DE102005044400A1

DE102005044400A1 - Verfahren zur Verkapselung und kontrollierten Freisetzung von schwer wasserlöslichen (hydrophoben) flüssigen und festen Wirkstoffen

Info

Publication number: DE102005044400A1
Application number: DE102005044400A
Authority: DE
Inventors: Lars DÄHNE; Barbara Baude; Steffi Senst; Andreas Voigt
Original assignee: Capsulution Nanoscience AG
Current assignee: Capsulution Nanoscience AG
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US20090304756A1; WO2007031345A3; WO2007031345A2; EP1928432A2; CA2622196A1; JP2009507592A

Abstract

Die Erfindung betrifft die Befüllung von hydrophoben oder hydrophob modifizierten porösen Mikropartikeln mit hydrophoben Substanzen mit anschließender Verkapselung der entstehenden hydrophoben Partikel mit der Layer-by-Layer (LbL) Polyelektrolyt-Technologie zum Zweck der Herstellung homogener Suspensionen in Wasser sowie zur kontrollierten Freisetzung der verkapselten Wirkstoffe. Durch eine spezifische Modifizierung der LbL-Oberfläche kann ein bevorzugtes Haften am Zielort realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft die Befüllung von hydrophoben oder hydrophob modifizierten porösen Mikropartikeln mit hydrophoben Substanzen mit anschließender Verkapselung der entstehenden hydrophoben Partikel mit der Layer-by-Layer (LbL)-Polyelektrolyt Technologie zum Zweck der Herstellung homogener Suspensionen in Wasser sowie zur kontrollierten Freisetzung der verkapselten Wirkstoffe. Durch eine spezifische Modifizierung der LbL-Oberfläche kann ein bevorzugtes Haften am Zielort realisiert werden.

Mikrokapseln aus alternierend adsorbierten Polyelektrolytschichten (Layer by Layer LbL) sind beispielsweise aus [1] bekannt und in DE 198 12 083 A1 , DE 199 07 552 A1 , EP 0 972 563 , WO 99/47252 und US 6,479,146 beschrieben, deren Offenbarungsinhalt hiermit vollständig aufgenommen wird. Derartige Kapselsysteme besitzen aufgrund ihrer einstellbaren Semipermeabilität ein hohes Anwendungspotential als Mikroreaktoren, Drug Delivery Systeme etc. Voraussetzung ist die Befüllung mit entsprechenden Wirkstoffen, Enzymen, Polymeren oder Katalysatoren.

Bisher wurden LbL-Mikrokapseln hergestellt, die im Inneren mit makromolekularen und wasserlöslichen Substanzen befüllt werden können. Die bisher bekannten Technologien gestatten nicht, schwer wasserlösliche oder hydrophobe Wirkstoffe in weitgehend monodiperser Form mit Polyelektrolytfilmen zu verkapseln.

Folgende Möglichkeiten zur Mikroverkapselung von hydrophoben Wirkstoffen sind bekannt:

a) Komplexe Koazervation bei diesem Verfahren werden Öl in Wasser-Emulsionen von dem hydrophoben Wirkstoff hergestellt und mit einer Hülle aus Gelatine und Gummi Arabicum durch pH Änderung der wässrigen Phase versehen. Derartige polydisperse Kapseln können sogar getrocknet werden, geben die Wirkstoffe jedoch im Allgemeinen erst nach mechanischer Einwirkung oder bei pH Änderung wieder frei.
b) Emulsionspolymerisation In Emulsionen werden an der Öl-Wasser Grenzfläche Monomere zu polymeren Hüllen vernetzt. Die Dispersität dieser Kapseln ist ebenfalls hoch und wird von der Qualität der Emulsionen bestimmt. Auch die Freisetzungsraten können nicht so fein getunt werden, wie bei LbL Schichten.
c) Solubilisierung von festen Wirkstoffen Entsprechend den Patenten WO 01/51196, WO 2004/030649 A2 und PCT/EP03/10630 werden gemahlene Wirkstoffe mit wenigen LbL Schichten versehen, um eine bessere Stabilität der Suspensionen in wässriger Lösung zu erreichen. Bei dieser Methode werden polydisperse und nicht sphärische Partikel erhalten. Während der Beschichtung kommt es besonders an sehr ausgedehnten Kristalliten (z.B. Nadeln oder Plättchen) zu Abbrüchen, die zu uneinheitlichen Freisetzungsraten sowie zu nachfolgender Instabilität der Suspension in Folge von Ostwaldreifung oder von Aggregation der nun partiell hydrophoben Oberflächen führen.
d) Core-Shell-Strukturen Ein weiteres Verfahren (nicht vorveröffentlichte DE 10 2004 013 637.8 vom 19. März 2004 desselben Anmelders) nutzt die Adsorption von Materialien in porösen Partikeln mit anschließender Verkapselung über die LbL Technologie. Hier werden sphärische und weitgehend monodisperse Partikel erhalten, bei denen auch die Freisetzung über die Polyelektrolytschichten modifiziert werden kann. Allerdings gelingt es bei den beschriebenen hydrophilen Partikeln mit hoher Oberflächenladung nicht, hydrophobe Wirkstoffe oder sogar wasserunlösliche Öle zu immobilisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Verkapseln von hydrophoben Wirkstoffen anzugeben, bei dem die Wirkstoffe

a) in hoher Konzentration im Inneren von porösen Materialien angereichert werden können
b) die hydrophoben Partikel mit Hilfe von LbL-Polyelektrolytschichten in Wasser suspendiert werden können
c) die Wirkstoffe verzögert oder getriggert freigesetzt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von wirkstoffbeladenen Partikeln mit folgenden Schritten gelöst:

– poröse Template mit hydrophober innerer und äußerer Oberfläche werden bereitgestellt, wobei es sich bei den porösen Templaten um poröse Mikropartikel mit einem Durchmesser kleiner als 100 μm handelt;
– zumindest ein zu verkapselnder hydrophober Wirkstoff wird in den Templaten adsorbiert;
– die Template mit dem darin absorbierten Wirkstoff werden in einem wässrigen Medium suspendiert; und
– eine hydrophile LbL-Kapselhülle wird um die porösen Template durch Aufbringen von alternierend geladenen Polyelektrolyt- und/oder Nanopartikelschichten gebildet, so dass eine stabile Suspension von monodispersen Partikeln im wässrigen Medium gebildet wird.

Bei den porösen Templaten kann es sich

– um synthetische und/oder natürlich vorkommende anorganische hydrophile Mikropartikel handeln, deren innere und äußere Oberfläche hydrophobiert wird; oder
– um hydrophobe organische Mikropartikel mit poröser Struktur handeln.

Die LbL-Beschichtung der beladenen Template mit hydrophoben Oberflächen führt zu einer stabilen Suspension im wässrigen Medium, ohne dass Hilfs- oder Zusatzstoffe erforderlich sind.

Die mit dem absorbierten Wirkstoff beladenen Template können unter Zuhilfenahme zumindest eines Zusatzstoffes in dem wässrigen Medium suspendiert werden, wobei der Zusatzstoff die Partikel im wässrigen Medium durch Adsorption an der Oberfläche stabilisiert.

Unter innerer Oberfläche wird die von den Porenwänden gebildete Oberfläche verstanden, während unter äußerer Oberfläche die nach außen weisende Oberfläche der Template gemeint ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter porösen hydrophilen Mikropartikeln insbesondere Teilchen aus anorganischen Alumosilikaten oder reinen Silikaten verstanden, die eine Vielzahl von Poren bzw. inneren Hohlräumen aufweisen. Diese Poren werden durch geeignete chemische Verfahren hydrophobiert. Alternativ können auch hydrophobe organische Mikropartikel ohne weitere Modifizierung eingesetzt werden. Die Befüllung der Template erfolgt vorteilhafterweise mit Hilfe eines Lösungsmittels, in dem sich der hydrophobe Wirkstoff gut löst. Nach der Befüllung werden die sehr hydrophoben Template mit Hilfe von Zusatzstoffen, wie zum Beispiel Tenside oder amphiphile Polymere, in einer wässrigen Lösung suspendiert. Dann werden nach der üblichen LbL-Beschichtungstechnologie alternierende Schichten von Polykation und Polyanion aufgebracht. Ab mindestens 2 Schichten werden die Partikel zunehmend elektrostatisch stabilisiert, so dass es in der Suspension kaum noch zu Aggregationserscheinungen kommt und ein Zusatz von Tensiden oder anderen Hilfsstoffen nicht mehr erforderlich ist.

Als günstig hat es sich herausgestellt, wenn nach der Suspendierung der beladenen hydrophoben Template unter Zuhilfenahme mindestens eines Zusatzstoffes ein Polyelektrolyt zum wässrigen Medium dazugegeben wird, der die gleiche Ladung wie der Zusatzstoff aufweist. Sofern der Zusatzstoff eine positive Ladung trägt, wird ein Polykation dazugegeben, bei negativ geladenem Zusatzstoff ein Polyanion. Diese Zugabe hat sich als förderlich für den Aufbau der Kapselhülle herausgestellt.

Die Kapselhülle besteht aus mindestens 2 bis 3 oder mehr alternierend geladenen Polyelektrolytschichten und/oder Nanopartikelschichten. Kapselhüllen mit bis zu 20 oder 30 solcher alternierend geladener Schichten sind möglich. Die einzelnen Schichten werden nacheinander aufgebracht, wobei sich die zum Aufbau verwendeten Polyelektrolyte und/oder Nanopartikel elektrostatisch an der zuvor aufgebrachten Schicht assemblieren.

Bei den verwendeten Templaten handelt es sich um poröse Mikropartikel, deren Größe bevorzugt kleiner als 100 μm ist. Die Mikropartikel weisen Poren mit beispielsweise einer Porenweite von 0,3 nm–100 nm, bevorzugt von 1 nm–30 nm auf. Bei vielen Anwendungsfällen kann die untere Grenze der Porenweite zwischen 1 nm und 6 nm, beispielsweise bei 2 nm oder 4 nm, und die obere Grenze der Porenweite zwischen 10 nm und 40 nm, beispielsweise bei 15 nm oder 30 nm, liegen. Grundsätzlich sollte die Porenweite so groß sein, dass die zu verkapselnden Wirkstoffe in die Poren eindringen und sich in den Poren ablagern können. Bevorzugt sind daher poröse Template (hydrophobe und/oder hydrophob modifizierte hydrophile Mikropartikel) mit einer großen inneren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche von den Innenwänden der Poren gebildet wird.

Bei Verwendung von hydrophilen anorganischen Mikropartikeln, wie z.B. Silikate oder Alumosilikate, wird die innere und äußere Oberfläche der Partikel vor der Beladung hydrophob modifiziert. Neben anderen chemischen Verfahren eignet sich dafür insbesondere die Reaktion der Si-OH Gruppen mit Alkyl- oder Aryl-alkoxysilanen. Der Grad der Hydrophobizität kann über die Länge und die Zahl der Alkylketten pro Oberflächensegment selektiv eingestellt werden. Dadurch kann die Wechselwirkungsenergie zwischen porösem Partikel und hydrophobem Wirkstoff eingestellt werden, was eine Steuerung des Befüllungsgrades mit dem hydrophoben Material und vor allen Dingen der Freisetzungsrate erlaubt.

Die Template können nach Aufbau der Kapselhülle geeignet aufgelöst werden, so dass lediglich der Wirkstoff in der Kapselhülle eingeschlossen verbleibt.

Weiterhin wird die Aufgabe durch Partikel gelöst, mit

– einem Durchmesser kleiner als 100 μm;
– einem porösen Kern mit hydrophober innerer und äußerer Oberfläche in dem zumindest ein hydrophober Wirkstoff adsorbiert ist; und
– einer Kapselhülle aus mehreren Schichten alternierend geladener Polyelektrolyt- und/oder Nanopartikelschichten.

Bei dem porösen Kern handelt es sich um die beschriebenen porösen Template. Ggf. kann zwischen dem porösen Kern und der Kapselhülle eine Grundierungsschicht angeordnet sein, die den Kern umgibt und zur Verbesserung des Aufbaus der Kapselhülle beiträgt.

Die hergestellten und mit dem Wirkstoff befüllten Partikel können in vielen Bereichen vorteilhaft angewendet werden, beispielsweise

– zur Verkapselung, zum Anheften an den gewünschten Zielort und zur Freisetzung von hydrophoben Wirkstoffen in der pharmazeutischen und kosmetischen Industrie
– zur Verkapselung von Ölen und Duftstoffen als stabile wässrige Suspensionen mit in den Bereichen der Kosmetik, Pharmazie, Waschmittelindustrie und Pflegemittelindustrie (Lederindustrie)
– zur Verkapselung von Ölen und hydrophoben Feststoffen mit definierter Freisetzungsrate nach dem Anhaften an gewünscht Oberflächen
– zur Verkapselung von Ölen und hydrophoben Feststoffen mit getriggerter Freisetzung bei Änderung der Umgebungsbedingungen (pH Wert, mechanischer Streß, Lösungsmittel- oder Tensideinfluß, Trocknung, Wärme etc.)
– zu Anwendungen in der Nahrungsmittelindustrie und der Land- und Forstwirtschaft.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, unabhängig davon, ob es sich um das Verfahren oder die befüllten Partikel handelt, werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen:

1 einzelne Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die dabei erhaltenen mit hydrophoben Materialien gefüllten Mikrokapseln;

2a konfokale Bilder von mit einem hydrophoben Wirkstoff beladenen Templaten, die mit einem Hilfsstoff in Wasser suspendiert sind;

2b beladene Template, mit einer Kapselhülle aus zwei LbL Schichten;

2c beladene Template, mit einer Kapselhülle aus sechs LbL Schichten;

2d konfokale Aufnahme des fluoreszierenden Wirkstoffes im Inneren der Partikel;

2e konfokale Aufnahme des fluoreszierenden (Cy 5 gelabelten) LbL Kapselhülle;

3 Transmissionsaufnahmen von Imidaclopridgefüllten Partikeln a) nach einer PSS Schicht b) nach 6 Schichten PAH/PSS (teilweise sind noch separate Kristalle des Imidacloprids außerhalb der Kapseln zu finden);

4 Transmissionsaufnahmen von mit Pfefferminzöl gefüllten 5 μm großen Partikeln a) nach einer PSS Schicht, b) nach 4 weiteren Schichten von PAH/PSS;

5 OMC gefüllte Partikel a) mit 6 Polyelektrolytschichten (positiv geladen) und b) mit 7 Polyelektrolytschichten (negativ geladen).

Die einzelnen Verfahrensschritte werden anhand der 1 erläutert. Bevorzugt werden kolloidale hydrophile Mikropartikel (Template) mit einer definierten Porosität verwendet, deren innere und äußere Oberfläche mit z.B. Alkyl-Alkoxysilanen hydrophob modifiziert wird. Diese Mikropartikel werden mit den zu verkapselnden Materialien (im folgenden Wirkstoff genannt) in der gewünschten Konzentration befüllt. 1 zeigt das Befüllen mit einem Wirkstoff, der zu einem späteren Zeitpunkt permanent im Inneren immobilisiert ist oder bei entsprechender Wandpermeabilität dosiert freigesetzt wird.

Der Wirkstoff kann jedes flüssige oder feste hydrophobe Material aus anorganischen oder organischen Material sein. Insbesondere handelt es sich bei den zu verkapselnden Wirkstoffen um Feststoffe oder Öle, die sich nicht oder sehr schlecht in Wasser lösen lassen. Üblicherweise sind zur Herstellung stabiler Suspensionen oder Emulsionen dieser Wirkstoffe in Wasser weitere Hilfsstoffe (z.B. Tenside) notwendig. Insbesondere kann es sich bei den zu verkapselnden Stoffen um pharmazeutische bzw. kosmetische Wirkstoffe, wie Duftstoffe, Hautschutzöle und -fette, UV-absorber, und/oder Wasch- und Pflegemittelzusätze, wie Lipide, Silikonöle und/oder Schmiermittel und/oder Pflanzenschutzmittel handeln. Die zu verkapselnden Wirkstoffe können eine unterschiedliche Affinität bzw. Bindungskonstante hinsichtlich der Ablagerung in den Poren aufweisen. Die Wirkstoffe besetzen die zur Verfügung stehenden Bindungsstellen an der inneren Oberfläche in Abhängigkeit von ihren Bindungskonstanten. Die Wechselwirkung zu den Oberflächen kann durch den Hydrophobisierungsgrad (Zahl und Größe der Alkyl- oder Arylgruppen) angepasst werden.

Befüllung der Template (Schritt A)

Die Befüllung der hydrophobierten porösen Template 2 mit hydrophoben Wirkstoffen 4 erfolgt durch attraktive Wechselwirkung, die vorwiegend auf Dispersionswechselwirkungen basieren (auch hydrophobe oder van der Waals Wechselwirkungen genannt). Insbesondere werden zwei verschiedene Verfahren zur Befüllung genutzt:

1. Das hydrophobe Material 4 wird in einem organischen, wassermischbaren Lösungsmittel gelöst, wie z.B. Ethanol, Aceton, Acetonitril etc. Nach Zugabe der Partikel 2 wird unter ständigem Rühren die Polarität des Lösungsmittels durch schrittweise Zugabe von Wasser bis zur Sättigung des Wirkstoffs in der Lösung erhöht. Der Überstand wird mit Wasser weggewaschen.
2. Der Wirkstoff 4 wird in einem organischen Lösungsmittel in der zu befüllenden Menge aufgelöst. Nach Zugabe der Partikel 2 wird das Lösungsmittel unter Rühren und gegebenenfalls unter Erwärmung oder unter Vakuum vollständig verdampft. Zurück bleiben die gefüllten Partikel 5. Nur bei zu hoher Wirkstoffmenge oder zu geringer Affinität des Wirkstoffs zur Partikeloberfläche bleiben außerhalb der Partikel Reste des Wirkstoffes in kristalliner oder öliger Form zurück. Ansonsten befindet sich der Wirkstoff ausschließlich in den Partikeln.

Zur Befüllung mit den Wirkstoffen werden Porengrößen verwendet, die auf die Größe der zu befüllenden Moleküle abgestimmt sind. Insbesondere bei porösen Silikatpartikeln lassen sich Moleküle zwischen 0,1 und 5000 kDa (100 g/mol–5 000 000 g/mol) in Porengrößen von 0,4 bis 100 nm einlagern. Es können auch mehrere Wirkstoffe bei vergleichbaren Bindungskonstanten simultan oder bei unterschiedlichen Bindungskonstanten sequentiell eingelagert werden. Dabei wird der Wirkstoff mit der höheren Bindungskonstante im Unterschuß befüllt, d.h. dessen Konzentration wird so gewählt, dass dieser Wirkstoff nicht alle zur Verfügung stehenden Bindungsstellen besetzt. Danach werden die unvollständig gefüllten Partikel mit dem weiteren Wirkstoff aufgefüllt. Im Ergebnis sind die Template 2 weitgehend mit dem oder den Wirkstoff(en) 4 aufgefüllt.

Solubilisierung (Schritt B)

Die nun gefüllten Template 5 in werden in einer wässrigen Lösung nach dem bekannten LbL Prozeß oder ähnlichen Einschrittverfahren beschichtet. Dafür müssen sie im ersten Schritt in Wasser suspendiert werden, was meist nur unter Zusatz von Tensiden verschiedener Art oder ähnlichen amphiphilen Polymeren möglich ist. Dabei sind geeignete Hilfsstoffe in möglichst geringer Konzentration auszuwählen, die den Wirkstoff nicht aus dem Partikelinneren herauslösen und in Form von Micellen solubilisieren. Zusätzlich kann nach der Suspendierung in Wasser unter Zuhilfenahme des Tensids ein zum Tensid gleichgeladener Polyelektrolyt zugegeben werden. Obwohl die Wirkungsweise nicht vollständig klar ist, und ohne sich einschränken zu wollen, wird vermutet, dass dieser Polyelektrolyt, der auch als Grundierungselektrolyt bezeichnet wird, das Tensid teilweise verdrängt bzw. mit dem Tensid gemeinsam eine Grundierungsschicht bildet.

Ggf. kann noch eine Grundierungsschicht 6 aufgebracht werden. Die optionale Grundierungsschicht 6 ist in den weiteren Schritten nicht dargestellt.

Beschichtung (Schritt C)

Die befüllten und in Wasser suspendierten Partikel werden mit alternierend kationisch und anionisch geladenen Stoffen (Polyelektrolyte), bevorzugt Polymere, beschichtet. Bereits nach einer Polyelektrolytschicht kann auf das Tensid weitgehend verzichtet werden. Je nach Beladungsgrad und Hydrophobizität erhält man nach 2–6 Schichten homogene Partikelsuspensionen in Wasser, in denen die Partikel elektrostatisch stabilisiert (ohne Tendenz zur Aggregation) vorliegen. Weitere Zusatzstoffe zur Herstellung stabiler Suspensionen sind nicht mehr notwendig.

Die Permeabilität der LbL Kapsel kann durch die Zahl der aufgebrachten Schichten, die Polyelektrolytkombination, durch eine Nachbehandlung mittels Annealing, oder durch Implementierung von weiteren Stoffen in die Kapselwand^[8] für das jeweilige verkapselte Material spezifisch eingestellt werden. Nach dem Aufbau der Kapselwand liegen beschichtete Partikel 10 mit einem gefüllten porösen Kern vor. Geeignete Stoffe zur Bildung der Kapselwand sowie geeignete Verfahrensabläufe lassen sich den bereits genannten Dokumenten DE 198 12 083 A1 , DE 199 07 552 A1 , EP 0 972 563 , WO 99/47252 und US 6,479,146 entnehmen.

Die Adsorption dieser Partikel an definierte Ziele kann über Wechselwirkungen zwischen der äußersten Polyelektrolytschicht und dem Target zum Teil sehr spezifisch erreicht werden. Dazu dient im einfachsten Fall das Einstellen der äußeren Ladung der Partikel (negativ oder positiv), oder mehr definiert die Beschichtung mit Polyelektrolyten, die zu den gewünschten Oberflächen eine hohe Affinität aufweisen oder ganz spezifisch über die Erkennung von Rezeptoren über an die Partikeloberfläche kovalent gekoppelte Biomoleküle (Streptavidin, Biotin, Proteine, Peptide, DNA, RNA).

Optionales Freisetzen des Wirkstoffs (Schritt D)

Aus den mit Wirkstoff befüllten Mikropartikeln 10 (1) können die Wirkstoffe gegebenenfalls kontrolliert freigesetzt werden. Die Freisetzung kann dabei sowohl verzögert als auch getriggert auf ein Signal hin erfolgen. Eine derartige Triggerung kann beispielsweise durch

a) Trocknung der Partikel
b) zunehmende Konzentration an (organischem Lösungsmittel), welches den Wirkstoff gut löst
c) Tenside, die den Wirkstoff solubilisieren
d) pH-Änderungen
e) mechanischen Streß
f) erhöhte Temperatur
g) und eine Kombination der vorhergehenden Faktoren

erreicht werden.

Die Freisetzungsrate kann durch verschiedene Parameter variiert werden, wie z.B.:

1. Bindungskonstante (Hydrophobizität) zur Partikeloberfläche
2. Dicke der LbL Kapselwand
3. Kapselwandmaterial
4. Vernetzung des Wandmaterials

1. hydrophober Farbstoff Perylen:
12,5 mg vom Modellfarbstoff Perylen wurden in 6 ml Chloroform gelöst. Dazu wurde eine Suspension von 100 mg sphärische, poröse Silikatemplate (Durchmesser 5 μm, Porengröße 6 nm) in 1 mL Chloroform gegeben. Die Oberfläche der Template ist mit C18 Alkylketten hydrophob modifiziert (RP 18, Chromatographie Material). Das Lösungsmittel wurde bei 40°C im Trockenschrank unter Rühren verdampft. Das zurück bleibende Pulver wurde mit Hilfe von 1 % Natriumdodecylsulfat (SDS) in Wasser resuspendiert. Die 2a zeigt eine konfokale Aufnahme der mit Perylen befüllten Partikel, die trotz des SDS in noch sehr aggregierter Form vorliegen. Neben der Fluoreszenz des Perylens in den Partikeln sind auch wenige größere (und hellere) Kristalle des reinen Farbstoffes zu erkennen, die bei Verwendung geringerer Befüllmengen nicht mehr auftreten. Die SDS Lösung wurde abzentrifugiert und die Partikel mit 500 μL einer Lösung von 1 g/l mit Cy5 gelabeltem Poly(allylaminhydrochlorid) (PAH-Cy5, MW 70 000 g/mol), pH 6,5 und 0,5 M NaCl für 20 min bei kurzzeitiger Anwendung von Ultraschall inkubiert. Nach dreimaligem Waschen der Partikel mit Wasser werden 500 μl einer Lösung von 1 g/l Poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS, MW 70 000 g/mol) in 0,5 M NaCl mit pH 6,1 zugegeben. Die Suspension wurde 20 min bei kurzzeitiger Anwendung von Ultraschall inkubiert und der Überstand durch dreimaliges Waschen mit Wasser entfernt. Nach diesen 2 LbL Schichten trat noch vereinzelt Aggregation auf (2b). Die folgende Beschichtung reduzierte die Aggregationsneigung immer weiter, bis ab der 6. Schicht alle Partikel einzeln separiert in Wasser vorlagen (2c). In der Vergrößerung ist deutlich das grün fluoreszierende hydrophobe Perylen im Inneren zu erkennen (2d). Die langwellig (hier blau dargestellt) fluoreszierende, Cy5 gelabelte, hydrophile Kapselwand (2e) bildet um das Partikel eine geschlossene Schicht und dringt nicht in das hydrophobe Innere ein.
Eine Analyse der erhaltenen Partikel ergab im Inneren eine Konzentration von 8,5 mg Perylen pro 100 mg Partikel (2d). Die Konzentration des Perylens im Inneren der Partikel wurde mit der konfokalen Mikroskopie anhand von Vergleichslösungen über die Fluoreszenz bestimmt. Dabei kann die hohe Konzentration an Farbstoff im Inneren der Kapseln zu Self-Quenching führen, was eine geringere Konzentration vortäuscht.
2. hydrophober Wirkstoff Imidacloprid:
25 mg des etwas wasserlöslichen Wirkstoffes Imidacloprid wurden in 3 mL Aceton gelöst und 100 mg sphärische, poröse Silikatemplate (Durchmesser 5 μm, Porengröße 6 nm) zugegeben. Nach 30 min Inkubieren wurde schrittweise Wasser zugeben, bis die Lösung die Sättigung an Imidacloprid erreicht, ersichtlich an einer weiteren starken Eintrübung. Der Überstand wurde abzentrifugiert und die Partikel mit 1 % SDS Lösung suspendiert. Dabei wurden hier und bei allen folgenden Wasch- und Beschichtungslösungen Imidacloprid gesättigte Lösungen verwendet, um ein Herauslösen aus den Partikeln zu verhindern. Nach der Beschichtung mit PSS und PAH (analog zu Beispiel 1) wurden separate, mit 15 % m/m (Masse Imidacloprid/Masse Partikel) gefüllte Teilchen erhalten (3). Die Menge an Imidacloprid wurde durch Freisetzung des Wirkstoffes in einem großen Überschuß in Methanol mit anschließender UV/Vis spektroskopischer Analyse des Überstandes ermittelt.
3. Parfümöl (Orangenöl und Pfefferminzöl)
50 mg Pfefferminzöl wurden in 1 ml Aceton gelöst. Dazu wurde eine Suspension von 200 mg sphärische, poröse Silikatemplate gegeben (Durchmesser 5 μm, Porengröße 6 nm, hydrophobe C18 Modifizierung), die in 2 mL Aceton suspendiert wurden. Das Lösungsmittel wurde bei 20°C unter Rühren verdunstet. Das zurück bleibende Pulver wurde mit Hilfe von 1 % Natriumdodecylsulfat (SDS) in 2,5 mL Wasser unter Ultraschall resuspendiert. Die SDS Lösung wurde abzentrifugiert und die Partikel mit 2,5 mL einer Lösung von 1 g/l PSS bei pH 5,6 und 0,5 M NaCl für 20 min bei kurzzeitiger Anwendung von Ultraschall inkubiert. Nach dreimaligem Waschen der Partikel mit Wasser sind die Partikel wieder deutlich aggregiert (4a). Die Beschichtung mit weiteren 4 Schichten PAH und PSS ergab gut separierte Partikel in Wasser (4b). Auch nach mehrwöchiger Lagerung lassen sie sich mühelos wieder aufschütteln. Zweistündige Inkubation der Partikel in Methanol ergab eine freigesetzte Menge an Pfefferminzöl von 22 % pro Partikel. Diese Menge wurde nach Abzentrifugation der Partikel UV-spektroskopisch bei 230 nm im Überstand bestimmt. Das Orangenöl wurde identisch verkapselt und ergab eine freigesetzte Menge von 19,2 %.
Während die Freisetzung in Methanol quantitativ erfolgt, wird in Wasser nahezu kein Parfümöl aus den Partikeln herausgewaschen, d.h. die Suspensionen sind fast geruchlos. Jedoch kann eine für z.B. kosmetische oder Textilanwendungen wichtige, getriggerte Freisetzung erreicht werden, indem die Partikel getrocknet oder erhitzt oder mechanisch zerstört werden. Dazu wurde eine Suspension von positiv geladenen Pfefferminzpartikeln auf Baumwolle gegeben, die gut an der negativ geladenen Textiloberfläche haften. Solange das Material feucht ist, sind die Proben fast geruchlos. Nach dem Trocknen verstärkt sich der Geruch und bleibt über einen langen Zeitraum konstant. Wird der Stoff gerieben oder erwärmt (2 min 70°C) riechen die Proben intensiver, wobei der Geruch mit der Zeit wieder abklingt. Die Analyse der Gerüche erfolgte von 4 Testpersonen unabhängig.
4. Lichtabsorber OMC/nicht sphärische Partikel
Das in der Kosmetik als UV A-Absorber verwendete hydrophobe Octyl-Methoxy-Cinnamat Öl (OMC) wurde in nichtsphärischen Silikatpartikeln verkapselt. 380 mg OMC wurden in 5 ml Aceton gelöst. Dazu wurde eine Suspension von 1,5 g gebrochene, poröse Silikatemplate gegeben (Größe etwa 5 μm, Porengröße 10 nm, hydrophobe C18 Modifizierung), die in 2 mL Aceton suspendiert wurden. Derartige Partikel sind deutlich preiswerter als sphärische Partikel, haben jedoch den Nachteil, dass sie wegen der größeren Kontaktflächen stärker aggregieren als die sphärische Alternative. Das Lösungsmittel wurde bei 20°C unter Rühren verdunstet. Das zurück bleibende Pulver wurde mit Hilfe von 1 % Natriumdodecylsulfat (SDS) in 2,5 mL Wasser unter Ultraschall resuspendiert. Die SDS Lösung wurde abzentrifugiert und die Partikel mit 2,5 mL einer Lösung von 1 g/l Natriumalginat bei pH 5,6 und 0,5 M NaCl für 20 min bei kurzzeitiger Anwendung von Ultraschall inkubiert. Die Beschichtung mit weiteren 5 (außen positiv) und 6 Schichten (außen negativ) PAH und PSS ergab für beide Ladungen gut separierte Partikel in Wasser (5a, b). Eine 2 stündige Inkubation der Partikel in Methanol ergab eine freigesetzte Menge an OMC von 22 % pro Partikel. Diese Menge wurde nach Abzentrifugation der Partikel UV-spektroskopisch bei 310 nm im Überstand bestimmt.
Die Freisetzung in Wasser findet wegen der Unlöslichkeit des OMC nicht statt. Gibt man die wässrige Suspension dagegen in Methanol, so wird das OMC innerhalb von Sekunden (getriggert) freigesetzt. Es ist gut bekannt, dass LbL Schichten in nichtwässrigen Lösungsmitteln durch Strukturänderungen ihre Permeabilität stark erhöhen.^[2] Sinkende Konzentration von Methanol in Wasser führt zu einer zunehmend langsameren und unvollständigen Freisetzung (abhängig vom Nernstschen Verteilungskoeffizienten zwischen der Partikel- und der Lösungsphase) des Öls.

2: poröses Templat
4: Wirkstoff
5: mit Wirkstoff befülltes Templat
6: Grundierungsschicht
8: Schichten der Kapselhülle
9: Kapselhülle
10: gefüllte, hydrophile Partikel

Literatur

[1] E. Donath, G. B. Sukhorukov, F. Caruso, S. A. Davis, H. Möhwald, Angewandte Chemie-International Edition 1998, 37, 2202–2205.
[2] B.-S- Kim, O. Lebedeva, O.I. Vinogradova et.al. Macromolecules 2005, 38, 5214–5222

Claims

Verfahren zur Herstellung von wirkstoffbeladenen Partikeln mit folgenden Schritten: – poröse Template mit hydrophober innerer und äußerer Oberfläche werden bereitgestellt, wobei es sich bei den porösen Templaten um poröse Mikropartikel mit einem Durchmesser kleiner als 100 μm handelt; – zumindest ein zu verkapselnder hydrophober Wirkstoff wird in den Templaten adsorbiert; – die Template mit dem darin absorbierten Wirkstoff werden in einem wässrigen Medium suspendiert; und – eine hydrophile LbL-Kapselhülle wird um die porösen Template durch Aufbringen von alternierend geladenen Polyelektrolyt- und/oder Nanopartikelschichten gebildet, so dass eine stabile Suspension von monodispersen Partikeln im wässrigen Medium gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den porösen Templaten um poröse synthetische und/oder natürlich vorkommende anorganische hydrophile Mikropartikel handelt; und dass die innere und äußere Oberfläche der hydrophilen Mikropartikel hydrophobiert wird, so dass Template mit hydrophober äußerer und innerer Oberfläche erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zu hydrophobisierenden hydrophilen Mikropartikeln um Silikate oder Alumosilikate handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Templaten um poröse hydrophobe organische Mikropartikel handelt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verkapselnde hydrophobe Wirkstoff flüssig oder fest ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Suspension in dem wässrigen Medium die beladenen Template unter der Zuhilfenahme eines oder mehrerer Zusatzstoffe suspendiert werden, wobei der oder die Zusatzstoffe die Template im wässrigen Medium durch Adsorption an der Oberfläche stabilisieren.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Suspendierung der hydrophoben Template mit dem darin absorbierten Wirkstoff ein zum Zusatzstoff gleichgeladener Grundierungspolyelektrolyt zum wässrigen Medium gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Zugabe des Grundierungspolyelektrolyten die Kapselhülle beginnend mit einem zum Grundierungspolyelektrolyten entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyt und/oder Nanopartikel auf die Template aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Zusatzstoff um ein amphiphiles Polymer handelt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der LbL-Kapselhülle mit selektiv bindenden Liganden versehen wird.
Partikel mit – einem Durchmesser kleiner als 100 μm; – einem porösen Kern mit einer hydrophoben inneren und äußeren Oberfläche, wobei in den Poren des porösen Kerns zumindest ein hydrophober Wirkstoff adsorbiert ist; und – einer hydrophilen Kapselhülle um den porösen Kern aus mehreren Schichten alternierend geladener Polyelektrolyt- und/oder Nanopartikelschichten.
Partikel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Kern aus hydrophoben organischen Materialien aufgebaut ist.
Partikel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Kern aus einem hydrophilen Material mit hydrophobierter Oberfläche besteht.
Partikel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Kern aus Silikaten oder Alumosilikaten besteht.
Partikel nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren des porösen Kerns eine Porenweite von 0,3 nm–100 nm, bevorzugt von 1 nm–30 nm aufweisen.
Verwendung der Partikel nach einem der Ansprüche 11 bis 15 und/oder der nach einem der Ansprüche 1 bis 10 gewonnenen Partikel zum Verkapseln von Ölen und hydrophoben pharmazeutischen und kosmetischen Wirkstoffen.