Herstellung von Mikropartikeln aus einem abbaubaren Multiblockcopolymer zur Freisetzung von proteinischen Wirkstoffen

Spiegelberg, Susanne; Höcker, Hartwig

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-9469

Herstellung von Mikropartikeln aus einem abbaubaren Multiblockcopolymer zur Freisetzung von proteinischen Wirkstoffen

Spiegelberg, Susanne (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Susanne Spiegelberg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangXII, 191 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Höcker, Hartwig (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-08-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9469
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62062/files/Spiegelberg_Susanne.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; Multiblockcopolymer (frei) ; Shape-Memory (frei) ; Hydrolyse (frei) ; Mikropartikel (frei) ; Sprühtrocknung (frei) ; W/O/W (frei) ; Freisetzung (frei) ; Lysozym (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit werden Matrix-Wirkstofffreisetzungssysteme (Filme und Mikropartikel) für proteinische Wirkstoffe auf Basis des teilkristallinen und abbaubaren Multiblockcopolymers aus Poly(p-dioxanon) und Poly(?-caprolacton) entwickelt. Beladene Mikropartikel lassen sich durch das DESE-Verfahren in zylindrischen Reaktoren produzieren. Die Beladung variiert in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern (Volumen der 2. Emulgator-Lösung, Ethanol als Phasenvermittler in der 2. Emulgator-Lösung).zwischen 0,32 bis 1,2 wt.-% Lysozym. Mittels herkömmlicher Sprühtrocknung können aufgrund der Teilkristallinität vom PDC keine Mikropartikel hergestellt werden. Während des Versprühens einer PDC-Lösung verklebt die Düse, und es bilden sich in der Trockenkammer Fäden aus verklebten und teilweise aufgeplatzten sphärischen Partikeln mit 10 < d < 100 µm. REM-Aufnahmen zeigen, dass die Partikelgrößen sehr stark variieren und sich neben vielen kleinen auch viele große Partikel bilden. Die in zylindrischen Reaktoren hergestellten sphärischen PDC-Partikel mittels Doppel-Emulsions-Lösungsmittelverdampfungs-Verfahren besitzen Partikeldurchmesser zwischen 0,1 bis 2000 µm. Die Partikelgrößenverteilungen sind für alle Versuche sehr breit. Es bilden sich in allen Versuchen große Partikel (170-1000 µm), die zwischen 85-92% des Gesamtvolumens VT repräsentieren. Die Materialeigenschaften werden anhand von Lysozym beladenen PDC-Filmen untersucht. Die Beladung mit PDC mit dem proteinischen Wirkstoff Lysozym hat bis zu einem Anteil von 10 wt.-% keinen wesentlichen Einfluss auf die thermischen und Formgedächtniseigenschaften. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften sind die E-Moduln (49 MPa) halbiert, und die Puffer- oder Lösungsmittelaufnahme ist verdoppelt. Es ist keine unterschiedliche Bruchdehnung ?R für 5, 10 oder 20 wt.-% Lysozym beladenes PDC festzustellen. Die Dehnungsfixierungsverhältnisse Rf liegen in spannungsgeregelten Zyklen für alle Materialien bei 92%. Das Dehnungsrückstellungsverhältnis des ersten Zyklus liegt für alle Proben bei 80% und erreicht in den folgenden Zyklen 99%. Die Übergangstemperatur liegt für alle Materialien bei 31°C. Der Übergangskoeffizient für PDC, PDC-I10 und PDC-L10 hat für alle einen Wert von 0,26 ( 0,01 10-1K-1. Bei einer Beladung mit 20 wt.-% Lysozym ist der Übergang stark verbreitert. Das proteinisch beladene PDC zeigt kein unterschiedliches Hydrolyse-Verhalten bezüglich relativer Masse, chemischer Zusammensetzung, thermischer Eigenschaften, mechanischer Eigenschaften oder weißlichtinterferometrischen Untersuchungen während des Abbaus bei 37°C in Salzsäure (pH 1,0), Acetat-Puffer (pH 4,6) und Phosphatpuffer (pH 7,0). In Abhängigkeit vom pH Wert wird ein beschleunigter Abbau registriert. Die Abbaukurven bei den unterschiedlichen pH-Werten liegen für PDC und PDC-L10 übereinander. Freigesetztes Lysozym aus mit 10 wt.-% beladenen Filmen besitzt nach 1 d eine biologische Aktivität von 1136 U/mL, während freigesetztes Lysozym aus mit 20 wt.-% beladenen Filmen eine Aktivität von 420 U/mL aufweist. Nach 7 d verringert sich die Aktivität für PDC-L10 Filme auf 9 U/mL, während Lysozym aus PDC-L20 nach 57 d eine Aktivität von 54 U/mL besitzt. Das aus PDC-Partikeln freigesetzte Lysozym weist unabhängig von den gewählten Versuchsparametern für alle mittels DESE-Verfahren hergestellten beladenen PDC-Partikel nur noch eine Aktivität von 3 U/mL nach 1 d auf. Ein Aktivitätsverlust von Lysozym-Lösungen kann nur durch Wechselwirkungen mit Dichlormethan unter gleichzeitiger Anlegung von hohen Scherkräften (Dispergiergerät mit 18.000 rpm für 20 s) herbeigeführt werden. Untersuchungen zeigen, dass weder Temperatur noch Druck oder beides (auf Lysozym-Pulver), die gewählten Probengefäße, hydrophobe Wechselwirkungen von Lysozym-Lösungen mit hydrophoben PDC-Filmen oder Scherkräfte ohne Zusatz an organischem Lösungsmittel die biologische Aktivität von Lysozym beeinträchtigen.

Based on the semi-crystalline and biodegradable multiblock-copolymer of poly(p-dioxanon) and poly(?-caprolacton) matrix drug delivery systems (films and particles) are developed for proteins. Protein-loaded microparticles are produced in cylindrical reactors by means of the double emulsification solvent evaporation technique. The loading efficiency of the particles (0,32 - 1,2 wt.-% lysozyme) depends on the experimental parameters (volume of second emulsifier, ethanol as phase mediator in the second emulsifier). Attempts to produce particles by means of the original spray drying method were unsuccesful due to the semi-crystalline property of the polymer. During spraying of the polymer solution, the nozzle is clogged and in the drying chamber, some sticky fibers are formed as well as ruptured spherical particles with a diameter of 10 to 100 µm. SEM shows that a wide size distribution of particles exist. Particles formed by the double emulsification solvent evaporation technique are spherical with a diameter of 0,1 to 2000 µm and a broad size distribution. In most experiments the larger particles (170-1000 µm) represent 80-95% of the total volume. The material properties are examined by analysis of the loaded films. A loading of up to 10 wt.-% protein does not influence the thermal or shape-memory properties of the material. Young's moduli are cut in half (49 MPa) and the buffer or solvent uptake is doubled. There is no difference for the elongation at break for the 5, 10 or 20 wt.-% lysozyme loaded polymer. The strain fixity rate in cyclic thermomechanical tensile tests is in the range of 92% for all polymeric materials, pure or loaded (10 or 20 wt.-% lysozyme). For all samples the strain recovery rate of the first cycle is around 80% and achieves 99% in the following cycles and the transition temperature of the shape memory process is around 31°C. For all samples (0, 5, 10 or 20wt.-% lysozyme) the value of the transition coeffizient ? is (0,26 ( 0,01) 10-1K-1. If the loading is 20 wt.-% lysozyme, the transition is much broader. Hydrolysis of the loaded polymer in hydrochloric acid (pH 1,0), acetate-buffer (pH 4,6) and phosphate-buffer (pH 7,0) proceeds as the hydrolysis of the unloaded polymer with respect to change of chemical composition, thermal properties, mechanical properties and surface topography according to white light interferometry. The hydrolysis of the polymer is enhanced by increased pH value of the solution. Lysozyme released from 10 wt.-% loaded films has a biological activity of 1136 U/mL after 1 d, but the activity is reduced to 9 U/mL after 7 d. Lysozyme released from loaded particles shows an activity of 3 U/mL after 1 d, thus applies to all particles that are produced with different parameter sets. The activity loss of lysozyme is caused by the interactions of the enzyme with methylene chloride under shear stress (homogenizers with 18.000 rpm for 20 s). Investigations show that neither temperature, pressure, or both (to lysozyme powder) nor the vessels, hydrophobic interactions between lysozyme solution and hydrophobic polymer films or shear stress without addition of an organic solvent bate the biological activity of lysozyme.

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