Bulk- and Surface-Erodable Polymers: Effects of Polymer Structure on Physico-Chemical and Biological Properties

In dieser Dissertation wurden Abbau und Biokompatibilität bioabbaubarer Polymere untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt wurde dabei auf die Aufstellung von Struktur-Funktionsbeziehungen gelegt. Eine Weiterentwicklung der Idee, Copolymere in der Arzneistoffverabreichung zu verwenden, stellen kammartig verzweigte Polyester bestehend aus hydrophilen, aminmodifizierten PVA Rückgraten und kurzen, hydrophoben PLGA Seitenketten dar. Ein großer Vorteil dieser kammartigen Polyester besteht in deren vielfältiger, struktureller Modifizierbarkeit. Im Rahmen von in vitro Studien konnten Struktur-Funktionsbeziehungen hinsichtlich der Zelltoxizität einer Matrix von aminmodifizierten PVA Rückgraten sowie Amin-PVA-g-PLGA Polymeren aufgestellt werden. Die Einflüsse von Amintyp und -substitutionsgrad sowie des Molekulargewichtes auf die Toxizität wurden in zellbasierten Assays untersucht, wobei eine molekulargewichts- und dosisabhängige Wirkung gezeigt wurde. Als weniger bedeutend für die Toxizität stellte sich die Wahl der Aminfunktion heraus: DEAEA- und DMAPA-modifizierte Polymere waren etwas toxischer, als DEAPA-modifizierte Varianten. Mittels differentialdiagnostischer Tests wurde nachgewiesen, dass die zelltoxische Wirkung zu einem nekrotischen (und nicht apoptotischen) Zelluntergang führt. Diese Beobachtung lässt sich sehr wahrscheinlich durch eine Interaktion der positiv geladenen Polymere mit der negativ geladenen Zellmembran erklären. Der Ansatz, die Zellkompatibilität der aminmodifizierten PVA Rückgrate durch bioabbaubare PLGA Seitenketten zu verbessern, war erfolgreich. Die verminderte Ladungsdichte und der Abschirmeffekt der positiven Ladungen durch die PLGA Seitenketten führte zu einer deutlichen Reduktion der Zelltoxizität. Weiterhin wurde der Einfluss der Polymerzusammensetzung auf das in vitro Abbauverhalten systematisch untersucht. Im ersten Schritt wurden von 19 Polymeren Filme hergestellt. Der Gewichtsverlust durch Abbau bei 37°C in Phosphatpuffer (pH 7,4) für bis zu 21 Tage wurde bestimmt. In einer zweiten Studie wurden dann drei ausgewählte Polymere unter vergleichbaren Bedingungen untersucht. Zusätzlich wurden der Einfluss des pH-Wertes (pH 2 und 9), das Quellungsvermögen und die Molekulargewichtsabnahme während des Abbaus betrachtet. Entsprechend der Arbeitshypothese zeigte sich, dass der Abbau dieser Polymerklasse über den Aminsubstitutionsgrad beeinflussbar ist, wobei höhere Substitutionsgrade den Abbau beschleunigten. Eine weitere Möglichkeit, die Abbaurate zu beeinflussen, war die Wahl der Aminfunktionalität. DEAPA-modifizierte Polyester zeigten einen vergleichbar schnellen oder geringfügig schnelleren Abbau, als DMAPA-modifizierte Polyester. Letztere wiesen im Vergleich zu DEAEA-modifizierten Polyestern eine erhöhte Abbaurate auf. Eine dritte Option, die Abbaugeschwindigkeit zu kontrollieren, war die PLGA Seitenkettenlänge. Kürzere Seitenketten führten zu einer deutlichen Abbaubeschleunigung. Im Vergleich zu linearen PLGA Polymeren konnten durch die strukturellen Variationen insgesamt deutlich kürzere Abbauzeiten erreicht werden. Zudem war durch die entsprechende Auswahl von Amintyp und -substitutionsgrad, sowie die PLGA Seitenkettenlänge eine Einstellung der Abbauzeit von 5 Tagen bis zu 4 Wochen möglich. Darüber hinaus konnte das Abbauprofil von einem überwiegenden Massenabbau zu einem vorwiegenden Oberflächenabbau verschoben werden. Durch das Baukastenprinizip der aminmodifizierten PVA-g-PLGA Polymere lassen sich Abbaurate, Abbauprofil, Ladungsdichte und Zellkompatibilität schon während der Synthese vorausbestimmen. Aus diesem Grund stellen die untersuchten Kamm-Copolymere eine vielversprechende Basis für die Entwicklung kontrollierte Freigabesysteme für bioaktive Materialien und Gene dar. Neben den PLGA-basierten Polymeren, die durch hydrolytische Esterspaltung abgebaut werden, gibt es auch Polymere, deren „Bioabbau“ durch andere Mechanismen erfolgt. Hierzu zählen enzymatische oder allgemein biokatalytische Abbauwege. Für Poly(ethylen carbonat) (PEC) konnte ein durch Superoxidaninonen hervorgerufener Oberflächenabbaumechanismus gezeigt werden. Diese aktiven Sauerstoffspezies werden in vivo von anhaftenden, polymorphonuklearen Leukozyten und Makrophagen freigesetzt. Im Rahmen einer in vitro Machbarkeitsstudie zur Verwendung von PEC als Überzugsmaterial für wirkstofffreisetzende Stents wurde festgestellt, dass PEC ein amorphes Material ist und sich im Zugfestigkeitstest um mehr als 600% elastisch dehnen lässt, ohne zu reißen. Aufgrund dieser Flexibilität war es möglich, einen chirurgischen Metallstent mit PEC zu überziehen, der sich dann manuell aufdehnen ließ, ohne dass Beschädigungen am Überzug sichtbar wurden. Zudem konnte eine sehr gute Zellkompatibilität für das Material in vitro gezeigt werden. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde ein neues Stent-Design vorgeschlagen, indem ein Metallstent zunächst mit einer nicht-bioabbaubaren PPX-N Grundschicht überzogen wurde. In einem zweiten Schritt wurde dann mittels einer Sprühpistole eine PEC Schicht als bioabbaubarer Wirkstoffträger aufgetragen. Die Wirkstofffreisetzung aus solchen Systemen wurde an Metallplättchen definierter Größe und Oberfläche aus Chirurgenstahl in vitro untersucht, die entsprechend den entworfenen Stents beschichtet wurden, wobei der PEC Schicht radioaktiv markiertes Paclitaxel als Modellarzneistoff zugesetzt wurde. Als superoxidaninonen-freisetzendes Abbaumedium wurde eine alkalische KO2-Lösung eingesetzt. Innerhalb von 12 Stunden wurde das gesamte Paclitaxel freigesetzt, während im Kontrollpuffer, der keine Superoxidanionenquelle enthielt, nur 20% des Wirkstoffes innnerhalb von 3 Wochen freigesetzt wurden. Diese abbaugesteuerte, kontrollierte Wirkstofffreigabe unterstützt die Idee eines „nur bei Bedarf“ wirkstofffreisetzenden Stents, also dann, wenn tatsächlich eine entzündliche Gewebsreaktion mit dem Risiko einer Restenose abläuft.