Herstellung biologisch abbaubarer Nanospheren

Biologisch abbaubare Mikro- und Nanokugeln lassen sich in einem kontinuierlichen, kontakt- und kontaminationsfreien Verfahren herstellen, das problemlos unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden kann.

Einführung

Biologisch abbaubare Mikro- und Nanokugeln (MS, NS) aus Poly(lactid-coglycolid) (PLGA) oder anderen Materialien sind äußerst wirksame Wirkstoff- und Antigen-Transportsysteme mit einem inhärenten Potenzial für die gezielte Verabreichung von Wirkstoffen und Antigenen. Derzeitige Verfahren zur Herstellung von PLGA-NS sind typische Chargenprozesse und weisen Schwierigkeiten bei der Skalierung unter sterilen Bedingungen auf. Hier stellen wir ein neuartiges und elegantes Verfahren zur Herstellung von PLGA-Nanokugeln in einem kontinuierlichen, kontakt- und kontaminationsfreien Prozess vor, der problemlos unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden kann. Während des gesamten Herstellungsprozesses kommt das Produkt ausschließlich mit sterilen Glas- und Teflon®-Röhrchen in direkten Kontakt. Der Prozess kann in einem geschlossenen System durchgeführt werden, um jegliche Kontamination durch die Umgebung zu verhindern.

Schematische Darstellung des Aufbaus für eine kontaminationsfreie Synthese von Nanopartikeln unter Verwendung der berührungslosen Hielscher-Ultraschall-Durchflusszelle Dmini

Verfahren zur berührungslosen Herstellung von Nanokugeln mittels Ultraschall

PLGA50:50-Nanopartikel (Resomer® RG503H, Boehringer Ingelheim) wurden mittels eines modifizierten Lösungsmittelextraktions- und Verdampfungsverfahrens hergestellt. In Dichlormethan gelöstes PLGA (2 % oder 5 %) wurde mithilfe eines neuartigen Versuchsaufbaus, der eine berührungslose Durchfluss-Ultraschallzelle vom Typ Dmini umfasste, in einer wässrigen 0,5-prozentigen (Gew./Gew.) PVA-Lösung dispergiert. Die grobe O/W-Dispersion wurde zunächst mit einem Magnetrührer vorgemischt und anschließend in der berührungslosen Ultraschall-Durchflusszelle Dmini homogenisiert (die Durchflussraten der O- und W-Phasen betrugen 1:8). Die zunächst gebildeten PLGA-Lösungsmittel-Nanotropfen verfestigten sich während des Durchflusses durch die Röhrchen allmählich zu PLGA-Nanopartikeln. Die endgültige Verfestigung der Partikel erfolgte in einem größeren Volumen einer 0,5-prozentigen PVA-Lösung.

Berührungslose Ultraschall-Durchflusszelle Dmini für die kontaminationsfreie Synthese von Nanopartikeln

Ergebnisse

Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von 485 nm ließen sich aus einer 2-prozentigen PLGA-Lösung in DCM bei einer Ultraschallleistung von 32 W problemlos herstellen (Tab. 1). Die Größenverteilung war monomodal mit einem leichten Ausläufer (Abb. 3A). Die Nanopartikelgrößen reichten gemäß dem 10. und 90. Perzentil von 175 bis 755 nm. Die Wiederholbarkeit des Herstellungsverfahrens war durchweg gut, was sich in nur geringen Schwankungen des mittleren Partikeldurchmessers widerspiegelte. Eine Verringerung der Tabelle 1. Mittlerer Durchmesser von PLGA50:50-Nanokugeln, die unter verschiedenen Bedingungen hergestellt wurden. Mittelwert aus zwei Chargen ± absolute Abweichung.[/caption]

Schließlich wurde das hydrophilere PLGA durch das hydrophobere PLA mit niedrigerem Molekulargewicht ersetzt, ohne dass sich dabei nennenswerte Veränderungen der mittleren Partikelgröße und der Größenverteilung ergaben. Bei der Morphologie der verschiedenen Partikelscharchen, die aus 2-prozentigen Polymerlösungen hergestellt wurden, wurden keine Unterschiede festgestellt. Sie wiesen alle eine perfekt kugelförmige Gestalt und glatte Oberflächen auf (Abb. 3B). Die aus der 5-prozentigen PLGA-Lösung hergestellten Partikel waren hingegen weniger kugelförmig, wiesen leicht runzlige Oberflächen auf und zeigten Verschmelzungen von zwei oder manchmal auch mehr Partikeln (Abb. 3C).

Abb. 3: PLGA-Nanopartikel. (A): Größenverteilung der Partikel, die bei einer Polymerkonzentration bzw. Ultraschallleistung von 2 %/32 W, 5 %/32 W und 2 %/25 W hergestellt wurden; Verweilzeit = 14 s. (B), (C): REM-Aufnahmen von Partikeln, die aus 2- bzw. 5-prozentigen Polymerlösungen hergestellt wurden. Verweilzeit = 14 s; Ultraschallleistung = 32 W. Die Balken entsprechen 1 Mikrometer.
(Studie und Bilder: © Freitas et al., 2006)

Diskussion und Schlussfolgerung

Es zeigte sich, dass sich die Ultraschall-Durchflusszelle gut für die Herstellung biologisch abbaubarer polymerer Nanokugeln mittels Emulsions-Lösungsmittel-Extraktion und -Verdampfung eignet. Zukünftige Forschungsarbeiten werden sich auf die Skalierung des Verfahrens und die Erhöhung der Leistungsaufnahme konzentrieren, um noch feinere Emulsionen zu erhalten. Darüber hinaus wird die Eignung der Zelle für die Herstellung von Wasser-in-Öl-Emulsionen untersucht, beispielsweise für die Weiterverarbeitung zu mit Wirkstoffen beladenen Mikrokügelchen.

Literatur