partikeltypen und -größen unter
verschiedenen Bedingungen erzeugen können. Diese Methoden beinhalten
typischerweise das Verfestigen von emulgierten flüssigen Polymertröpfchen durch
Temperaturwechsel, Verdampfen des Lösungsmittels, oder durch das
Hinzufügen
eines chemischen Quervernetzungsmittels. Die physikalischen und
chemischen Eigenschaften des Verkapselungsmittels und des einzuschließen den Materials
können
manchmal die geeigneten Verkapselungsverfahren bestimmen, wodurch
nur bestimmte Verkapselungsmethoden unter bestimmten Umständen geeignet
sind. Faktoren wie Hydrophobizität,
Molekulargewicht, sowie die chemische und thermische Stabilität beeinflussen
die Verkapselung. Mit mehreren Verarbeitungsschritten gehen oft
signifikante Verluste einher. Diese Parameter können insbesondere bei der Verkapselung
bioaktiven Materials wichtig sein, da durch die Verarbeitungsschritte
verursachte Verluste in der biologischen Aktivität des Materials oder geringe
Ausbeuten in hohem Maße
unerwünscht
sein können.
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Die üblichen
Mikroverkapselungstechniken beinhalten Polykondensation an Grenzschichten, Sprühtrocknung,
Mikroverkapselung in einer heißen
Schmelze und Phasentrennungstechniken (Lösungsmittelentfernung und Lösungsmittelverdampfung).
Polykondensation an Grenzschichten kann eingesetzt werden, um ein
im Kern enthaltenes Material in folgender Art und Weise zu mikroverkapseln.
Ein Monomer und das Kernmaterial werden in einem Lösungsmittel
gelöst.
Ein zweites Monomer wird in einem zweiten Lösungsmittel (typischerweise
wässrig)
gelöst,
welches mit dem ersten Lösungsmittel
nicht mischbar ist. Es wird eine Emulsion durch Suspendieren der
ersten Lösung
mittels Rühren
in der zweiten Lösung
hergestellt. Sobald die Emulsion stabil ist, wird ein Initiator
zu der wässrigen
Phase hinzugegeben, der die Polymerisation an der Grenzfläche jedes
Tröpfchens
der Emulsion auslöst.
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Sprühtrocknung
ist typischerweise ein Verfahren um Mikrosphären mit einem Durchmesser von
1-10 Mikrometer Durchmesser herzustellen, bei dem das einzuschließende Kernmaterial
in einer (typischerweise wässrigen)
Polymerlösung
dispergiert oder gelöst
wird, wobei die Dispersion oder Lösung, angetrie ben durch einen
Strom unter Druck stehenden Gases, durch eine mikronisierende Düse gepumpt
wird und das entstehende Aerosol in einem erhitzten Luftzyklon suspendiert
wird, wobei das Lösungsmittel
aus den Mikrotröpfchen
verdampft. Die verfestigten Partikel werden in eine zweite Kammer
weitergeleitet und in einer Sammelflasche aufgefangen. Dieser Prozess
kann zu Verlusten von 50-80 % durch die Entlüftungsöffnung führen, sofern Sprühtrockner
im Labormaßstab
eingesetzt werden.
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Miroverkapselung
in der heißen
Schmelze ist ein Verfahren, bei dem ein Kernmaterial einer Polymerschmelze
hinzugesetzt wird. Diese Mischung wird als geschmolzene Tröpfchen in
einem Nichtlösemittel
für das
Polymer (oft auf Ölbasis)
suspendiert, welches auf ≈10°C über den
Schmelzpunkt des Polymers erhitzt wurde. Die Emulsion wird durch
heftiges Rühren
aufrechterhalten, während
das Bad des Nichtlösemittels
zügig unter
den Übergang
des Polymers in den Glaszustand gekühlt wird, was zum Verfestigen
der Tröpfchen
und zum Einschluss des Kernmaterials führt. Die auf diese Weise hergestellten
Mikrosphären
haben typischerweise Durchmesser im Bereich von 50 Mikrometern bis
2 Millimetern. Dieses Verfahren erfordert den Einsatz von Polymeren
mit ziemlich niedrigem Schmelzpunkt (d.h. < 150°C),
Glasübergangstemperaturen
oberhalb Raumtemperatur und Kernmaterialien, welche thermostabil
sind.
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Bei
der Lösungsmittelverdampfungs-Mikroverkapselung
wird das Polymer typischerweise in einem mit Wasser nicht mischbaren
organischen Lösungsmittel
gelöst
und das einzuschließende
Material wird der Polymerlösung
als Suspension oder Lösung
in organischem Lösungsmittel
zugesetzt. Eine Emulsion wird Durch Einfüllen dieser Lösung in
einen Becher mit heftig rührendem
Wasser gebildet (das oftmals ein oberflächenaktives Mittel enthält, welches
die Emulsion stabilisiert). Das organische Lösungsmittel wird unter fortgesetztem Rühren verdampft.
Das Verdampfen führt
zum Ausfallen des Polymers, welches feste Mikropartikel bildet,
die das Kernmaterial enthalten.
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Es
gibt einen Lösungsmittelverdampfungsprozess,
welcher spezifisch dafür
entworfen ist, ein flüssiges Kernmaterial
in PLA, PLA/PGA-Copolymer, oder in PLA/PCL-Copolymer-Mikrokapseln einzuschließen. PLA oder
das Copolymer wird in einer mischbaren Mischung von Lösungsmittel
und Nichtlösungsmittel
gelöst,
wobei die Konzentration des Nichtlösungsmittels knapp unter der
Konzentration liegt, bei der eine Phasentrennung ausgelöst werden
würde (d.h.
am Trübungspunkt).
Das flüssige
Kernmaterial wird der Lösung
hinzugegeben, während
sie bewegt wird, um eine Emulsion zu bilden und das Material in
Tröpfchen
zu dispergieren. Das Lösungsmittel
und das Nichtlösungsmittel
werden verdampft, wobei das Lösungsmittel
mit einer höheren Geschwindigkeit
verdampft, wodurch PLA oder das Copolymer zur Phasentrennung und
zum Wandern an die Oberfläche
der Tröpfchen
des Kernmaterials gebracht werden. Diese phasengetrennte Lösung wird
dann in ein permanent gerührtes
Volumen des Nichtlösungsmittels überführt, wodurch
verbliebenes gelöstes
PLA oder Copolymer ausfällt
und jegliches verbliebenes Lösungsmittel
der gebildeten Membran entzogen wird. Das Ergebnis ist eine aus
PLA oder Copolymer zusammengesetzte Hülle mit einem Kern aus flüssigem Material.
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Bei
der Mikroverkapselung durch Lösungsmittelentfernung
wird das Polymer typischerweise in einem mit Öl mischbaren organischen Lösungsmittel
gelöst
und das einzuschließende
Material wird der Polymerlösung
als Suspension oder Lösung
in organischem Lösungsmittel
zugesetzt. Eine Emulsion wird gebildet, indem diese Suspension oder
Lösung
in ein Gefäß mit einem
heftig gerührten Öl gegeben
wird, wobei das Öl ein
Nichtlö sungsmittel
für das
Polymer ist und die Polymer/Lösungsmittel-Lösung mit
dem Öl
nicht mischbar ist. Das organische Lösungsmittel wird durch Diffusion
in das Öl
unter fortgesetztem Rühren
entfernt. Das Entfernen des Lösungsmittels
führt zum
Ausfallen des Polymers, wodurch feste Mikrokapseln, die Kernmaterial enthalten,
gebildet werden.
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Phasentrennungs-Mikroverkapselung
wird typischerweise durchgeführt,
indem das einzuschließende Material
durch Rühren
in einer Polymerlösung
dispergiert wird. Während
das Material durch ständiges
Rühren gleichmäßig suspendiert
gehalten wird, wird langsam ein Nichtlösungsmittel für das Polymer
der Lösung
hinzugegeben, um die Löslichkeit
des Polymers zu verringern. In Abhängigkeit von der Löslichkeit
des Polymers in Lösungs-
und Nichtlösungsmittel,
fällt das
Polymer entweder aus, oder es findet eine Phasentrennung in eine
polymerreiche und in eine polymerarme Phase statt. Unter geeigneten
Bedingungen wandert das Polymer in der polymerreichen Phase an die
Grenzschicht zur umgebenden Phase und schließt das Kernmaterial in einem
Tröpfchen
mit einer äußeren Polymerhülle ein.
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Ein
kürzlich
an Tice vergebenes Patent (U.S. Patent Nr. 5,407,609) beinhaltet
einen Phasentrennungs-Mikroverkapselungsverfahren,
bei dem versucht wird, das Verfahren schneller als im vorangehenden Absatz
beschrieben durchzuführen.
Gemäß Tice wird
ein Polymer in einem Lösungsmittel
gelöst.
Ein einzuschließendes
Mittel wird dann in diesem Lösungsmittel
gelöst
oder dispergiert. Die Mischung wird mit einem Überschuss an Nichtlösungsmittel
zusammengebracht, emulgiert und stabilisiert, wobei das Polymerlösungsmittel
nicht mehr die kontinuierliche Phase ist. Es werden aggressive Emulgierungsbedingungen
eingesetzt, um Mikrotröpfchen
des Polymerlösungsmittels
zu erzeugen. Nach dem Emulgieren wird die stabile Emulsion in ein
großes
Volumen von Nichtlösungsmittel überführt, um
das Polymerlösungsmittel
zu extrahieren und Mikropartikel zu bilden. Die Größe der Mikropartikel
wird durch die Größe der Mikrotröpfchen des
Polymerlösungsmittels
bestimmt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, das kleine Partikel
nur unter aggressiven Emulgierungsbedingungen gewonnen werden können. Es
hat ebenso den Nachteil, daß mehrere
Verarbeitungsschritte nötig
sind um Mikropartikel zu bilden.
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DAs
U.S.-Patent Nr. 4,818,542, erteilt an DeLuca et al., beschreibt
ein System von porösen
Mikrosphären
zur Arzneimittelzufuhr. Die DeLuca-Mikrosphären werden in einem Verfahren
gewonnen, welches das Lösen
eines Arzneimittels oder Polymers in einem Lösungsmittel und den Einsatz
von Durchmischung und Temperaturkontrolle zur Herstellung einer
Emulsion einbezieht. Dieses Verfahren verwendet ein Zweiphasensystem.
Das U.S.-Patent Nr. 5,049,322, erteilt an Devissguet et al., beschreibt
die Herstellung von Nanokapseln mit einer Wand aus Substanz A und
einem Kern aus Substanz B, wobei eine Mischung aus Substanz A, Substanz
B und einem Lösungsmittel
mit einem Nichtlösungsmittel,
welches eine oberflächenaktive
Substanz enthält,
zusammengebracht und behutsam durchmischt werden.
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Phasenumkehr
ist ein Begriff, welcher verwendet wird, um das physikalische Phänomen zu
beschreiben, bei dem ein Polymer, gelöst in einem Lösungsmittelsystem
mit kontinuierlicher Phase, in ein festes makromolekulares Netzwerk
invertiert, in dem das Polymer die kontinuierliche Phase ist. Dieser
Vorgang kann auf durch verschiedene Mittel ausgelöst werden;
Entfernen des Lösungsmittels
(z.B. Verdampfung; auch als Trocknungsprozess bekannt), Hinzufügen eines
anderen Stoffes, Hinzugabe von Nichtlösungsmittel oder Zugabe zu
einem Nichtlösungsmittel
(auch als Nassverfahren bekannt). Im Naßverfahren kann die Polymerlösung in
ein Bad eines Nichtlösungsmittes
gegossen oder extrudiert werden. Das Verfahren verläuft auf
folgende Weise. Die Polymerlösung
vollzieht einen Übergang
von einer homogenen einphasigen Lösung in eine instabile Zweiphasenmischung
aus polymerreichen und polymerarmen Anteilen. Mizellare Tröpfchen des
Nichtlösungsmittels
in der polymerreichen Phase dienen als Keimbildungsorte und werden
mit Polymer umgeben. Ab einer kritischen Polymerkonzentration fallen
die Tröpfchen
aus der Lösung
aus und verfestigen sich. Sofern günstige Oberflächenenergie,
Viskosität
und Polymerkonzentration vorliegen, vereinigen sich die Mizellen
und fallen aus, wobei sie ein kontinuierliches Polymernetzwerk bilden.
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Phasenumkehrungsphänomäne wurden
verwendet, um makro- und mikroporöse Polymermembranen und Hohlfasern
herzustellen, die in der Gastrennung, Ultrafiltration, Innenaustausch
und Umkehrosmose eingesetzt werden. Die strukturelle Unversehrtheit
und die morphologischen Eigenschaften dieser Membranen sind Funktionen
des Molekulargewichtes der Polymere, der Polymerkonzentration, der
Viskosität
der Lösung, der
Temperatur und der Löslichkeitsparameter
(von Polymer, Lösungsmittel
und Nichtlösungsmittel).
Für Phasenumkehr
im Naßverfahren
muß die
Polymerviskosität
größer sein
als ungefähr
10 Pa·s
(10.000 Centipoise), um Membranintegrität zu erhalten; Lösungen mit
niedrigerer Viskosität
können
zu fragmentierten Polymerpartikeln im Gegensatz zu einem kontinuierlichen
System führen.
Weiterhin ist bekannt, daß die
Dispersion der ausfallenden Phase umso feiner ist, je schneller
eine Lösung
zum Ausfällen
gebracht wird.
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Ein
Phasenumkehrungsprozess wurde zur Herstellung von Polymermikrokapseln
eingesetzt. Die Mikrokapseln wurden herge stellt durch Lösen eines
Polymers in einem organischen Lösungsmittel,
gefolgt von der Bildung von Tröpfchen
der Lösung,
in dem die Lösung
durch eine Spinndüse
oder eine Spritzenkanüle
gepresst wurde (die Größe dieser
Tröpfchen
bestimmt die Größe der fertigen
Mikrokapseln), und Inkontaktbringen der Tröpfchen mit einem Nichtlösungsmittel
für das
Polymer, welches in hohem Maße
mit der Polymerlösung
mischbar ist, was wiederum zum schnellen Ausfallen der äußeren Schicht
des Tröpfchens
führt.
Die Mikrokapseln müssen
mit dem Nichtlösungsmittel
in Kontakt bleiben, bis im wesentlichen alles Lösungsmittel durch Nichtlösungsmittel
ersetzt wurde. Dieses Verfahren erfordert die Bildung eines Tröpfchens
mit feststehenden Ausmaßen
schon vor dem Kontakt mit dem Nichtlösungsmittel.
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Jedes
der voranstehend beschriebenen Verfahren erfordert die Herstellung
einer Emulsion von Tröpfchen
vor dem Ausfällen
der fertigen Mikropartikel. Die vorliegende Erfindung stellt ein
neues Verfahren zur Herstellung von Mikropartikeln bereit, ohne
daß die
Bildung einer Emulsion vor der Ausfällung nötig ist. Unter den richtigen
Bedingungen können
Polymerlösungen,
wenn sie zu geeigneten Nichtlösungsmitteln
gegeben werden, zur Phasenumkehr in fragmentierte sphärische Polymerpartikel
gezwungen werden. Wir haben diese spontane Mikropartikelbildung
durch Phasenumkehr in Form einer schnellen in einem Schritt ablaufenden
Mikroverkapselungstechnik angewendet. Das Verfahren ist leicht anwendbar,
ist für
eine Reihe von Polymersystemen geeignet (einschließlich vieler üblicher
abbaubarer und nicht abbaubarer Polymere die typischerweise als
Freisetzungsysteme mit kontrollierter Abgabe eingesetzt werden),
es produziert extrem kleine Mikropartikel (10 nm bis 10 um) und
hat sehr hohe Ausbeuten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
wurde entdeckt, daß "Phasenumkehr" von Polymerlösungen unter
bestimmten Bedingungen zur spontanen Bildung von diskreten Mikropartikeln,
einschließlich
Nanosphären,
führen
kann. Durch Verwendung relativ niedriger Viskositäten und/oder
niedriger Polymerkonzentrationen, durch Einsatz von Lösungsmittel- und
Nichtlösungsmittelpaaren,
die mischbar sind, und durch den Einsatz eines mehr als zehnfachen Überschusses
von Nichtlösungsmittel,
kann eine kontinuierliche Phase eines Nichtlösungsmittel mit gelöstem Polymer
schnell in das Nichtlösungsmittel
einführt
werden, wodurch eine Phasenumkehr und die spontane Bildung von diskreten
Mikropartikeln hervorgerufen wird.
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Das
Verfahren eliminiert einen für
den bisherigen Stand der Technik charakteristischen Schritt, nämlich das
Erzeugen von Mikrotröpfchen
des Lösungsmittels,
zum Beispiel durch das Herstellen einer Emulsion. Ebenso beseitigt
das Verfahren die mit dem Schritt der Mikrotröpfchenerzeugung verbundenen
Nachteile des Standes der Technik. Die Mikrotröpfchenerzeugung kostet Zeit,
sie kann für
den einzuschließenden
Wirkstoff zerstörend
wirken, und sie kann ein begrenzender Faktor bei der Festlegung
der endgültigen
Größe der gebildeten.
Mikropartikel sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfacher
und schneller als die nach dem Stand der Technik, da dieser Schritt
eliminiert ist. Die Erfindung hat den Vorteil, daß das Verfahren
sehr schnell durchgeführt
werden kann, wobei der gesamte Vorgang in einigen Fällen weniger
als fünf
Minuten in Anspruch nehmen kann. Die eigentliche Phasenumkehr und
Verkapselung kann in weniger als 30 Sekunden stattfinden. Es hat
auch den Vorteil, die Durchmischung und/oder Scherkräfte zu vermeiden,
denen das einzuschließende Material
an sonsten ausgesetzt wäre.
Kleinere Partikel werden nicht dadurch gewonnen, daß man das
Lösungsmittel
immer stärkerer
Durchmischung und/oder immer höheren
Scherkräften
aussetzt. Die Mikropartikelgröße wird
stattdessen durch nichtbelastende Parameter wie Polymerkonzentration,
Viskosität,
Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Mischbarkeit
und durch Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Volumenverhältnisse
bestimmt. Die Erfindung stellt ebenso mikrometergroße und sogar
submikrometergroße
Polymerpartikel bereit. Sie bietet den zusätzlichen Vorteil, daß diese
Partikel mit nur minimalen Verlusten an einzuschließendem Material
hergestellt werden. Um es zu wiederholen: Das Vermindern von Verlusten
hat wichtige Auswirkungen auf die Herstellungskosten.
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Es
wird leicht einsehbar sein, daß das
erfindungsgemäße Verfahren
im wesentlichen ein Ein-Schritt-Verfahren ist, das skalierbar ist.
Eine Automatisierung wird daher direkt möglich sein.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, Mikropartikel herzustellen,
die durch eine homogene Größenverteilung
charakterisiert sind. Solche Mikropartikel werden gut definierte,
vorhersagbare Eigenschaften haben.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Mikroverkapselung
eines Wirkstoffes bereitgestellt, um ein mikroverkapseltes Produkt
herzustellen. Ein Polymer wird in einer wirksamen Menge eines Lösungsmittels
gelöst.
Das Mittel wird ebenfalls in einer wirksamen Menge eines Lösungsmittels
gelöst
oder dispergiert. Das Polymer, das Mittel und das Lösungsmittel
bilden zusammen eine Mischung mit einer kontinuierlichen Phase,
wobei das Lösungsmittel
die kontinuierliche Phase darstellt. Die Mischung wird in eine wirksame Menge
ei nes Nichtlösungsmittels überführt, um
die spontane Bildung des mikroverkapselten Produktes auszulösen, wobei
das Lösungsmittel
und das Nichtlösungsmittel
mischbar sind und 0 (MPa)½ (0 (cal/cm³)½ < |δ Lösungsmittel – δ Nichtlösungsmittel| < 12,27 (MPa)½ (6
(cal/cm3)½.
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Das
mikroverkapselte Produkt, welches hieraus resultiert, kann, in Abhängigkeit
von den eingesetzten Wirkstoffen, Polymeren, Lösungs- und Nichtlösungsmitteln
und den Bedingungen bei der Phasenumkehr eine Reihe verschiedener
Eigenschaften haben. Diese Parameter können so eingestellt werden,
daß die
mikroverkapselten Produkte aus Mikropartikeln mit einer mittleren
Partikelgröße zwischen
10 Nanometern und 10 Mikrometern bestehen. Natürlich kann die mittlere Partikelgröße innerhalb
dieses Bereiches eingestellt werden, zum Beispiel zwischen 100 Nanometer
bis 5 Mikrometer, 50 Nanometer bis 5 Mikrometer oder 100 Nanometer bis
1 Mikrometer.
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Die
Partikelgröße wird
vom volumetrischen Verhältnis
von Lösungsmittel
zu Nichtlösungsmittel
beeinflusst, welches vorzugsweise größer als 1:40 ist oder zwischen
1:50 und 1:200 liegt. Ein Arbeitsbereich des Lösungsmittel:Nichtlösungsmittel-Verhältnisses
liegt zwischen 1:40 und 1:1.000.000.
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Die
Polymerkonzentration im Lösungsmittel
kann die Mikropartikelgröße ebenso
beeinflussen. Die Polymerkonzentration im Lösungsmittel kann unter 20,10
oder 5 % Gewicht pro Volumen liegen. Es ist bevorzugt, daß die Polymerkonzentration
zwischen 0,1 % Gewicht/Volumen und 5 % Gewicht/Volumen liegt, obwohl
höhere
Polymerkonzentrationen wie zum Beispiel 10 %, 20 % und sogar noch
höhere
Werte möglich
sind, was, unter anderem, von der Viskosität der Polymerlösung, dem
Molekularge wicht des Polymers und der Mischbarkeit von Lösungs- und
Nichtlösungsmittel
abhängt.
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Die
Viskosität
der Lösung
aus Polymer und Lösungsmittel
kann ebenfalls die Partikelgröße beeinflussen.
Die Viskosität
der Lösung
aus Polymer und Lösungsmittel
kann geringer sein als 6, 4, 3 oder 2 Centipoise. Sie liegt vorzugsweise
unter 0,002 Pa·s
(2 Centipoise), obwohl höhere
Viskositäten
wie 0,003, 0,004, 0,006 oder sogar noch höhere Pa·s (3, 4, 6 oder sogar noch
höhere
Centipoise) in Abhängigkeit
von der Einstellung weiterer Parameter möglich sind.
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Das
Molekulargewicht des Polymers kann ebenfalls die Partikelgröße beeinflussen.
Der bevorzugte Bereich ist 2 kDa – 50 kDa, obgleich ein Arbeitsbereich
von 1 kDa – 150
kDa reicht. Andere Polymergrößen sind
in Abhängigkeit
von der Einstellung zusätzlicher
Parameter möglich.
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Es
ist weiterhin möglich
die Partikelgröße durch
die Auswahl der Charakteristika von Lösungsmittel und Nichtlösungsmittel
zu beeinflussen. So beeinflussen zum Beispiel hydrophile Paare von
Lösungsmittel
und Nichtlösungsmittel
die Partikelgröße relativ
zu hydrophoben Paaren aus Lösungsmittel
und Nichtlösungsmittel.
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Die
voranstehenden Parameter werden, allein oder in Kombination, als
wichtiger Aspekt dieser Erfindung betrachtet.
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Nach
einem anderen Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Mikroverkapselung
eines Wirkstoffes bereitgestellt, um ein mikroverkapseltes Produkt
zu bilden. Ein Polymer wird in einem Lösungsmittel bei einer Konzentration
von unter 10 Gewicht/Volumen, oder zwischen 0,25 und 10 % Gewicht
pro Vo lumen gelöst. Ein
Mittel wird ebenfalls im Lösungsmittel
gelöst
oder dispergiert. Das Polymer, das Mittel und das Lösungsmittel
bilden zusammen eine Mischung, wobei die Viskosität dieser
Mischung kleiner als 0,0035 Pa·s
(3,5 Centipoise) ist. Die Mischung wird. in ein Nichtlösungsmittel überführt, wobei
das Volumenverhältnis
von Lösungsmittel:Nichtlösungsmittel
wenigstens 1:40 beträgt,
um die spontane Bildung des mikroverkapselten Produktes auszulösen, wobei
das Lösungsmittel
und das Nichtlösungsmittel
mischbar sind und wobei 0 (MPa)½ (0 (cal/cm3)½ < |δ Lösungsmittel – δ ichtlösungsmittel] < 12,27 (MPa)½ (6
(cal/cm³)½.
Vorzugsweise liegt die Polymerkonzentration zwischen 0,5 und 5 %
Gewicht/Volumen, die Viskosität
ist kleiner als 0,002 Pa·s
(2 Centipoise) und das Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Verhältnis beträgt zwischen
1:50 und 1:200.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung werden Mikropartikel bereitgestellt.
Die Mikropartikel werden durch die oben beschriebenen Verfahren
hergestellt. Es wird angenommen., daß die erfindungsgemäßen Verfahren
zu Produkten führen,
die physikalische Eigenschaften haben, welche von denen der Mikropartikel, die
nach dem Stand der Technik hergestellt wurden, abweichen.
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Die
vorangegangenen Aspekte dieser Erfindung werden, ebenso wie verschiedene
Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden im folgenden detaillierter
dargestellt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung beinhaltet die Entdeckung, daß "Phasenumkehr" von Polymerlösungen unter bestimmten Bedingungen
zur spontanen Bildung von diskreten Mikropartikeln führen können. Das als "Phasenumkehr-Nanoverkapselung" (phase inversion
nanoencapsulation, PIN) bezeichnete Verfahren weicht von den bisherigen
Verkapselungsmethoden dadurch ab, daß es im wesentlichen ein einschrittiger
Prozess ist, daß er nahezu
sofort abläuft,
und daß er
keine Emulgierung des Lösungsmittels
erfordert. Unter geeigneten Bedingungen können Polymerlösungen niedriger
Viskosität
dazu gezwungen werden, nach Überführung in
ein geeignetes Nichtlösungsmittel
eine Phasenumkehr durchzumachen, wobei getrennte sphärische Polymerpartikel entstehen.
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Phasenumkehrphänomene wurden
zur Herstellung von makro- und mikroporösen Polymermembranen und von
Hohlfasern eingesetzt. Die Grundlage für die Bildung solcher Membranen
oder Fasern sowie für das
erfindungsgemäße Verfahren
hängen
von den Mechanismen der Mikrophasentennung ab. Eine gängige Theorie
der Mikrophasentrennung basiert auf der Annahme, daß sich in
Folge von Lösungsmittelentzug "Primärpartikel" mit einem Durchmesser
von etwa 50 nm als erstes Ereignis der Ausfällung bilden.
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Im
weiteren Verlauf des Prozesses, so wird angenommen, kollidieren
die Primärpartikel
und verschmelzen zu "sekundären" Partikeln mit Größen von
angenähert
200 nm, welche sich schließlich
mit anderen Partikeln vereinigen und die Polymermatrix bilden. Eine
alternative Theorie "Keimbildung
und Wachstum" basiert
auf der Vorstellung, daß ein
Polymer um eine mizellare Kernstruktur herum ausfällt (im
Gegensatz zum Verschmelzen von Primärpartikeln).
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Die
Tatsache, daß die
vorliegende Erfindung Partikel mit einer sehr einförmigen Größenverteilung
ergibt, die sich bei einer niedrigeren Polymerkonzentration ohne
Vereinigung bil den, unterstützt
die Keimbildungs- und Wachstumstheorie, ohne jedoch die Verschmelzung
bei höheren
Polymerkonzentrationen auszuschließen (z.B. bei mehr als 10 %
Gewicht pro Volumen), bei denen größere Partikel und sogar Aggregate
gebildet werden können.
(Das Lösungsmittel
würde aus
größeren Partikeln
langsamer extrahiert werden, so daß zufällige Kollisionen der teilweise
gelösten
Sphären
zur Verschmelzung führen
würden
und letztendlich zur Bildung eines fädigen Netzwerkes). Durch Einstellen
der Polymerkonzentration, des Molekulargewichtes der Polymere, der
Viskosität,
der Mischbarkeit und des Volumenverhältnisses von Lösungsmittel:Nichtlösungsmittel können die
interfibrillären
Verbindungen, die für
Membranen aus der Phasenumkehr charakteristisch sind, vermieden
werden, was dazu führt,
das sich spontan Mikropartikel bilden. Wie aus den unten aufgeführten Beispielen,
ebenso wie aus der folgenden Diskussion hervorgehen wird, stehen
die vorgenannten Parameter miteinander in Beziehung und die Einstellung
eines dieser Parameter wird die absoluten Werte, die für einen
anderen zulässig
sind, beeinflussen.
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Bei
der bevorzugten Verarbeitungsmethode wird eine Mischung aus einem
zu verkapselnden Wirkstoff, einem Polymer und einem Lösungsmittel
für das
Polymer hergestellt. Das zu verkapselnde Mittel kann in flüssiger oder
fester Form vorliegen. Es kann in dem Lösungsmittel gelöst oder
dispergiert werden. Der Wirkstoff kann somit in dispergierten Mikrotröpfchen enthalten
sein oder in Form von dispergierten festen Mikropartikeln im Lösungsmittel
vorliegen. Der Phasenumkehrprozess kann somit für den Einschluß eines
breiten Spektrums von Mitteln eingesetzt werden, indem sie entweder
in fester Form mikronisiert oder, stattdessen, in emulgierter flüssiger Form
in der Polymerlösung
eingeschlossen werden.
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Die
Beladungsbereich der Mikropartikel mit dem Wirkstoff liegt zwischen
0,01-80 % (Wirkstoffgewicht/Polymergewicht).
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Im
allgemeinen gehören
zu den Wirkstoffen Klebstoffe, Gase, Pestizide, Herbizide, Duftstoffe,
Antifoulingmittel, Farbstoffe, Salze, Öle, Tinten, Kosmetika, Katalysatoren,
Detergentien, Härter,
Geschmacksstoffe, Nahrungsmittel, Treibstoffe, Metalle, Farben,
photographische Stoffe, Biozide, Pigmente, Weichmacher, Treibmittel,
und dergleichen. Das Mittel kann auch ein bioaktives Mittel sein.
Das bioaktive Mittel kann, ohne hierauf beschränkt zu sein, sein: ein adrenerges
Mittel; ein adrenocorticales Steroid; ein adrenocorticaler Hemmstoff; ein
Aldosteronantagonist; eine Aminosäure; anabolisch; analeptisch;
analgetisch; anästhetisch;
appetitzügelnd;
ein Anti-Akne-Mittel; anti-adrenerg; anti-allergisch; anti-amöbisch; anti-anämisch; anti-anginal;
anti-arthritisch; anti-asthmatisch; anti-atherosklerotisch; antibakteriell;
anti-cholinerg; antikoagulant; krampflösend; antidepressiv; anti-diaretisch;
Durchfall hemmend; anti-diuretisch; antiemetisch; anti-epileptisch;
anti-fibrinolytisch; ein Fungizid; anti-hämorrhagisch; ein Antihistamin;
antihyperlipidämisch;
blutdrucksenkend; blutdrucksteigernd; infektionshemmend; entzündungshemmend;
antimikrobiell; ein anti-Migräne
Mittel; ein Mitosehemmstoff; antimykotisch; Übelkeit verhindernd; anti-neoplastisch;
anti-neutropenisch; antiparasitisch; antiproliferativ; anti-psychotisch;
antirheumatisch; anti-seborrhetisch; anti-sekretorisch; antispasmisch;
anti-thrombotisch; anti-ulcerativ; antiviral; ein Appetitzügler; ein
Blutglucoseregulator; ein Knochenresorptionsinhibitor; ein Bronchodilator;
ein Herzkreislaufmittel; cholinerg; ein Beruhigungsmittel; ein diagnostischer
Hilfsstoff; diuretisch; ein dopaminerger Stoff; ein Östrogenrezeptorantagonist;
fibrinolytisch; ein fluoreszierender Stoff; ein Scavenger für freie
Sauerstoffradikale; ein die gastrointestinale Beweglichkeit beeinflussender
Stoff; ein Glukocortikoid; ein Haarwuchstimulanz; hämostatisch;
Histamin-H2-Rezeptor-Antagonisten;
ein Hormon; hypercholesterinämisch;
hypoglykämisch;
hypolip dämisch;
hypotonisch; ein Bildgebungsmittel; ein immunisierender Stoff; ein
Immunmodulator; Immunregulator; Immunstimulanz; Immunhemmstoff;
keratinolytisch; ein LHRH-Agonist; ein Stimmungsregulator; mukolytisch;
mydriatisch; die Nasenschleimhaut abschwellend; ein neuromuskulär blockierender
Stoff; neuroprotektiv; ein NMDA-Antagonist;
ein nichthormonelles Sterolderivat; ein Plasminogenaktivator; ein
Blutplättchenaktivierungsfaktor-Antagonist;
ein Blutplättchen-Aggregationsinhibitor;
psychotrop; ein radioaktiver Stoff; scabizid; ein sklerotisierender
Stoff; sedativ; sedativ-hypnotisch; ein selektiver Adenosin-Al-Antagonist; Serotoninantagonist;
ein Serotonininhibitor; ein Serotoninrezeptor-Antagonist; ein Steroid;
ein Schilddrüsenhormon;
ein Schilddrüsenhemmstoff;
thyromimetisch; ein Tranquillizer; ein Wirkstoff für amyotrophe
laterale Sklerose; ein Wirkstoff für zerebrale Ischämie; ein
Wirkstoff gegen Paget' Krankheit;
ein Wirkstoff gegen instabile Angina; ein Vasokonstriktor; ein Vasodilator;
ein Wundheilmittel; ein Xanthinoxidasehemmer.
-
Bioaktive
Stoffe schließen
immunologische Mittel ein, wie zum Beispiel Allergene (z.B. Katzenhautschuppen,
Birkenpollen, Hausstaub, Milben, Gräserpollen, usw.) und Antigene
von Pathogenen wie Viren, Bakterien, Pilzen und Parasiten. Diese
Antigene können
in Form von ganzen inaktivierten Organismen vorliegen, in Form von
Peptiden, Proteinen, Glykoproteinen, Kohlenhydraten und Kombinationen
hieraus. Spezifische Beispiele von pharmakologischen oder immunologischen
Mitteln, die zu den oben genannten Kategorien gehören und
die für
den Einsatz beim Menschen zugelassen sind, können der veröffentlichten
Literatur entnommen werden.
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Der
Wirkstoff wird dem Polymerlösungsmittel
zugefügt,
vorzugsweise nachdem das Polymer im Lösungsmittel gelöst wurde.
Das Lösungsmittel
kann jedes zum Lösen
des Polymers geeignete Lösungsmittel sein.
Typischerweise wird das Lösungsmittel
ein übliches
organisches Lösungsmittel
sein, wie zum Beispiel halogenierte Kohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid,
Chloroform und ähnliches;
ein Alkohol; ein aromatischer Kohlenwasserstoff wie Toluol; ein
halogenierter aromatischer Kohlenwasserstoff; ein Ether wie Methyl-t-butylether;
ein zyklischer Ether wie Tetrahydrofuran; Ethylacetat; Diethylcarbonat;
Aceton; oder Cyclohexan. Die Lösungsmittel
können
allein oder in Kombination verwendet werden. Das gewählte Lösungsmittel
muss in der Lage sein das Polymer zu lösen, und es ist erwünscht, daß das Lösungsmittel
bezüglich
des zu verkapselnden Mittels und bezüglich des Polymers inert ist.
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Das
Polymer kann jedes geeignete Mikroverkapselungsmaterial sein, einschließlich, jedoch
nicht beschränkt
auf nicht biologisch erodierbare und bioerodierbare Polymere. Solche
Polymere wurden in großer Ausführlichkeit
im Rahmen bestehender Techniken beschrieben. Sie beinhalten, sind
hierauf jedoch nicht beschränkt:
Polyamide, Polycarbonate, Polyalkylene, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide,
Polyalkylenterephthalate, Polyvinylalkohole, Polyvinylether, Polyvinylester,
Polyvinylhalogenide, Polyvinylpyrrolidon, Polyglykolide, Polysiloxane,
Polyurethane und deren Copolymere, Alkylcellulose, Polymere von
Acryl- und Methacrylestern, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose,
Hydroxypropyl-Methylcellulose, Hydroxybutyl-Methylcellulose, Celluloseacetat,
Cellulosepropionat, Celluloseacetat-Butyrat, Celluloseacetat-Phthalat, Carboxyethylcellulose,
Cellulosetriacetat, das Natriumsalz des Cellulosesulfates, Polymethylmethacrylat,
Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacylat,
Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat,
Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat,
Polyisobutylacrylat, Polyoctadecylacrylat, Polyethylen, Polypropylen,
Polyethylenglykol, Polyethylenoxid, Polyethylenterephthalat, Polyvinylalkohole,
Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polystyrol und Polyvinylpyrrolidon.
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Beispiele
bevorzugter nicht biologisch abbaubarer Polymere beinhalten Ethylenvinylacetat,
Poly(methyl)acrylsäure,
Polzamide, sowie Copolymere und Gemische aus diesen.
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Beispiele
bevorzugter biologisch abbaubarer Polymere beinhalten synthetische
Polymere wie die Polymere der Milchsäure und der Glykolsäure, Polyanhydride,
Poly(ortho)ester, Polyurethane, Polybuttersäure, Polyvaleriansäure, Polycaprolacton,
Polyhydroxybutyrat, Poly(Lactid-Co-Glykolid), Poly(Lactid-Co-Caprolacton), und
natürliche
Polymere wie Alginate und andere Polysaccharide einschließlich Dextran
und Cellulose, Kollagen, chemische Derivate hiervon (Substitutionen,
Additionen chemischer Gruppen, zum Beispiel Alkyl-, Alkylengruppen,
Hydroxylierungen, Oxidationen, und andere Modifikationen, welche
routinemäßig vom
Fachmann durchgeführt
werden), Albumine und andere hydrophile Proteine, Zein und andere
Prolamine und hydrophobe Proteine, Copolymere und Mischungen hieraus.
Im allgemeinen werden diese Materialien entweder durch enzymatische
Hydrolyse oder durch Exposition gegenüber Wasser in vivo durch oberflächliche
oder das gesamte Material umfassende Erosion abgebaut. Die vorangegangenen
Materialien können
allein, als physikalische Mischungen (Blends), oder als Copoly mere
genutzt werden. Die am meisten bevorzugten Polymere sind Polyester,
Polyanhydride, Polystyrol und Mischungen hieraus.
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Ganz
besonders bevorzugt sind bioadhäsive
Polymere. Ein bioadhäsives
Polymer bindet unter normalen physiologischen Bedingungen an Schleimhautepithel.
Bioadhäsion
im Gastrointestinaltrakt verläuft
in zwei Schritten: (1) Viskoelastische Verformung am Kontaktpunkt
des synthetischen Materials in das Schleimhautsubstrat, und (2)
Ausbildung von Bindungen zwischen dem adhäsiven synthetischen Material
und dem Schleim oder den Epithelzellen. Im allgemeinen kann das
Haften von Polymeren an Gewebe erreicht werden durch (i) physikalische
oder mechanische Bindungen, (ii) primäre oder kovalente chemische
Bindungen, und/oder (iii) sekundäre
chemische Bindungen (d.h. Ionenbindungen). Physikalische oder mechanische
Bindungen folgen aus Ablagerung und Einschluss des haftenden Materials
in Spalten des Schleims oder Falten der Schleimhaut. Sekundäre chemische
Bindungen, die zu den bioadhäsiven
Eigenschaften beitragen, bestehen aus dispersiven Wechselwirkungen
(d.h. Van-der-Waals-Wechselwirkungen) und stärkeren spezifischen Wechselwirkungen,
welche Wasserstoffbrückenbindungen
einschließen.
Die hydrophilen funktionellen Gruppen, die in erster Linie für die Bildung
von Wasserstoffbrückenbindungen
verantwortlich sind, sind Hydroxyl- und Carboxylgruppen. Eine Vielzahl
bioadhäsiver
Polymere wird in dieser Anwendung diskutiert. Repräsentative
bioadhäsive
Polymere, die von besonderem Interesse sind, beinhalten bioerodierbare
Hydrogele, wie sie von H.5. Sawhney, C.P. Pathak und J.A. Hubell
in Macromolecules, 1993, 26: 581 – 587 beschrieben wurden, deren
Lehren hier aufgenommen werden, Polyhyaluronsäuren, Casein, Gelatine, Glutin,
Polyanhydride, Polyacrylsäure,
Alginate, Chitosan, Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat,
Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhe xylmethacrylat,
Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat,
Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat, und
Polyoctadecylacrylat. Am meisten bevorzugt ist Poly-(Fumarid-Co-Sebacinid)säure.
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Es
können
Polymere mit erweiterten bioadhäsiven
Eigenschaften bereitgestellt werden, bei denen Anhydridmonomere
oder – oligomere
in das Polymer eingefügt
sind. Die oligomeren Hilfsstoffe können mit einem breiten Spektrum
hydrophiler und hydrophober Polymere, einschließlich Proteinen, Polysacchariden
und synthetischen biokompatiblen Polymeren gemischt, oder in diese
eingefügt
werden. Anhydridoligomere können mit
Metalloxidpartikeln kombiniert werden, um die Bioadhäsion weiter
zu steigern als es mit organischen Zusatzstoffen allein möglich ist.
Organische Farbstoffe können
aufgrund ihrer elektrischen Ladung und ihrer Hydrophobizität/Hydrophilität die bioadhäsiven Eigenschaften
von Polymeren, wenn sie in diese eingefügt werden, entweder steigern
oder herabsetzen. Das Einfügen
von Oligomeren in ein breites Spektrum verschiedener Polymere, die
normalerweise nicht bioadhäsiv
sind, steigert deren Haftung an Gewebeoberflächen, wie zum Beispiel an Schleimhäuten, dramatisch.
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So
wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Anhydridoligomer" auf Disäuren oder
Polydisäuren,
die durch eine Anhydridbindung verknüpft sind, und deren Carboxylsäure-Endgruppen mit einer
Monosäure,
wie zum Beispiel Essigsäure
durch eine Anhydridbindung verknüpft
sind. Die Anhydridoligomere haben ein Molekulargewicht von weniger
als ungefähr
5000, typischerweise zwischen 100 und 5000 Dalton, oder sie sind
so definiert, daß sie
zwischen einer und etwa 20 Disäureeinheiten
enthalten, die über
Anhydridbindungen verknüpft
sind. In einer Ausführungsform
sind die Disäuren
diejenigen, die üblicherweise
im Krebs-Glykolyse-Zyklus gefunden werden. Die Komponenten der Anhydridoligomere
haben eine hohe chemische Reaktivität.
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Die
Oligomere können
in einer Rückflussreaktion
der Disäuren
mit einem Überschuss
an Essigsäureanhydrid
hergestellt werden. Der Überschuss
an Essigsäureanhydrid
kann im Vakuum verdampft werden und das entstandene Oligomer, welches
ein Gemisch aus Molekülsorten
von ein bis etwa 20 Disäureeinheiten,
verknüpft
durch Anhydridbindungen, ist, wird durch Umkristallisation, zum
Beispiel in Toluol oder anderen organischen Lösungsmitteln, gereinigt. Das
Oligomer wird durch Filtration aufgefangen und, zum Beispiel in
Ethern, gewaschen. Die Reaktion erzeugt Anhydridoligomere von Mono-
und Polysäuren
mit terminalen Carboxylgruppen, die miteinander durch Anhydridbindungen
verknüpft
sind.
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Die
Anhydridoligomere sind hydrolytisch labil. Wie durch Gelfiltration
festgestellt werden konnte, liegt das Molekulargewicht zum Beispiel
in der Größenordnung
von 200-400 bei Fumarsäureoligomeren
(FAPP) und 2000-4000 bei Sebacinsäureoligomeren (SAPP). Die Anhydridbindungen
können
mit Fouriertransformations-Infrarotspektroskopie durch charakteristische
Doppelpeaks bei 1750 cm-1 und 1820 cm-1, bei gleichzeitigem Verschwinden
des Carboxylsäurepeaks
bei normalerweise 1700 cm-1 nachgewiesen werden.
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In
einer Ausführungsform
werden die Oligomere aus Disäuren
hergestellt, wie es zum Beispiel im U.S.-Patent Nr. 4,757,128, erteilt
an Domb et al., U.S.-Patent Nr. 4,997,904 erteilt an Domb et al.,
und im U.S.-Patent Nr. 5,175,235 erteilt an Domb et al., beschrieben
ist, deren jeweilige Offenbarung hier durch Inbezugnahme aufgenommen
ist. Zum Beispiel können
Monomere wie Sebacinsäure
(Decandisäure),
Bis(pcarboxy-phenoxy)propan, Isophthalsäure, Fumarsäure, Äpfelsäure, Adipinsäure oder
Dodecandionsäure
verwendet werden.
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Organische
Farbstoffe können
aufgrund ihrer elektrischen Ladung und ihrer Hydrophilität/Hydrophobizität die bioadhäsiven Eigenschaften
einer Reihe von Polymeren verändern,
wenn sie in die Polymermatrix eingebettet, oder an die Oberfläche der
Polymere gebunden werden. Eine unvollständige Auflistung von Farbstoffen,
die bioadhäsive
Eigenschaften verändern,
beinhaltet, ist jedoch nicht beschränkt auf: Saures Fuchsin, Alican-Blau,
Alizarinrot s, Auramin o, Azur A und B, Bismarckbraun y, Brilliant
Cresyl Blue Ald, Brilliantgrün,
Karmesin, Cibacron Blue 3GA; Kongorot,, Kresylviolettacetat, Kristallviolett,
Eosin B, Eosin Y, Erythrosin B, Fast Green fcf, Giemsa, Hematoylin,
Indigokarmin, Janusgrün
B, Eosin-Methylenblau
(Jenner's stain),
Malachitgrünoxalat,
Methylblau, Methylenblau, Methylgrün, Methylviolett 2b, Neutralrot,
Nilblau A, Orange II, Orange G, Orcein, Paraosanilinchlorid, Phloxin
B und Y, Reaktivblau 4 und 72, Reaktivbraun 10, Reaktivgrün 5 und
19, Reaktivrot 120, Reaktivgelb 2, 3, 13, und 86, Rose Bengal, Safranin,
Sudan III und IV, Sudanschwarz 8, und Toluidinblau.
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Der
Arbeitsbereich des Molekulargewichtes des Polymers liegt in einer
Größenordnung
von 1 kDa – 150.000
kDa, obgleich der optimale Bereich 2 kDa – 50 kDa ist. Der Arbeitsbereich
der Polymerkonzentration ist 0,01 – 50 % (Gewicht/Volumen), in
erste Linie abhängig
von dem Molekulargewicht des Polymers und der resultierenden Viskosität der Polymerlösung. Im
allgemeinen erlauben Polymere mit niedrigem Molekulargewicht den
Einsatz einer höheren
Polymerkonzentration. Die bevorzugten Konzentrationen liegen entsprechend dieser
Erfindung in einer Größenordnung
von 0,1 % – 10
% (Gewicht/Volumen), wobei eine optimale Polymerkonzentration typischerweise
unter 5 % liegen wird. Es wurde festgestellt, daß Polymerkonzentrationen im
Bereich von 1-5 % bei den erfindungsgemäßen Verfahren besunders nützlich sind.
Die Viskosität
der Polymerlösung
liegt vorzugsweise unter 0,0035 Pa·s (3,5 Centipoise) und besonders
bevorzugt bei unter 0,002 Pa·s
(2 Centipoise), obgleich höhere
Viskositäten
wie zum Beispiel 0,004 oder sogar 0,006 Pa·s (4 oder sogar 6 Centipoise)
möglich
sind, abhängig
von der Einstellung anderer Parameter wie zum Beispiel dem Molekulargewicht.
Es wird von dem Durchschnittsfachmann erkannt werden, daß die Polymerkonzentration,
das Molekulargewicht eines Polymers und seine Viskosität zusammenhängen und
daß das
Verändern
eines dieser Faktoren den anderen wahrscheinlich beeinflusst.
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Das
Nichtlösungsmittel
oder Extraktionsmedium wird auf Grund seiner Mischbarkeit mit dem
Lösungsmittel
gewählt.
Daher werden Lösungsmittel
und Nichtlösungsmittel
als "Paare" betrachtet. Wir
haben festgestellt, das der Löslichkeitsparameter
(δ (MPa)½ oder
(cal/cm³)½)
ein hilfreicher Indikator für
die Eignung eine Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Paares
ist. Der Löslichkeitsparameter
ist ein wirkungsvoller Schutz gegen die Mischbarkeit zweier Lösungsmittel.
Er zeigt im allgemeinen durch höhere
Werte eine stärker
hydrophile Flüssigkeit,
durch niedrige Werte eine mehr hydrophobe Flüssigkeit an (z.B. δi Wasser
47,86 (MPa)½ (23,4 (cal/cm³)½),
wohingegen δ Hexan
= 14,93 (MPa)½ (7,3
(cal/cm³)½).
Wir haben festgestellt, daß Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Paare
nützlich
sind, bei denen 0 (MPa)½ (0 (cal/cm³)½) < Lösungsmittel – δ Nichtlösungsmittel) < 12,27(MPa)½ (6
(cal/cm³)½).
Obwohl eine Festlegung auf irgendeine Theorie nicht beabsichtigt
ist, besteht eine Interpretation dieser Ergebnisse darin, daß die Mischbarkeit
von Lösungsmittel
und Nichtlösungsmittel
wichtig für
die Bildung von Präzipitationskeimen
ist, die letztendlich als Ausgangspunkt für das Partikelwachstum dienen.
Wenn die Polymerlösung
mit dem Nichtlösungsmittel
vollständig
unmischbar ist, dann findet keine Lösungsmittelextraktion statt
und die Nanopartikel werden nicht gebildet. Ein dazwischenliegender
Fall würde
ein Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Paar
einbeziehen, das nur wenig mischbar ist und bei dem die Geschwindigkeit
des Entfernens des Lösungsmittels
nicht hoch genug ist, um diskrete Mikropartikel zu bilden, was zu
einer Anhäufung
von Verschmelzungsprodukten der Partikel führt.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, daß Nanopartikel,
die unter Verwendung "hydrophilef" Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Paare
(z.B. ein in Methylenchlorid gelöstes
Polymer mit Ethanol als Nichtlösungsmittel)
erzeugt wurden, um ungefähr
100 % kleinere Partikel ergaben, als wenn "hydrophobe" Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Paare
verwendet wurden (z.B. dasselbe Polymer, gelöst in Methylenchlorid, mit
Hexan als Nichtlösungsmittel).
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In ähnlicher
Weise wurde überraschenderweise
gefunden, daß das
Volumenverhältnis
von Lösungsmittel
zu Nichtlösungsmittel
wichtig war, um festzulegen, ob Mikropartikel ohne Partikelaggregation
oder -verschmelzung gebildet wurden. Ein geeigneter Arbeitsbereich
für das
Volumenverhältnis
von Lösungsmittel
zu Nichtlösungsmittel
wird zwischen 1:40 und 1:1.000.000 angenommen. Ein optimaler Arbeitsbereich
für das
Volumenverhältnis
von Lösungsmittel
zu Nichtlösungsmittel
wird zwischen 1:50 und 1:200 (Volumen pro Volumen) angenommen. Verhältnisse
von weniger als 1:40 führten
zur Vereinigung von Partikeln, vermutlich aufgrund unvollständiger Lö sungsmittelextraktion,
oder, stattdessen, wegen einer langsameren Geschwindigkeit der Lösungsmitteldiffusion
in die Hauptmasse der Nichtlösungsmittelphase.
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Es
wird für
den Fachmann ersichtlich sein, daß die oben aufgeführten Bereiche
nicht absolut zu verstehen sind, sondern stattdessen untereinander
in Beziehung stehen. So ist es zum Beispiel möglich, daß, obwohl angenommen wird,
daß das
minimale Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Verhältnis in
der Größenordnung von
1:40 liegt, sich Mikropartikel immer noch bei niedrigeren Verhältnissen
wie zum Beispiel 1:30 bilden, sofern die Polymerkonzentration extrem
niedrig, die Viskosität
der Polymerlösung
extrem niedrig, und die Mischbarkeit von Lösungsmittel und Nichtlösungsmittel
hoch ist. So wird, wie im Zusammenhang mit den Ansprüchen verwendet,
das Polymer in einer wirksamen Menge Lösungsmittel gelöst, und
die Mischung aus Mittel, Polymer und Polymerlösungsmittel so in eine wirksame
Menge eines Nichtlösungsmittel
gegeben, daß Polymerkonzentrationen,
Viskositäten
und Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel-Verhältnisse
entstehen, die zur spontanen und praktisch sofortigen Bildung von
Mikropartikeln führen.
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Wie
aus den unten aufgeführten
Beispielen ersichtlich werden wird, wurde eine Reihe von Polymeren mit
den erfindungsgemäßen Verfahren
getestet. Hierzu gehören
Polyester wie Polymilchsäure,
Poly-(Lactid-Co-Glykolid) in molaren Verhältnissen von 50:50 und 75:25;
Polycaprolacton; Polyanhydride wie Poly-(Fumarid-Co-Sebacinid) oder
P(FA:SA) in molaren Verhältnissen
von 20:80 und 50:50; Poly- (Carboxyphenoxypropanid-Co-Sebacinid) oder P(CPP:SA)
in einem molaren Verhältnis
von 20:80; und Polystyrole oder PS. Nanosphären und Mikrosphären im Bereich
von 10 nm bis 10 um wurden mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Bei einer anfänglichen
Polymerkonzentration im Bereich von 1-2 (Gewicht/Volumen) und Lösungsviskositäten von
0,001-0,002 Pa·s
(1-2 Centipoise) mit einem "guten" Lösungsmittel
wie Methylenchlorid und einem starken Nichtlösungsmittel wie Petrolether
oder Hexan in einem optimalen Volumenverhältnis von 1:100, werden Partikel
mit Größen im Bereich
von 100-500 nm gebildet. Unter ähnlichen
Bedingungen, ergeben anfängliche
Polymerkonzentrationen 2-5 % (Gewicht/Volumen) und Lösungsviskositäten von
0,002-0,003 Pa·s
(2-3 Centipoise), typischerweise Partikelgrößen von 500-3.000 nm. Bei Einsatz
von Polymeren mit sehr niedrigem Molekulargewicht (unter 5 kDa)
könnte
die Viskosität
der anfänglichen
Lösung
niedrig genug sein, um die Verwendung von mehr als 10 % (Gewicht/Volumen)
anfänglicher
Polymerkonzentrationen zu ermöglichen,
welche im allgemeinen zu Mikrosphären mit Größen von 1-10 µm führen. Im
allgemeinen ist es wahrscheinlich, daß sich bei Konzentrationen
von 15 % (Gewicht/Volumen) und Lösungsviskositäten größer als etwa
0,003 Pa·s
(3,5 Centipoise) keine diskreten Mikrosphären bilden, sondern sich stattdessen
komplex verbundenefädige
Netzwerke mit Dickenabmessungen im Mikrometerbereich bilden.
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Es
ist bekannt, daß nur
eine begrenzte Zahl von Mikroverkapselungstechniken Partikel von
weniger als 10 µm
erzeugen kann, und daß diese
Techniken mit einem signifikanten Verlust an Polymer, dem einzuschließenden Material,
oder beidem einhergehen. Dieses ist besonders problematisch, wenn
das wirksame Mittel teuer ist, wie zum Beispiel bestimmte medizinische
Wirkstoffe. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit,
um Partikel im Nano- oder Mikrobereich mit nur geringen Verlusten
herzustellen. Die beschriebenen Verfahren können Produktausbeuten von über 80 %
und eine Einschlusseffizienz von bis zu 100 % erreichen.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
können
darüber
hinaus Mikropartikel erzeugen, die durch eine homogene Größenverteilung
charakterisiert sind. Typische Mikroverkapselungstechniken ergeben
heterogene Größenverteilungen,
die von 10 µm
bis zu mm-Größen reichen.
Verfahren nach dem Stand der Technik versuchen die Partikelgröße durch
Parameter wie Rührgeschwindigkeit,
Temperatur, Polymer/Suspensionsbadvolumenverhältnis usw. zu kontrollieren.
Diese Parameter haben jedoch nicht zu einer signifikanten Einengung der
Größenverteilung
geführt.
Die vorliegende Erfindung kann, zum Beispiel, nanometergroße Partikel
erzeugen, die relativ monodispers in ihrer Größenverteilung sind. Indem ein
Mikropartikel mit einer gut definierten und wenig variablen Größe hergestellt
wird, lassen sich die Eigenschaften des Mikropartikels, wenn er
zum Beispiel zur Freisetzung von bioaktiven Mitteln eingesetzt wird,
besser kontrollieren. So erlaubt die Erfindung Verbesserungen bei
der Herstellung von Formulierungen mit verzögerter Abgabe zur Verabreichung
an Personen.
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Die
Erfindung stellt darüber
hinaus auch Verfahren bereit um die Größe der vier Mikrosphären zu kontrollieren.
Dieses ist insbesondere dann hilfreich, wenn das zu verkapselnde
Material zuerst im Lösungsmittel dispergiert
werden muss, und wo es unerwünscht
wäre, das
zu verkapselnde Material mit Ultraschall zu behandeln. Die Mischung
aus dem zu verkapselnden Materials und dem Lösungsmittel (mit dem gelösten Polymer)
kann in flüssigem
Stickstoff eingefroren werden und dann lyophilisiert werden, um
das im Polymer zu verkapselnde Material zu dispergieren. Die entstehende
Mischung kann dann erneut im Lösungsmittel
gelöst
werden und dann dispergiert werden, indem sie zu dem Nichtlösungsmittel
gegeben wird. Dieses Verfahren wurde im Zusammenhang mit dem Dispergieren
von DNA, wie in den unten aufgeführten
Beispielen gezeigt, durchgeführt.
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Wie
oben erwähnt,
können
die erfindungsgemäßen Verfahren
in vielen Fällen
in weniger als fünf
Minuten komplett durchgeführt
werden. Es ist typisch, daß die
Vorbereitungszeit irgendwo zwischen einer Minute und mehreren Stunden
liegt, in Abhängigkeit
von der Löslichkeit
des Polymers und dem gewählten
Lösungsmittel,
davon, ob der Wirkstoff im Lösungsmittel
gelöst
oder dispergiert werden soll und so weiter. Dennoch ist die tatsächliche
Verkapselungszeit typischerweise kürzer als dreißig Sekunden.
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Nach
der Bildung der Mikrokapseln werden diese durch Zentrifugation,
Filtration und Ähnliches
aufgefangen. Das Filtrieren und Trocknen kann mehrere Minuten in
Anspruch nehmen, anhängig
von der Menge des verkapselten Materials und den eingesetzten Verfahren
zum Eintrocknen des Nichtlösungsmittels.
Der Vorgang in seiner Gesamtheit kann ein kontinuierlicher oder
ein diskontinuierlicher sein.
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Da
der Prozess es nicht erfordert, das Lösungsmittel in eine Emulsion
zu überführen, kann
er allgemein ausgedrückt
als ein schonenderer Prozess bezeichnet werden als solche, die Emulgierung
erfordern. Als eine Folge hiervon können Materialien, wie komplette
Plasmide, die Gene unter der Kontrolle eines Promoters enthalten,
verkapselt werden, ohne die DNA als Folge des Emulgierungsprozesses
zu zerstören.
Daher zieht die Erfindung teilweise auch das Verkapseln von Materialien,
wie Plasmiden, Vektoren, externen Leitsequenzen für RNAase
P, Ribozymen und anderen empfindlichen Oligonukleotiden in Be tracht,
deren Struktur und Funktion durch aggressive Emulgierungsbedingungen
und weitere Parameter, wie sie für
Verfahren nach dem Stand der Technik typisch sind, negativ beeinflusst
werden könnte.
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Weiter
unten sind mehrere Beispiele der vorliegenden Erfindung und die
hieraus erhaltenen Produkte aufgeführt. Die Mehrzahl dieser Beispiele
stellt Mikropartikel mit einer Größe von 100 Nanometern bis zu
10 Mikrometern her. Obgleich sie den Fortschritt im Stand der Technik
veranschaulichen, der durch die vorliegende Erfindung erreicht wird,
wird erwartet, daß der
Fachmann in den Polymerwissenschaften und in Mikroverkapselungsverfahren
auf der Basis dieser Beispiele in der Lage sein wird, geeignete
Polymere, Lösungsmittel, Nichtlösungsmittel,
Lösungsmodifikatoren,
Hilfsstoffe, Verdünnungsmittel,
Verkapselungssubstanzen und so weiter auszuwählen, um spontan Mikropartikel
herzustellen, die erwünschte
Eigenschaften zeigen, einschließlich
Eigenschaften, die für
medizinische Anwendungen wie anhaltende Abgabe bioaktiver Verbindungen
oder orale Abgabe von Komponenten von Arneimittelverbindungen.
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Die
folgenden, nicht beschränkenden
Beispiele beschreiben die Herstellung von Mikrosphären durch das
Phasenumkehrverfahren, bei dem ein Polymer, gelöst in einem Lösungsmittelsystem
mit kontinuierlicher Phase, sich zu einem festen makromolekularen
Netzwerk vereinigt, bei dem das Polymer die kontinuierliche Phase
ist (Kestling et al., Materials Science of Synthetic Membranes,
S. 132-164 (1985)). Dieses Ereignis kann auf verschiedenen Wegen
induziert werden: Entfernen des Lösungsmittels (z.B. durch Eindampfen),
Hinzufügen
einer anderen Spezies, Hinzufügen
eines Nichtlösungsmittels
oder das Hinzugeben zu einem Nichtlösungsmittel (Naßverfahren).
Im letzten Fall kann die Polymerlösung in das Nichtlösungsmittelbad
gegossen oder extrudiert werden. Das Verfahren und die Materialien
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden durch Bezugnahme auf diese nicht einschränkenden
Beispiele besser verstanden werden.
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Beispiele
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Beispiel 1: Herstellung
von Mikrosphären
durch Phasenumkehr-Nanoverkapselung
-
Methoden
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Eine
Vielzahl von Polymeren wurde eingesetzt, um "PIN" Nanosphären herzustellen;
hierzu gehören: Polyester,
wie zum Beispiel Polymilchsäure
oder PLA, Poly-(Lactid-Co-Glykolid) oder PLGA in molaren Verhältnissen
von 50:50 und 75:25; Polycaprolacton oder PLC; Polyanhydride wie
Poly-(Fumarid-Co- Sebacinid) oder P(FA:SA) in molaren Verhältnissen
von 20:80 und 50:50; Poly-(Carboxyphenoxypropanid-Co-Sebacinid) oder
P(CPP:SA) in einem molaren Verhältnis
von 20:80; und Polystyrol oder PS. Polymere mit Molekulargewichten
von 1-112.000 kDa wurden erfolgreich eingesetzt, um Nanosphären herzustellen
(siehe Tabelle 1 unten). Wenn nicht anders angegeben, wurden alle
Reagenzien von Sigma Chemical Company in St. Louis, MO, USA oder
von Aldrich Chemicals Milwaukee, WI, USA bezogen.
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Ergebnisse
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1. Herstellung einer arzneimittelfreien
Nanosphäre
-
5
ml l%iges Polyvinylphenol (w/v) (PVP, Polysciences Inc.) in Methylenchlorid
wurden zügig
ohne Rühren
in 200 ml Petrolether gegeben. Die Mischung wurde sofort filtriert
und die entstandenen Nanosphären
auf dem Filterpapier an der Luft getrocknet.
-
Die
getrockneten Nanosphären
wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht (Daten nicht
gezeigt). Die mikroskopischen Aufnahmen zeigen ein monodisperses
Präparat
von getrennten Nanosphären
mit Größen von
10 bis 100 nm. Der niedrige Größenbereich
der Nanosphären
ist charakteristisch für Nanosphären, die
mit niedrigen Polymerkonzentrationen (1-5 %, w/v) hergestellt wurden.
-
2. Herstellung von Mikrosphären (und
Nanosphären),
die einen mikroverkapselten fluoreszierenden, hydrophilen Farbstoff
mit niedrigem Molekulargewicht enthalten
-
5
ml von 5%iger Polymilchsäure
von 2 kDa (PLA) (Böhringer,
Ingelheim) in Methylenchlorid (w/v), die 0,1 % (w/v) Rhodamin 6G
(2,0 % w/w) enthielt, wurden zügig
ohne Rühren
in 200 ml Petrolether gegeben. Die Mischung wurde sofort filtriert
und die entstandenen Nanosphären
auf dem Filterpapier an der Luft getrocknet.
-
Eine
große
Menge derselben Mikrosphären
wurde hergestellt indem schnell 100 ml 5 % PLA (w/v) in Methylenchlorid,
die 0,1 (w/v) Rhodamin 6G enthielt, wurde zügig ohne Rühren in 4 l Petrolether gegeben.
Die Mischung wurde sofort filtriert und die entstandenen Mikrosphären auf
dem Filterpapier an der Luft getrocknet.
-
Beide
Ansätze
von Mikrosphären
wurden mit dem REM untersucht und zeigten ein monodisperses Präparat von
getrennten Nanosphären.
Die Mikrosphären
beider Präparate
zeigten Größen von
0,5 bis 5 µm. Der
Fluoreszenzfarbstoff war in den Mikrosphären eingeschlossen. Eine Analyse
des Polymergehaltes der Mikrosphären
zeigte, daß 4,9
g der ursprünglichen
5,0 g des Polymers zurückgewonnen
wurden, was einer Gesamtausbeute von 98 % entspricht.
-
3. Herstellung von Mikrosphären (und
Nanosphären),
die mikroverkapselte Natriumchloridkristalle enthalten:
-
0,3
g sprühgetrocknetes
NaCl mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1-10 µm und kubischer
Morphologie wurden durch Ultrabeschallung mit einer Sonde dispergiert
und in 10 ml 5 PLA (w/v) in Methylenchlorid gerührt. Die Salzbeladung war 37,5
% (w/w). Diese Mischung wurde zügig
in 400 ml Petrolether gegeben und sofort filtriert. Die entstandenen
Mikrosphären
wurden auf dem Filterpapier an der Luft getrocknet. In einigen Versuchen
wurden die entstandenen Mikrosphären
in 0,9 % NaCl (w/v) für
1,5 Stunden inkubiert, mit destilliertem Wasser gewaschen und an
der Luft getrocknet.
-
Die
unbehandelten Natriumchlorid-Mikrosphären bestanden,. wie mittels
REM festgestellt, aus einem monodispersen Präparat von getrennten Mikrosphären im Größenbereich
von 0,5 bis 5 µm.
Die Salzkristalle waren komplett in den Mikrosphären eingeschlossen. Es konnten
keine freien kubischen Salzkristalle in der Aufarbeitung gefunden
werden. REM der salzbehandelten Mikrosphären zeigte, daß diese
in einigen Fällen eine
schwammartige Erscheinung hatten, welche für ein Ultraschall-Bildgebungsmittel
nützlich
sein könnte.
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4. Herstellung von Mikrosphären mit
einem Durchmesser über
10 µm
durch die Phasenunkehrmethode
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5
ml 10 Eiges PVP 9-11 kDa (w/v) (Polysciences Inc.) in Methylenchlorid
wurden zügig
ohne Rühren in
200 ml Petrolether gegeben. Die Mischung wurde sofort filtriert
und die entstandenen Mikrosphären
auf dem Filterpapier an der Luft getrocknet.
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Die
getrockneten Mikrosphären
wurden mit REM untersucht und zeigten getrennte sphärische Partikel mit
Größen von
2 bis 20 um. Das Ergebnis legt nahe, daß Mikrosphären, die aus Polymeren mit
niedrigem Molekulargewicht (unter 50 kDa) bei Konzentrationen zwischen
5 und 10 % (w/v) gewonnen werden, größer waren (bis zu 20 µm). Daher
kann die sich ergebende Mikrosphärengröße durch
manipulieren der Polymerkonzentration kontrolliert werden.
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5. Herstellung von hydrophoben
Proteinmikrosphären,
ummantelt mit bioadhäsiven
Polymeren durch Phasenumkehr
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Ein
hydrophobes Protein, wie Zein F 4000 (Prolamin), hergestellt aus
Mais, wurde mit Natriumsalicylat in 70 % Ethanol (EtOH) so gelöst, daß die Konzentration
von Zein und Natriumsalicylat 7 % (w/v) bei einem 1:1-Gewichtsverhältnis lag.
Die Lösung
wurde sprühgetrocknet,
um Mikrosphären
im Größenbereich
von 1 bis 20 µm
zu ergeben, die einen mittleren Durchmesser von 5 bis 7 µm hatten.
200 mg der Zein-Mikrosphären wurden
gevortexed und kurz im Ultraschallbad in 2,5 ml 10 (w/v) Poly-(Fumarid-Co-Sebacinid)
20:80, 6 kDa, P(FA:SA)(synthetisiert nach der Methode von Domb und
Langer, Journal of Polymer Science 25, 3373-3386 (1987)) in Methylenchlorid
behandelt und zügig
ohne zu Rühren
in 400 ml Pe trolether gegeben. Die Mischung wurde sofort filtriert
und auf dem Filterpapier an der Luft getrocknet.
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Der
mittlere Durchmesser der nicht ummantelten Zein-Mikrosphären wurde mittels REM zu 5
bis 7 µm bestimmt,
der mittlere Durchmesser der ummantelten Mikrosphären wurde
als mehr als 30 µm
gemessen.
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6. Mikrosphären wurden
mittels Phasenumkehr mit Polymer ummantelt, um ummantelte Mikrosphären mit
einem Durchmesser über
20 µm
zu erhalten.
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0,5
g Glasperlen wurden gevortexed und im Ultraschallbad 1 Minute lang
in 2 ml 20 % Polycaprolacton 76 kDa (PCL) (Aldrich) (w/v) behandelt.
Diese Mischung wurde abgegossen und unter heftigem Schütteln in Petrolether
gegeben. Der Petrolether wurde abgegossen und die Perlen wurden
an der Luft getrocknet.
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REM
des resultierenden luftgetrockneten Produktes zeigte an, daß die Perlen
uniform mit Polymer ummantelt waren. Die Oberflächentextur der Ummantelung
war rauh. Untersuchungen bei höherer
Vergrößerung zeigten,
daß die
Rauheit auf kleine Polymerspherulite zurückzuführen war, die 10 bis 20 µm lang
waren.
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7. Der Einsatz von Polymeren
mit einer niedrigen Glasübergangstemperatur
ergibt globuläre
Aggregate anstelle von Mikrosphären.
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5
ml von 1 % Ethylenvinylacetat 55 kDa (EVA) (Du Pont Inc.) (w/v)
in Methylenchlorid mit 0,1 % (w/v) mit Rhodamin 6G (10,0 %, w/w)
als zu verkapselndem Stoff wurden zügig ohne zu Rühren in
200 ml Petrolether gegeben. Die Mischung wurde sofort filtriert
und auf dem Filterpapier an der Luft getrocknet. Die getrocknete
Mischung wurde mittels REM untersucht und in Form von globulären Aggregaten
vorgefunden. Der Fluoreszenzfarbstoff war in den globulären Aggregaten
eingeschlossen. Diese Ergebnisse zeigen an, daß Polymere mit einer niedrigen
Glasübergangstemperatur
(d.h. unter der Umgebungstemperatur) dazu tendieren, sich während der
Phasenumkehr zusammenzulagern.
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Beispiel 2: Arzneimittelabgabeprofile
aus Mikrosphären,
die durch Phasenumkehr-Nanoverkapselung erzeugt wurden
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1. Freisetzung von Dicumarol
aus dicumarolhaltigen Mikrosphären
aus Polyanhydrid (FA:SA) (P(FA:SA))
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Dicumarolhaltige
Mikrosphären
wurden gebildet, indem 0,1 g sprühgetrocknetes
Dicumarol (40 %, w/w) in 5 ml 5 % Polyanhydrid (FA:SA) 20:80 (w/v)
in Methylenchlorid gegeben wurden. Die Mischung wurde zügig ohne
zu Rühren
in 100 ml Petrolether gegeben und sofort filtriert. Die entstandenen
Mikrosphären
wurden mit Petrolether gewaschen, um locker anhaftendes Medikament
von der Oberfläche
der Mikrosphären
zu entfernen und dann auf Filterpapier an der Luft getrocknet.
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Aliquots
von Dicumarol enthaltenden Mikrosphären, die näherungsweise 5 mg Dicumarol
enthielten, wurden in Untersuchungen zur Bestimmung der Freisetzung
des Medikamentes aus der Mikrosphäre eingesetzt. 5 mg sprühgetrocknetes
Dicumarol wurden als Kontrolle eingesetzt. Die Dicumarol enthaltenden
Mikrosphären
oder das sprühgetrocknete
Dicumarol wurden getrennt in 10 ml phosphatgepufferter Salzlösung, pH 7,2
(PBS) bei Raumtemperatur für
zehn Stunden inkubiert. In regelmäßi gen Zeitabständen wurden
100 µ1
Proben der Inkubationsflüssigkeit
entnommen und mit einem UV-spektralphotometrischen Test die Konzentration an
Dicumarol bestimmt. Die Freisetzung des Dicumarols aus den verkapselten
Mikrosphären
war nach drei Stunden wenigstens um das Zehnfache geringer als bei
der sprühgetrockneten
Kontrolle.
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2. Die Abgabe von kleinen,
gut wasserlöslichen
Medikamentenmolekülen
kann durch die Herstellung von Mikrokapseln mit der Phasenumkehrungsmethode
optimiert werden
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Salicylsäure wurde
in PVP (1-7 kDa, Polysciences) durch Sprühtrocknung einer 10 % (w/v)
Acetonlösung
jeder Komponente im Verhältnis
von 1:1 bei 65 °C
eingeschlossen. Die Partikel wurden mit 5 % P(FA:SA) 20:80 (w/v)
Lösung
in Methylenchlorid gemischt, so daß die Beladung mit Arzneimittel
am Ende bei 16 (w/w), bezogen auf das P(FA:SA), lag. 10 ml dieser
Mischung wurden in 200 ml Petrolether gegossen. Die entstandenen
Mikrosphären
wurden durch Filtration aufgefangen und an der Luft getrocknet.
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Aliquots
von PVP- oder P(FA:SA)-verkapselten PVP-Mikrosphären, die näherungsweise 40 mg Salicylsäure enthielten,
wurden in 10 ml phosphatgepufferter Salzlösung bei pH 7,2 (PBS) bei Raumtemperatur zehn
Stunden inkubiert. Als Kontrolle wurden 40 mg Salicylsäure allein
den gleichen Bedingungen unterworfen. In regelmäßigen Zeitabständen wurden
100 µl
der Inkubationslösung
entnommen und mit einer spektrophotometrischen Methode auf die Dicumarolkonzentration
unter Verwendung eines spektralphotometrischen Tests im sichtbaren
Bereich untersucht. Obgleich die Freisetzung von Salicylsäure aus
den PVP-Mikrosphären sich
nicht signifikant von der Lösung
der Ausgangs-Salicylsäure
unterschied, war die Freiset zung aus den P(FA:SA)-ummantelten Mikrosphären merklich
herabgesetzt. Eine verbesserte Linearität der Freisetzung konnte ebenfalls
beobachtet werden. REM der ummantelten Mikrosphären zeigte, daß die Perlen
einförmig
mit Polymer ummantelt waren und daß sie eine Größe von 10 µm hatten.
Diese Ergebnisse weisen darauf hin, daß Phasenumkehrverkapselung
zu einer kontrollierten Freisetzung kleiner wasserlöslicher
Medikamentenmoleküle
führen
kann, und ebenso, daß Mehrfach-Polymersysteme
genutzt werden können,
um die Medikamentenfreisetzung mit diesem Verfahren zu optimieren.
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3. Emulsionen von Proteinen
können
aus Mikrosphären,
hergestellt durch Phasenumkehr, freigesetzt werden
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0,5
ml von 20 mg/ml FITC-BSA (Sigma Chemical Co) in phosphatgepufferter
Salzlösung
(PBS) wurden in 10 ml einer Lösung
von 1 % PLA 2 kDa (w/v) in Methylenchlorid resuspendiert, so daß sich eine
Proteinbeladung von 9,1 % (w/v) ergab. Die Mischung wurde mit einem
Ultraschallstab drei mal zehn Sekunden behandelt, und zügig in 400
ml Petrolether gegossen. Die entstandenen Mikrosphären wurden
filtriert und an der Luft getrocknet.
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11,0
mg der Mikrosphären
wurden in 5 ml PBS, pH 7,2, bei 37 °C inkubiert. In regelmäßigen Zeitabständen wurden
50 µl
Proben der Inkubationslösung
entnommen und auf FITC-BSA mit einer spektralphometrischen Methode
im sichtbaren Bereich untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung
deuten darauf hin, daß die
gesamt Menge des verkapselten Stoffes innerhalb von 30 Minuten in
die Inkubationslösung
abgegeben wurde. Diese Ergebnisse zeigen, daß das Phasenumkehrverkapselungsverfahren
dazu eingesetzt werden kann, Proteine einzuschließen, und
daß diese
Proteinemulsionen aus Mikrosphären
schnell freigesetzt werden.
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4. Freisetzung von Insulin
aus Nanosphären
zusammengesetzt aus PLA und Polyfumarsäure
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Mikronisiertes
Zink-Insulin wurde mit einer 5%igen (w/v) Polymerlösung aus
einer 4:1 Mischung von PLA 24 kDa und Polyfumarsäure in Methylenchlorid bis
zu einer Endbeladung von 4,4 ± 0,7
% (w/v) vermischt. Die Mischung wurde in Petrolether dispergiert
(das Volumenverhältnis
von Lösungsmittel/Nichtlösungsmittel war
1:100) und die entstandenen Nanosphären wurden abfiltriert und
an der Luft getrocknet.
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Die
Insulinfreisetzung aus den Nanosphären wurde über einen Zeitraum von 22 Stunden
verfolgt. Nach einer Stunde waren näherungsweise 24 % des Gesamtinsulins
freigesetzt und nach fünf
Stunden waren nahezu 45 % des Medikamentes aus den Nanosphären abgegeben.
Die Geschwindigkeit der Freisetzung des Insulins sank zwischen 5
und 22 Stunden ab. Am Ende des Versuches verblieben 53 % der anfänglichen
Beladung in den Nanosphären.
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Beispiel 3: Mit Phasenumkehrverkapselung
hergestellte Mikrosphären
zeigen in vivo eine verbesserte Bioverfügbarkeit von verkapselten Medikamenten
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1. Orale Zufuhr von Mikropartikeln
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Es
wurden Untersuchungen durchgeführt,
die den Verbleib von oral verabreichten P(FA:SA)20:80-Mikropartikeln
klären
sollten. Die Mikropartikel enthielten Rhodamin und hatten eine Partikelgröße im Bereich
von 0,1 bis 1,0 Mikrometern. Ratten wurde eine einmalige Dosis von
30 mg solcher Mikropartikel verabreicht. Schon eine Stunde nach
der Fütterung
wurde beobachtet, daß Mikropartikel
das Schleimepithel durchlaufen hatten, indem sie zwischen den Absorptionszellen
hindurchgehen (parazellulärer
Weg). Weiterhin wurden Mikrosphären
beobachtet, die das follikelassoziierte Epithel (FAE) in die Peyer'schen Plaques durchquerten. Nach
drei bis sechs Stunden wurde eine noch größere Anzahl von Mikropartikeln
zwischen den Epithelzellen und in den Peyer'schen Plaques beobachtet. In Herdgebieten
zeigte sich die nichtselektive Aufnahme von gewaltigen Mengen sowohl
von Absorptionszellen als auch von Peyer'schen Plaques. Leberproben zeigten eine große Anzahl
von Nanosphären
zusammen mit anscheinend normal aussehenden Hepatocyten. Milzschnitte enthielten
ebenfalls Nanosphären,
allerdings weniger als die Leber. Nach zwölf Stunden wurden immer noch große Mengen
an Sphären
zwischen den zottigen Epithelzellen und in den Peyer'schen Plaques beobachtet. Ähnliche
Schnitte wurden 24 Stunden nach der Fütterung beobachtet.
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Dieses
Experiment zeigte eine beträchtliche
Aufnahme der Mikropartikel, die sich über wenigstens 24 Stunden nach
einer einzigen oralen Dosis hinzieht. Anscheinend haben die Mikropartikel
die Epithelgrenze zwischen den Zellen durchquert. Die beobachtete
Aufnahme schien nicht durch die den Peyerschen Plaques aufliegende
FAE begrenzt zu werden; die Aufnahme fand diffus verteilt durch
Absorptionszellen ebenso wie durch FAE statt.
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Transmissionelektronenmikroskopische
Experimente mit elektronendichten Tracern wie mikronisiertem Eisenoxid
oder kolloidalem Gold von 5 nm, welche in bioadhäsives P(FA:SA) verkapselt wurden,
wurden ebenfalls durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, daß Nanosphären tatsächlich in
großer
Zahl durch das den Dünndarm
auskleidende Absorptionsepithel aufgenommen wurden. In einem typischen
Dünnschnitt
einer Absorptionsepithelzelle konnten bis zu 100 Nanosphären gezählt werden.
Während
lichtmikroskopische Ergebnisse auf einen parazellulären Aufnahmeweg
hinweisen, zeigten die elektronenoptischen Aufnahmen viele Mikropartikel
innerhalb der Zellen. Der Aufnahmemechanismus ist unbekannt, obgleich
einige Partikel gelegentlich in eindeutigen "endocytotischen" Vesikeln direkt unterhalb des fibrillären Aktinnetzwerkes
der apikalen Mikrovilligrenze beobachtet wurden. Der Größenbereich
der Partikel, die im Cytoplasma beobachtet wurden, betrug 40-120
nm, und damit deutlich unterhalb der Auflösung normaler Lichtoptik und
somit durch Lichtmikroskopie nicht nachzuweisen. Nanopartikel wurden
im Cytoplasma, innerhalb membranartiger Schnitte des endoplasmatischen
Retikulums und des Golgiapparates und allgemein in der supranukleären (apikalen)
Zone der Absorptionszelle aufgefunden. Gelegentlich wurden Nanopartikel
an der basalen Seite der Zellen gefunden. Sphären wurden oft an den lateralen
Grenzen der Zelle, in den intrazellulären Räumen und in enger Anlagerung
an die Tight Junctions gefunden. Diese Befunde legen nahe, daß ein Transport
der Nanosphären
auf einem transzellulären
Weg zusätzlich
zu dem parazellulären
Weg vorkommt.
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2. Orale Abgabe von Insulin
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Insulin
wurde in P(FA)-PLGA(50:50)-Polymermischungen mit Hilfe des Phasenumkehrnanoverkapselungsverfahrens
eingeschlossen. Nach dem der Blutzuckerspiegel hungernder Ratten
gemessen worden war, wurde den hungernden Ratten subkutan eine Glukosemenge
gegeben und dann entweder eine Suspension aus 20 IU Zink-Insulin
enthaltenden Nanosphären
(mit eingeschlossenem mikronisiertem FeO als elektronendichtem Tracer)
in Salz- 1ösung oder
nur Salzlösung
gefüttert.
Der Blutglukosetiterlevel (BGL) wurde in Intervallen nach der Fütterung
gemessen.
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Die
Kontrollen zeigten die erwartete Reaktion auf die Glukosegabe. Der
BGL stieg bis 40 mg 7 dL nach drei Stunden und begann dann langsam
in Richtung der Grundlinie zu fallen. Im Gegensatz hierzu hatten
die mit verkapseltem Insulin gefütterten
Tiere zu drei von vier Probenahmezeiten durchgehend niedrigere Blutglukoselevel
als die Kontrolltiere. Nach 1,5 Stunden war der BGL bei 20 mg/dL
unter der Grundlinie, verglichen mit 30 mg/dL oberhalb der Grundlinie
bei Kontrolltieren. Bei drei Stunden stieg der BGL der mit Nanopartikeln behandelten
Tiere auf 20 mg/dL oberhalb der Grundlinie, verglichen mit 40 mg/dL
bei den Kontrolltieren (kein statistisch signifikanter Unterschied).
Bei vier Stunden war der BGL der mit Nanopartikeln gefütterten
Tiere nahezu 30 mg/dL unterhalb der Grundlinie, verglichen mit einem
BGL von 20 mg/dL oberhalb der Grundlinie bei Kontrolltieren. Nach
fünf Stunden
waren die Glukoselevel der Testgruppe niedriger als bei. vier Stunden,
während
die Level der Kontrolltiere immer noch 35 mg/dL oberhalb der Grundlinie
lagen. Da die mit der verkapseltem Insulinpräparation gefütterten
Tiere besser in der Lage waren, die Glukosebelastung zu regulieren,
ist es eindeutig, daß das
Insulin durch die Verkapselungsmethode nicht geschädigt wurde,
daß das
Insulin die Umgebung im Magen überstanden
hatte, daß das
Insulin die Darmbarriere überwunden
hatte, und daß das
Insulin aus den Nanopartikeln in bioaktiver Form abgegeben worden
war. Eine weite Verteilung von mit Insulin beladenen Nanosphären konnte
ebenfalls beobachtet werden. Die Sphären wurden in großer Menge
beim Durchqueren des Schleimhautepithels des Dünndarmes gefunden, in den Peyer'schen Plaques, in
der Lamina propria, in den Lactealen und in den Blutgefäßen der
Darmwand. Nanopartikel wurden auch in der Milz und in anderen Gewebeproben
gefunden. Daher konnte eine systemische Abgabe von Insulin und Nanopartikeln
gezeigt werden.
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3. Verkapselung und orale
Angabe von Dicumarol
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Dicumarol
enthaltende Mikrosphären
wurden, wie in Beispiel 2, Unterabschnitt 1 beschrieben, hergestellt.
Gleiche Mengen von Dicumarol, sprühgetrocknetem Dicumarol und
von in Polyanhydrid (FA:SA) 20:80 verkapseltem Dicumarol (25 mg
Medikament/kg Körpergewicht),
wurden suspendiert in 1,5 ml Ahornsirup an katheterisierte Ratten
(250-350 g) gefüttert.
Blutproben wurden in regelmäßigen Intervallen
genommen und die Konzentration von Dicumarol im Serum mit einer
UV spektralphotometrischen Methode bestimmt.
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Die
Ergebnisse der In-vivo-Untersuchungen deuten an, daß die Formulierung
als Polyanhydrid-(FA:SA)-Mikrokapseln die Bioverfügbarkeit
verglichen mit unverkapselten Formulierungen, einschließlich des
mikronisierten Medikamentes, signifikant erhöht hat. 12 Stunden nach der
Fütterung
waren die Serumkonzentrationen für
die Polyanhydrid-(FA:SA)-Formulierung signifikant höher als
bei den Kontrollen. 48 Stunden nach der Fütterung waren die Serumgehalte
von Dicumarol in den Kontrollen auf die Grundlinie abgesunken, wohingegen
die mit der bioadäsivem
Polyanhydrid-Formulierung gefütterten
Tiere auch für
mindestens 72 Stunden noch nachweisbare Mengen an Medikament hatten.
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Diese
Ergebnisse deuten darauf hin, daß durch Phasenumkehr verkapselte
Medikamente in bioadhäsiven
Formulierungen, wie den Polyanhydrid-(FA:SA), die Bioverfügbarkeit
steigern können.
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4. Einschluß von DNA
in Polymernanosphären
durch Phasenumkehr
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Dieses
Beispiel liefert eine Beschreibung des Einschlusses von Plasmid-DNA
in Poly-(Fumarid-Co-Sebacinid)-20:80-P(FA:SA) mittels der Phasenumkehrungstechnik.
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Materialien.
P(FA:SA) 20:80 (synthetisiert nach einer Methode von A. Domb & R. Langer, Journal
of Polymer Science 25, 1987, 3373-3383), ein Reporterplasmid pCMV/ßgal (Clonetech),
Methylenchlorid (Fisher) und Petrolether (Fisher) wurden für die Herstellung
der Nanosphären
eingesetzt.
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Methoden.
200 mg P(FA:SA) werden in Methylenchlorid mit 2 mg pCMV/ßgal in
destilliertem Wasser (1 mg/ml) gevortexed (30 Sekunden), in flüssigem Stickstoff
gefroren und über
Nacht 1yophilisiert, um die DNA im Polymer zu dispergieren. Der
Zweck dieses Schrittes war, die Partikelgröße zu reduzieren und Aggregation der
DNA zu verhindern. Die DNA würde
in der dispergierten Phase der Emulsion aufgrund des physikalischen Abstandes,
der durch die kontinuierliche Polymerphase hervorgerufen wird, nicht
aggregieren können.
Die entstandene Mischung wurde in 2 ml Methylenchlorid gelöst und in
200 ml Petrolether gegossen und filtriert um die die DNA verkapselnden
Mikrosphären
abzutrennen.
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Ergebnisse.
Die Polymer-Nanopartikel, die mit dieser Technik hergestellt wurden,
wurden untersucht, um festzustellen, ob in den Nanopartikeln verkapselte
DNA vorlag. Plasmid-DNA wurde aus den Nanopartikeln extrahiert und
einer Agarose-Gelelektrophorese
unterworfen. Die Ergebnisse zeigen, daß DNA ohne Abbau eingeschlossen
worden war. Daher kann die Phasenunkehrtechnik verwendet werden,
um Plasmid-DNA von sehr hohem Molekulargewicht (7,2 × 106 Dalton)
intakt in biologisch abbaubare Nanopartikel einzuschließen.
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Beispiel 4: Verarbeitungsparameter
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sEine
Vielzahl von Polymeren, Lösungsmitteln,
Viskositäten,
Nichtlösungsmitteln,
Medikamenten, und Konzentrationen wurde in den Phasenumkehrexperimenten
untersucht. Tabelle 3 faßt
die Ergebnisse vieler dieser Experimente zusammen.
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