2009 Philipps-Universität Marburg Mikroverkapselung 2011-08-10 https://doi.org/10.17192/z2009.0123 ths Prof. Dr. Kissel Thomas Kissel, Thomas (Prof. Dr.) doctoralThesis Natural sciences + mathematics Naturwissenschaften Ionische Flüssigkeiten Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie monograph English 165 application/pdf Neue Techniken für die Verkapselung von Proteinen in bioabbaubaren polymeren Hilfsmitteln für deren kontrollierte Freigabe Drug delivery urn:nbn:de:hebis:04-z2009-01230 2009-06-30 Elektrospinnen Cytochrome C Fachbereich Pharmazie Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg This thesis describes two novel technologies for the encapsulation of proteins in biodegradable polymers. Protein loaded nanofiber nonwovens and microparticles were manufactured and characterized regarding their suitability as drug delivery devices. Chapter 1 gave a detailed overview on the current status of electrospinning as a technique for the generation of nanofibrous scaffolds. Several biodegradable polymers (Poly(L-lactide) (PLLA) Resomer L210, poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) Resomer RG858 and Poly(ethylene carbonate) (PEC)) were investigated in Chapter 2 for their application in electrospinning of emulsions. Suitable process parameters were determined for all polymers to generate protein loaded nanofiber nonwovens (NNs). The resulting NNs were examined regarding their morphology and regarding their protein release profile. PLLA NNs released the protein very slowly and in a controlled manner. PLLA NNs exhibited the most promising characteristics and hence were chosen for further studies. In Chapter 3 protein loaded PLLA NNs were electrospun from differently concentrated solutions. The NNs featured a superhydrophobic surface and it was demonstrated, that the wettability of these scaffolds was the major factor influencing the protein release. Although TEM images showed that the major part of the protein was most likely located between the fibers and not encapsulated inside the fibers, the protein was released very slowly from the PLLA NNs. Only 20 – 30% of the protein was released within one month. The addition of hydrophilic polymers like poly(ethylene imine) (PEI) or poly(L-lysine) (PLL) to the aqueous phase of the electrospinning emulsion yielded NNs composed of polymer blends of PLLA and the respective hydrophilic polymer. It was demonstrated that the amount of added hydrophilic polymer had a significant effect on the release profile. A higher amount of hydrophilic polymer led to a faster release of the protein and gave us the opportunity to tailor the release profile of these NNs. Compositions of 5 or 10% PLL or PEI and 95 or 90% PLLA respectively, showed the most promising release profiles. Further screening of compositions ranging from 1 to 10% of hydrophilic polymers should be investigated to find the most appropriate release pattern. Whether NNs electrospun from emulsions are suitable scaffolds for their application in tissue engineering was determined in Chapter 4. The prepared NNs met all requirements for a tissue engineering scaffold: Mean fiber diameters of the scaffolds were very similar to fibrous protein structures of the extracellular matrix (ECM), meaning these scaffolds could physically resemble the ECM. Cell adhesion, cell proliferation and cell spreading on all NNs were at least as good as on a glass surface. For a composition of 5% PLL and 95% PLLA these values were even significantly higher. NNs took up water and swelled in the cell medium. The extent of swelling depended on the amount of hydrophilic polymer with a higher fraction leading to increased swelling. Cells still adhered to the fibers and were able to proliferate in all three dimensions. There were no significant differences in cell viability for cells grown on NNs compared to the cell viability on a glass surface. These results strongly suggest a huge potential of these nanofiber nonwovens for their application in tissue engineering. Chapter 5 gave an overview on microencapsulation focusing on phase separation and coacervation techniques. The development of these techniques and its application in the pharmaceutical industry were elucidated. The development of a new microencapsulation technique which utilizes an ionic liquid as one common solvent for a biodegradable polymer and a hydrophilic macromolecule was presented in Chapter 6. Some of the tested ionic liquids were good solvents for biodegradable polymers, but none of them was able to dissolve hydrophilic macromolecules. Even though there was no suitable ionic liquid among the tested compounds, the probability of finding a suitable ionic liquid is very high, since there are almost countless possibilities for the synthesis of different ionic liquids. Nevertheless the feasibility of encapsulating BSA via an emulsion based phase separation technique was demonstrated. Generally, it can be stated that the presented novel techniques for the encapsulation of proteins in biodegradable polymers demonstrated their huge potential for the preparation of drug delivery devices. Protein loaded nanofiber nonwovens exhibited very promising properties for their use as tissue engineering scaffolds and will definitely find application in this field. Screening the huge library of ionic liquids to find a compound with suitable solvent properties will be a difficult task, but the discovery of an appropriate ionic liquid will be a powerful tool for the encapsulation of proteins in microparticles Maretschek, Sascha Maretschek Sascha Kontrollierte Freisetzung Ionic liquids Biologisch abbaubarer Kunststoff Biodegradable polymers https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2009/0123/cover.png Microparticles Novel techniques for the incorporation of proteins in biodegradable polymeric drug delivery devices for their controlled release ppn:21366271X Nanofiber nonwovens Diese Doktorarbeit beschreibt zwei neuartige Technologien für die Verkapselung von Proteinen in bioabbaubaren Polymeren. Nanofasermatten und Mikropartikel, die mit Proteinen beladen waren, wurden hergestellt und auf ihre Anwendbarkeit als Systeme für kontrollierte Wirkstofffreigabe getestet. Kapitel 1 gibt einen detaillierten Überblick über das Elektrospinnen zur Herstellung von Nanofasermatten. Mehrere bioabbaubare Polymere (Polymilchsäure (PLLA) Resomer L210, Polylaktid-co-glykolid (PLGA) Resomer RG858 und Polyethylencarbonat (PEC)) werden in Kapitel 2 auf ihre Anwendbarkeit für das Elektrospinnen von Emulsionen untersucht. Geeignete Prozessparameter wurden für alle Polymere ermittelt, um mit Protein beladene Nanofasermatten (NNs) herzustellen. Die erhaltenen NNs wurden bezüglich ihrer Morphologie und ihres Protein Freisetzungsprofils charakterisiert. PLLA NNs gaben das Protein sehr langsam und gleichmäßig ab. PLLA NNs zeigten die verheißungsvollsten Eigenschaften und wurden daher für weitergehende Versuche ausgewählt. In Kapitel 3 wurden mit Protein beladene NNs aus unterschiedlich konzentrierten Polymerlösungen electrogesponnen. Die NNs hatten eine superhydrophobe Oberfläche und es konnte gezeigt werden, dass die geringe Benetzbarkeit dieser Fasermatten den größten Einfluss auf die Proteinfreisetzung hat. Obwohl TEM Bilder gezeigt hatten, dass ein großer Teil des Proteins wahrscheinlich zwischen den Fasern vorliegt und nicht in ihnen verkapselt ist, wurde das Protein nur sehr langsam aus den NNs freigesetzt. Die Zugabe von hydrophilen Polymeren zur wässrigen Phase der Electrospinningemulsion ergab NNs die aus einer Polymermischung von PLLA und dem jeweiligen hydrophilen Polymer bestanden. Es konnte gezeigt werden, dass die Menge an zugegebenem hydrophilem Polymer einen signifikanten Einfluss auf das Freisetzungsprofil hat. Ein größerer Anteil an hydrophilem Polymer führte zu einer schnelleren Freisetzung des Proteins und ermöglichte dadurch, das Freisetzungsprofil der NNs entsprechend einzustellen. Zusammensetzungen aus 5 oder 10% PLL oder PEI und entsprechend 95 oder 90% PLLA zeigte die aussichtsreichsten Freisetzungsprofile. Ob aus Emulsionen gesponnene NNs geeignete Substrate für eine Anwendung als Tissue engineering scaffold sind wird in Kapitel 4 untersucht. Die hergestellten NNs erfüllten alle Voraussetzungen für ein Tissue engineering scaffold: der mittlere Faserdurchmesser der NNs war den fibrösen Proteinstrukturen der extrazellulären Matrix (ECM) sehr ähnlich; dies bedeutet, das diese NNs die ECM physikalisch imitieren können. Zelladhäsion, Zellproliferation und die Zellspreitung auf den NNs war mindestens genauso gut wie auf einer Glasoberfläche. Für eine Zusammensatzung von 5% PLL und 95% PLLA waren diese Werte sogar signifikant erhöht. Die NNs nahmen Wassser auf und quollen im Zellmedium. Die Zellen adherierten weiterhin an den Fasern und bekamen dadurch die Möglichkeit in alle drei Dimensionen zu proliferieren. Es gab keine signifikanten Unterschiede in der Zellviabilität zwischen Zellen, die auf NNs gewachsen waren verglichen mit Zellen, die auf einer Glasoberfläche gewachsen waren. Kapitel 5 gibt einen Überblick über die Mikroverkapselung mit dem Fokus auf Phasenseparations- und Koazervationsverfahren. Die Entwicklung eines neuen Mikroverkapselungsverfahrens, bei dem eine ionische Flüssigkeit als gemeinsames Lösungsmittel sowohl für ein bioabbaubares Polymer als auch für ein hydrophiles Makromolekül verwendet wird, wird in Kapitel 6 beschrieben. Einige der getesteten ionischen Flüssigkeiten waren gute Lösungsmittel für bioabbaubare Polymere, aber keine von ihnen war in der Lage hydrophile Makromoleküle zu lösen. Obwohl unter den getesteten ionischen Flüssigkeiten keine geeignete Verbindung war, ist die Wahrscheinlichkeit eine geeignete Substanz zu finden sehr hoch, da es beinahe unzählige Möglichkeiten für die Synthese unterschiedlicher ionischer Flüssigkeiten gibt. Trotzdem konnte gezeigt werden, dass es möglich ist BSA über eine emulsionsbasierte Phasenseparationstechnik zu verkapseln. Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass die hier präsentierten neuartigen Methoden zur Verkapselung von Proteinen in bioabbaubaren Polymeren ihr großes Potential zur Herstellung von Systemen für kontrollierte Wirkstofffreigabe gezeigt haben. Mit Proteinen beladene Nanofasermatten zeigten sehr vielversprechende Eigenschaften für ihre Anwendung als Tissue engineering scaffolds und werden mit Sicherheit in diesem Feld eine Anwendung finden. Das Durchsuchen der riesigen Auswahl an ionischen Flüssigkeiten, um eine Verbindung mit geeigneten Lösemitteleigenschaften zu finden, mag eine schwierige Aufgabe sein, allerdings hätte man mit der Entdeckung einer geeigneten Substanz ein mächtiges Werkzeug für die Verkapselung von Proteinen zur Hand. 2009-04-29 opus:2356