Herstellung biologisch abbaubarer Nanospheren

Biologisch abbaubare Mikro- und Nanosphären können in einem geschlossenen, kontakt- und kontaminationsfreien Prozess hergestellt werden, der unter vollkommen sterilen Bedingungen abläuft.

Einleitung

Biologisch abbaubare Mikro- und Nanosphären (MS, NS) aus Poly(lactidcoglycolid) (PLGA) oder anderen Materialien sind sehr wichtige Arzneimittel- und Antigenlieferanten mit dem Potenzial einer gezielten Pharmako- und Antigentherapie, bei der die Wirkstoffe direkt am Zielort freigesetzt werden. Aktuelle Techniken für die Herstellung von PLGA NS sind normalerweise Batch-Prozesse, welche Schwierigkeiten beim Scale-up unter sterilen Konditionen bereiten. Hielscher Ultrasonics bietet jedoch ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von PLGA NS in einem kontinuierlichen, kontakt- und kontaminationsfreien Prozess, der unter vollständig sterilen Bedingungen ablaufen kann. Während des gesamten Herstellungsprozesses kommt das Produkt lediglich mit sterilem Glas und Teflon® Schläuchen in direkten Kontakt. Der Prozess kann in einem geschlossenen System ablaufen, um jeglichen Verunreinigungen vorzubeugen.

Methoden

Zur Herstellung von PLGA50:50 Nanopartikeln (Resomer® RG503H, Boehringer Ingelheim) wird ein modifizierter lösungsmittelbasierter Extraktions/Evaporationsprozess genutzt [1]. PLGA, gelöst in Dichloromethan (2 oder 5%) wurde in einer wässrigen 0,5% (w/w) PVA-Lösung dispergiert; hier kam ein völlig neuartiger Experimentaufbau, in den eine kontaktfreie Ultraschall-Durchflusszelle integriert ist, zum Einsatz.

Die grobdisperse Ö/W-Dispersion wurde zuerst mit einem magnetischen Rührer gemischt und anschließend in der Ultraschall-Durchflusszelle (die Durchflussrate der Ö- und W-Phasen betrug 1:8) homogenisiert. Die PLGA-gelösten Nanotropfen, die sich anfänglich gebildet hatten, verfestigten sich schrittweise, während sie sie Schläuche passierten, um zu PLGA-Nanopartikeln zu werden. Ein letztendliches Erhärten der Partikel wurde bei einem größeren Volumen einer 0,5% PVA-Lösung erreicht.

Fig. 1: Experiment-Aufbau für die Herstellung von PLGA Nanosphären

Abb. 2: Entwurf eines Ultraschall-Durchflusszelle

Ergebnisse

Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 485nm konnten vollständig aus einer 2% PLGA-Lösung in DCM bei 32W Beschallungsleistung gewonnen werden (Tab. 1). Die Größenverteilung zeigt sich monomodal mit einem leicht verzögerten Auslaufen der Kurve (Abb. 3A). Entsprechend des Perzentilwertes von 10 und 90% erstreckte sich die Nanopartikelgröße von 175 bis 755nm. Die Wiederholbarkeit des Produktionsprozesses war durchwegs gut, was auf die nur geringe Variabilität des durchschnittlichen Partikeldurchmessers zurückzuführen ist. Eine Verringerung der Beschallungszeit, bei der die Emulsion statt 14 nur noch 7 Sekunden dem Ultraschallfeld ausgesetzt wird, hat nur wenig Auswirkung auf die Größe der Nanopartikel. Ein Herabsetzen der Beschallungsleistung von 32 auf 25W bewirkt hingegen einen beträchtlichen Anstieg des durchschnittlichen Partikeldurchmessers von 485 auf 700nm, der durch ein deutlicheres Verschieben der Größenverteilungskurve hervorgerufen wird (Abb. 3A). Ein nicht so markanter, aber trotzdem beachtenswerter Anstieg der durchschnittlichen Partikelgröße von 485 auf 600nm konnte festgestellt werden, wenn anstatt einer 2% eine 5% PLGA-Lösung verwendet wurde. Abschließend wurde das hydrophile PLGA gegen das hydrophobe PLA, welches zudem ein niedrigeres Molekulargewicht aufweist, ausgetauscht, wobei allerdings keine bemerkenswerten Veränderungen bezüglich der durchschnittlichen Partikelgröße und der Größenverteilung beobachtet werden können. In ihrer Morphologie zeigten die verschiedenen Batches, die eine 2%ige Polymerlösung enthielten, keine Unterschiede. Alle zeigten perfekte Kugelformen und glatte Oberflächen (Abb. 3B). Die Partikel aus einer 5% PLGA-Lösung zeigen hingegen weniger perfekte Kugelformen, wiesen leicht faltige Oberflächen und Fusionen zwei oder mehrerer Partikel auf (Abb. 3C).

Tabelle 1. Durchschnittliche Durchmesse von PLGA50:50 Nanosphären, unter variierenden Bedingungen aufbereitet. Durchschnitt zweier Batches ± der absoluten Abweichung.

Abb. 3: PLGA-Nanopartikel. (A): Größenverteilung bei Partikeln, die bei einer Polymerkonzentration/Beschallungsintensität von 2%/ 32W, 5%/ 32W und 2%/ 25W%; Verweilzeit = 14 s. (B),(C): SEM Bilder der Partikel, die aus 2% bzw. 5% Polymerlösungen vorbereitet wurden. Verweilzeit = 14s; Beschallungsintensität = 32W. Die Balken zeigen jeweils den Maßstab von 1 Mikrometer an.

Diskussion und Schlussfolgerung

Die Ultraschall-Durchflusszelle wurde speziell für die Emulsions-Lösungsmittel-Extraktion / Evaporation basierte Herstellung von biologisch abbaubaren Polymer-Nanosphären entworfen. Die zukünftige Forschung auf diesem Gebiet wird auf ein Scale-up des Prozesses ausgerichtet sein, ebenso wie auf eine Steigerung des Leistungseintrages, um noch feinere Emulsionen zu erhalten. Zudem wird Zelle auf ihre Tauglichkeit bei der Herstellung von Wasser-in-Öl-Emulsionen untersucht, z. B. für die weiteren Entwicklungen von mit Wirkstoff angereicherten Mikrosphären (z.B. für Depotarzneimittel).

Literatur

Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.:A Fast and Simple Method for Producing Biodegradable Nanospheres, in: European Cells and Materials Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (Seite 28)

Dieser Artikel wurde von der Schweizerischen Gesellschaft für Biomaterialien veröffentlicht.