Etablierung und Charakterisierung eines kontinuierlichen Herstellungsverfahrens von Liposomen aus Nanoemulsionen
Creators: name: Sommerling, Jan-Hendrik
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Emulsionsstabilität
Kolloid
Phasengrenze
Transfer
NMR
DLS
Zentrifugation

description: Die vorliegende Arbeit behandelt ein spezielles Herstellungsverfahren zur Erzeugung funktionaler Lipidkapseln, sogenannten Liposomen, aus Nanoemulsionen und der Entwicklung der entsprechend benötigten Analytik. Eine Wasser-in-Öl (WO) Nanoemulsion, die den Wirkstoff in den wässrigen Tropfen enthält, wird als Zwischenprodukt genutzt. Die beladenen Tropfen werden mithilfe einer Zentrifugation in eine zweite wässrige kontinuierliche Phase transferiert, wodurch Liposomen erzeugt werden. Aus dem Ziel einer pharmazeutischen Verwendung ergeben sich komplexe Anforderungen an den Prozess. Die Tropfengröße der Emulsion und der resultierenden Liposomen sollte bei etwa 200 nm liegen, mit einer obligatorischen Verwendung von Phospholipiden als Emulgator. Die Arbeit konzentriert sich auf drei Bereiche: erstens die Stabilisierung von WO Nanoemulsionen, zweitens die Nutzung von NMR zur Charakterisierung des Stoffsystems und drittens der Untersuchung des Transfers von Kolloiden zwischen zwei Flüssigphasen.

Über eine Analyse der Emulsionsstabilität konnte gezeigt werden, dass Phospholipide in WO Nanoemulsionen einer stetigen Instabilität unterliegen und es gelang den zugrundeliegenden Mechanismus zu identifizieren. Die Instabilität folgt einem bestimmten Muster, bei dem sich Tropfen zunächst durch Koaleszenz vereinigen bis die Grenzfläche ausreichend reduziert wird, um vom Emulgator belegt zu werden. Im Folgenden kommt es zu Ostwaldreifung, die insbesondere durch die Anwesenheit von Lipidmizellen vermittelt wird. Eine erhöhte Konzentration an Emulgator führt dabei nicht zu einer besseren Stabilität, da dieser aggregiert. Ausreichende Tropfengrößen und Stabilität sind daher nur unterhalb der kritischen Aggregationskonzentration zu erreichen. Mit einem angepassten Ultraschallverfahren konnten Tropfengrößen von 300 nm und eine ausreichende Stabilität für den Transfer erreicht werden.

Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und –diffusometrie ermöglicht die selektive Analyse einzelner Molekülspezies und deren Diffusion in einer Emulsion oder in Liposomen. Aus der Diffusion lässt sich die Tropfengrößenverteilung ableiten. Es wurden zwei Verfahren zur Auswertung von komplexen Tropfengrößenverteilungen verglichen sowie deren Validität und Voraussetzungen bewertet. Für die Analyse von Nanoemulsionen konnte das bestehende Modell erweitert werden, sodass nun Tropfengrößen im Bereich unterhalb eines Mikrometers zugänglich sind. Weiterhin bietet die NMR die Perspektive die Einkapselung von Wirkstoff, das Verhalten des Emulgators und einen möglichen Austausch zwischen den Tropfen oder Phasen zu verfolgen.

Der Transfer kolloidaler Partikel durch eine flüssig-flüssig Phasengrenze, als Vereinfachung der instabileren Tropfen, wurde mit Modellpartikeln theoretisch und experimentell beschrieben. Die Bilanzierung der wirkenden Kräfte zeigt die benötigte Arbeit für den Transfer, die durch die Zentrifugation aufgebracht werden muss. Der Ansatz konnte experimentell validiert werden und spezifiziert die Abhängigkeit von der Partikelgröße, den Materialeigenschaften und den experimentellen Parametern wie der Zentrifugationsgeschwindigkeit. Der Transfer wird für kleine Partikel zunehmend anspruchsvoller, da im Bereich von mehreren hundert Nanometern die Grenzflächenkräfte dominieren. Nanopartikel neigen zur Agglomeration an der Grenzfläche und können nur mit einem Mindestaufwand wie gewünscht als Einzelkorn transferiert werden.

Insgesamt wurde das Herstellungsverfahren für Liposomen umfassender untersucht, als es der bisherige Stand der Technik war. Als Voraussetzung für das Verfahren wurden die Emulsionen optimiert, mit der NMR eine leistungsfähige Analytik etabliert und der Transfer mit den eingehenden Faktoren analysiert. Die aufgezeigten Limitierungen bilden die Basis für zukünftige Verbesserungen des Konzepts.