title: Polyelektrolyt Mikrokapseln zum kontrollierten Freisetzen von Wirkstoffen und Sensor-Anwendungen in Zellen
title: Polyelectrolyte Microcapsules for controlled cargo-release and sensing applications in living cells
Creators: name: Ochs, Markus
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Mikrokapseln , Freisetzung
Drug-Delivery
Heizen
Biophysik
Nanotechnologie , Mikroverkapselung
Heating
Wirkstoff
Microcapsules , Release
Zellulartherapie
Physik
Polyelectrolytes
Polyelektrolyte
Freisetzung

description: Inhalt dieser mehrschichtigen
      Arbeit ist es, multifunktionale Mikrokapseln aus polymeren
      Materialien für biologische und biomedizinische Anwendungen
      zu präparieren. Die Herstellung solcher Kapseln basiert auf
      der schichtweisen Adsorption von entgegengesetzt geladenen
      Polymeren, sog. Polyelektrolyten, auf geladen Oberflächen
      (Layer-by-Layer assembly). Als sphärische Basis für die
      Kapselherstellung wurden poröse Kalciumcarbonat-Partikel
      verwendet. Wegen der vorhandenen Oberflächenladung dieser,
      wenige Mikrometer großen Partikel, haften neben den geladenen
      Polymeren auch weitere geladene Moleküle wie Farbstoffe,
      Proteine oder auch hydrophile Nanopartikel an der Oberfläche.
      Diese zusätzlich eingebauten Materialien verleihen der
      Polymerhülle weitere Eigenschaften wie Fluoreszenz,
      paramagnetisches Verhalten oder das Vermögen, Licht Energie
      in Hitze umzuwandeln. Diese Funktionalisierungen spielten für
      die Realisierung der angestrebten Anwendungsbereiche eine
      entscheidende Rolle. Neben der Funktionalisierung der Hülle
      spielt bei der vorliegenden Arbeit auch das Füllen der
      Kapseln eine entscheidende Rolle. Die Kavitäten wurden mit
      verschiedensten Materialien angereichert. Hierzu wurden
      insgesamt drei Füllmechanismen herangezogen und auf die
      Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst. So können
      die Kapseln schon bei der Herstellung der Kerne durch
      Ausfällen der einzukapselnden Moleküle gefüllt werden.
      Weiterhin können „leere“ Kapseln erzeugt und nach ihrer
      Fertigstellung via Schrumpfverfahren mit dem Gewünschten
      Cargo angereichert werden. Als letzte, und relativ neue
      Methode wurde ein Imprägnierverfahren angewandt, welches
      durch Anhaften oder Einfangen der Füllstoffe an amphiphilen
      Polymer-Mizellen realisiert wird. Hierbei können in die
      Kavität eingebaute Mizellen sowohl kleine hydrophile als auch
      hydrophobe Moleküle einlagern und später gezielt freisetzen.
      Nach der Charakterisierung der hergestellten Materialien
      mittels Spektroskopischer, Licht- und
      Elektronenmikroskopischer Analyse wurden die Kapseln gezielt
      auf die vorgesehenen Anwendungen getestet. Hierbei wurde ein
      besonderer Schwerpunkt auf die intrazelluläre Freisetzung der
      Füllstoffe gelegt. Mit zahlreichen Experimenten wurde die
      Freigabe der Cargo- Moleküle nachgewiesen. Zudem wurden mit
      den freigegebenen Materialien Reaktionen in den Zellen
      ausgelöst. Reaktive Substanzen, welche getrennt eingekapselt
      wurden konnten erfolgreich intrazellulär freigesetzt und die
      Reaktion miteinander nachgewiesen werden. Desweiteren konnten
      Nukleinsäureketten (sog. mRNS) erfolgreich eingekapselt,
      gezielt freigesetzt und die biologische Produktion der
      kodierten Proteine demonstriert werden. Ein weiterer Punkt
      der Untersuchung betrachtete die Möglichkeit, Kapseln zu
      lenken oder zu platzieren. Mit Hilfe einer Flusskammer wurde
      der Blutstrom in lebenden Organismen simuliert und mit Hilfe
      von Magnetfeldern konnten die Kapseln gezielt auf einer
      Zellschicht abgelagert werden. Hierdurch konnten ebenso
      großflächige Bereiche belegt, als auch Strukturen in
      Mikrometer Skala erzeugt werden. Neben der Freisetzung von
      Materialien und gelenkten Deponierung von Kapseln untersucht
      die vorliegende Arbeit aber auch die mögliche Nutzung von
      Mikrokapseln als Sensoren für die Zusammensetzung der
      Umgebung. Diese Sensoreigenschaften wurden auf Basis von
      ionenselektiven Fluoreszenzfarbstoffen im extrazellulären,
      als auch im intrazellulären Raum getestet. Zusammenfassend
      stellen die hier vorgestellten polymeren Mikrokapseln einen
      fortschrittlichen und vielfältig anwendbaren Ansatz im
      Hinblick auf bio-medizinische Anforderungen zur
      Wirkstoffübermittlung und Sensorik dar.
description: Topic of the presented work is the
      preparation of multifunctional polymer microcapsules for
      biological and biomedical applications. The fabrication of
      such capsules is based on the layered adsorption of
      oppositely charged polymers, the so-called polyelectrolytes,
      onto charged templates (layer-by-layer assembly). As
      spherical base for the capsules porous calcium carbonate
      particles have been used. In addition to molecules that were
      encapsulated into the final polymer capsules further
      properties such as fluorescence, paramagnetic behavior or the
      ability to convert light energy into heat were embedded into
      the polymer shell by implementing nanoparticles. These
      functional groups were crucial for the realization of the
      experimental demands on the microsystems. In addition to the
      functionalization of the shell an efficient filling of the
      capsules with a multitude of different molecules was one of
      the major developments. Besides a coprecipitation method
      (pre-filling of the templates), a post-loading technique as
      well as the enrichment of the capsules with amphiphilic
      polymer micelles were used for loading the capsules. This
      last approach even allowed for filling both, hydrophilic and
      hydrophobic molecules into the the polymer microcapsules. The
      prepared materials were observed via absorbance or
      fluorescence spectroscopy or electron- and optical
      microscopy, the capsules were tested specifically for their
      intended applications. Here, special emphasis was placed on
      the intracellular release of the encaged cargo materials.
      Numerous experiments were performed to test the release of
      the cargo molecules within living cells. The efficient
      release via external laser-triggered heating was proven and
      improved by variation of gold-nanoparticle concentration
      attached to the polymer shells. In addition, the released
      content distributed into the cells, was observed to react
      after its liberation. Reactive substances, which have been
      separately encapsulated could successfully be released
      intracellularly and the occurring reactions were detected.
      Furthermore, nucleic acid chains (mRNA) could be encapsulated
      and successfully be released within cells. The cellular
      production of the RNA-encoded proteins was demonstrated.
      Another aim of the study was the targeted delivery of
      capsules to a desired place. In a flow chaannel, the flow of
      blood in living organisms was simulated. Capsules modified
      with ironoxide nanoparticles could be deposited selectively
      on a cell layer with the help of magnetic field gradients.
      This enabled for deposition of capsules on a large scale area
      as well as on on small, sub-millimeter patterns. Additionally
      to the release of materials and controlled deposition of
      capsules, the presented work is also studying the possible
      use of microcapsules as sensors for the composition of the
      environmental solution. These sensor properties were tested
      on the basis of ion-selective fluorescent dyes in the
      extracellular as well as in the intracellular space. In
      summary, the presented polymer microcapsules were proven as
      an advanced and versatile approach towards bio-medical
      requirements for drug delivery and sensing
      applications.