Neuartige Erzeugung von Nanokapseln durch geschichtete dünne Filme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nanokapseln finden bereits heute in der Bio- und Nanotechnologie vielfältige Verwendung und verfügen über ein großes Potential zukünftiger Anwendungen, ihr Einsatz ist jedoch bis heute hauptsächlich durch ineffiziente Herstellungstechniken limitiert. Die Ausgangsfrage des Forschungsprojekts war daher, ob durch neuartige Erzeugungsprozesse von Nanokapseln eine effizientere Wirkstoffeinkapselung gelingen kann. Es wurde ein neues Verfahren zur Herstellung von Nanokapseln entwickelt, das dünne Lipidund Wirkstoff-Filme auf Walzenoberflächen in geordneter Weise zusammenführt. Dabei entstehen Lipid-Bischichten, die durch den Anpressdruck der Walzen durch definierte Poren einer Membran extrudiert und abgesaugt werden. Nanokapseln, die mit konventionellen Verfahren erzeugt werden, zeigen selbst nach 21- bis 51-facher Extrusion durch definierte Poren immer noch einen gewissen Anteil multilamellarer Kapseln und sind im Mittel etwa 20 % größer als der Porendurchmesser. Die mit dem neu entwickelten Verfahren generierten Nanokapseln sind dagegen nach nur einmaliger Extrusion nahezu ausschließlich unilamellar. Die mit den bislang eingesetzten Extrusionsmembranen generierten Nanokapseln zeigen eine bimodale Verteilung: ca. 75 Vol-% der Nanokapseln haben im Mittel eine Größe von etwa ¼ des Porendurchmessers, die übrigen sind im Mittel gleich groß wie der Porendurchmesser. In einer geplanten Fortsetzung des Projekts soll an einer Optimierung der Größenverteilung durch geeignete Extrusionsmembranen mit hoher Porosität gearbeitet werden. Für die Bestimmung der Einkapselungseffizienz (EE) wurde ein hydrophiler Fluoreszenzmarker (Calcein) verwendet. Nach der Herstellung der Nanokapseln werden diese mittels Gel-Permeationschromatographie von ihrer wässrigen Umgebung und dem nicht eingekapselten Wirkstoff (Calcein) getrennt und anschließend mit Fluorimetrie quantifiziert. Für Nanokapsel-Suspensionen, die mit dem neu entwickelten Verfahren hergestellt wurden, konnten bei hohen Calcein-Konzentrationen eine EE bis 35 % bestimmt werden. Bei identischen Wirkstoff- und Lipidkonzentrationen und gleicher Extrusionsmembran (200 nm) zeigten mit konventionellem Verfahren (Filmmethode nach Bangham) mit anschließender Extrusion hergestellte Nanokapsel-Suspensionen eine EE von 3,7 %. Bei geringeren Wirkstoff-Beladungen konnten auch EE bis über 90 % mit dem neu entwickelten Verfahren erzielt werden, hierbei sind wahrscheinlich auch Oberflächen- Adsorptionseffekte beteiligt. In der Literatur sind bisher keine für beliebige Wirkstoffe einsetzbare Einkapselungsverfahren mit Kapselgrößen < 200 nm mit vergleichbarer EE ohne Adsorptionseffekte oder Wirkstoff-spezifische Beladungstechniken beschrieben. Für die Charakterisierung von Nanokapseln wurden eine Reihe von Methoden neu entwickelt bzw. weiterentwickelt. Auf Basis standardisierter Extrusionsbedingungen konnte die Bruchfestigkeit der Kapselschalen für unterschiedliche Lipid-Mischungen bestimmt werden, die von den relativen Anteilen von Cholesterol und gesättigten und ungesättigten Fettsäuren abhängt. Auch Polymer-Beschichtungen beeinflussen die Bruchfestigkeit, außerdem verändern sie die Hydrophilie der Kapselschale, was sich in einer etwa vierfach reduzierten Wandreibung in Nanoporen äußert, deren Querschnitt enger ist als der einer undeformierten Nanokapsel. Die Lager-Stabilität von Nanokapseln, ihre Stabilität und Wirkstoff-Permeabilität in humanem Serum sowie ihre Bruchfestigkeit und Hydrophilie bei der Extrusion hängen von den komplexen Aggregatzuständen ihrer konstituierenden Lipid-Mischungen ab. Es wurde eine Fluoreszenz-Methode entwickelt, um die Phasenzustände und -übergänge der Nanokapselschale von einem Gel-Zustand in einen phasenseparierten flüssig-geordneten und flüssig-ungeordneten Zustand zu charakterisieren. Abhängig von der Lipidmischung können ein, zwei oder drei Phasen koexistieren. Die mit der eigenen Methode gewonnenen Messergebnisse stimmen sehr gut mit Literatur-Werten überein und machen zusätzliche Phasenübergänge sichtbar, die bislang nur theoretisch prognostiziert wurden. Zugleich ist die selbst entwickelte Methode wesentlich einfacher durchführbar und vielseitiger einsetzbar als bestehende Methoden wie z.B. Fluoreszenz-Mikroskopie und NMR.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007) Fluorescence methods for characterization of liposomes. Proceedings of the International Congress on Particle Technology: Nürnberg, 26. - 29.3.2007
Fischer, D., M. Vrânceanu, G. Leneweit, K. Winkler, S. Nikolaus, and H. Nirschl
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(2008) Entrance effects at nanopores of nanocapsules functionalized with poly(ethylene glycol) and their flow through nanochannels. Langmuir. 24: 13030-13036
Popa, R., M. Vranceanu, S. Nikolaus, H. Nirschl, and G. Leneweit
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(2008) Membrane interactions of ternary phospholipid/cholesterol bilayers and encapsulation efficiencies of a RIP II protein. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 64: 284-296
Manojlovic, V., K. Winkler, V. Bunjes, A. Neub, R. Schubert, B. Bugarski, and G. Leneweit
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(2008) Membrane interactions of ternary phospholipid/cholesterol bilayers with Viscumin (Abstract for 16th International Biophysics Congress (IUPAB), Feb. 2008, Long Beach, USA). Biophys. J. 94 (1_MeetingAbstracts): 338
Leneweit, G., V. Manojlovic, K. Winkler, V. Bunjes, A. Neub, R. Schubert, and B. Bugarski
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(2008) Tensile strength of nanocapsules functionalized with poly(ethylene glycol) and wall interactions during flow through nanochannels. In: Proceedings of the 1st European Conference on Microfluidics, Bologna
Popa, R., M. Vrânceanu, S. Nikolaus, H. Nirschl, and G. Leneweit
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(2009) Asymmetric distribution of a fluorescent probe in symmetric liposomal bilayers. In: European Biophysics Conference, 11. - 15. Juli 2009, Genua
Badarau, N., M. Vrânceanu, R. Popa, S. Nikolaus, H. Nirschl, and G. Leneweit
