Herstellung biologisch abbaubarer Nanosphären

Biologisch abbaubare Mikro- und Nanosphären lassen sich in einem kontinuierlichen, kontakt- und kontaminationsfreien Prozess herstellen, der problemlos unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden kann.

Einleitung

Biologisch abbaubare Mikro- und Nanosphären (MS, NS) aus Poly(lactid-coglycolid) (PLGA) oder anderen Materialien sind sehr leistungsfähige Wirkstoff- und Antigenträgersysteme, die von sich aus Potenzial für die gezielte Verabreichung von Wirkstoffen und Antigenen bieten. Die derzeitigen Verfahren zur Herstellung von PLGA-NS sind typische Chargenverfahren, deren Maßstabsvergrößerung unter sterilen Bedingungen mit Schwierigkeiten verbunden ist. Hier stellen wir ein neuartiges und elegantes Verfahren zur Herstellung von PLGA-Nanosphären in einem kontinuierlichen, kontakt- und kontaminationsfreien Prozess vor, der problemlos unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden kann. Während des gesamten Herstellungsprozesses steht das Produkt ausschließlich mit sterilen Glas- und Teflon®-Röhrchen in direktem Kontakt. Der Prozess kann in einem geschlossenen System durchgeführt werden, um jegliche Kontamination durch die Umgebung zu verhindern.

Schematischer Aufbau zur kontaminationsfreien Synthese von Nanopartikeln mit der kontaktfreien Ultraschall-Durchflusszelle Dmini von Hielscher

Verfahren zur kontaktfreien Herstellung von Nanosphären mittels Ultraschall

PLGA50:50-Nanopartikel (Resomer® RG503H, Boehringer Ingelheim) wurden mit einem modifizierten Lösungsmittelextraktions-/Verdampfungsverfahren hergestellt. In Dichlormethan gelöstes PLGA (2 oder 5%) wurde mithilfe des neuartigen Versuchsaufbaus mit einer kontaktfreien Ultraschall-Durchflusszelle Dmini in einer wässrigen 0,5%igen (w/w) PVA-Lösung dispergiert. Die grobe O/W-Dispersion wurde zunächst mit einem Magnetrührer vorgemischt und anschließend in der kontaktfreien Ultraschall-Durchflusszelle Dmini homogenisiert (das Verhältnis der Volumenströme der O- und W-Phase betrug 1:8). Die zunächst gebildeten PLGA-Lösungsmittel-Nanotröpfchen verfestigten sich während des Durchgangs durch die Röhrchen allmählich zu PLGA-Nanopartikeln. Die abschließende Aushärtung der Partikel erfolgte in einem größeren Volumen einer 0,5%igen PVA-Lösung.

Kontaktfreie Ultraschall-Durchflusszelle Dmini zur kontaminationsfreien Nanopartikelsynthese

Ergebnisse

Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von 485 nm ließen sich problemlos aus einer 2%igen PLGA-Lösung in DCM bei einer Beschallungsleistung von 32W herstellen (Tab. 1). Die Größenverteilung war monomodal mit einem leicht ausgeprägten Ausläufer (Abb. 3A). Die Perzentile 10 und 90% entsprachen Nanopartikelgrößen von 175 beziehungsweise 755 nm. Die Wiederholbarkeit des Herstellungsprozesses war durchweg gut, was sich in der nur geringen Variabilität des mittleren Partikeldurchmessers zeigte. Die Verringerung der Tabelle 1. Mittlerer Durchmesser von PLGA50:50-Nanosphären, die unter verschiedenen Bedingungen hergestellt wurden. Mittelwert zweier Chargen ± absolute Abweichung.[/caption]

Abschließend wurde das hydrophilere PLGA durch das hydrophobere PLA mit niedrigerem Molekulargewicht ersetzt, ohne dass merkliche Veränderungen der mittleren Partikelgröße und der Größenverteilung auftraten. Bei der Morphologie der verschiedenen Partikelchargen, die aus 2%igen Polymerlösungen hergestellt wurden, waren keine Unterschiede zu beobachten. Sie wiesen alle eine vollkommen kugelförmige Gestalt und glatte Oberflächen auf (Abb. 3B). Die aus der 5%igen PLGA-Lösung hergestellten Partikel waren hingegen weniger kugelförmig, zeigten leicht faltige Oberflächen sowie Verschmelzungen von zwei oder gelegentlich mehr Partikeln (Abb. 3C).

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

Diskussion und Schlussfolgerung

Die Ultraschall-Durchflusszelle erwies sich als gut geeignet für die Herstellung biologisch abbaubarer polymerer Nanosphären mittels emulsionsbasierter Lösungsmittelextraktion/-verdampfung. Künftige Forschungsarbeiten werden sich auf die Maßstabsvergrößerung des Prozesses und die Erhöhung des Leistungseintrags konzentrieren, um noch feinere Emulsionen zu erhalten. Darüber hinaus soll die Eignung der Zelle zur Herstellung von Wasser-in-Öl-Emulsionen untersucht werden, beispielsweise zur anschließenden Weiterverarbeitung zu wirkstoffbeladenen Mikrosphären.

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 (page 28). This study was presented at the Swiss Society of Biomaterials.