Novel techniques for the incorporation of proteins in biodegradable polymeric drug delivery devices for their controlled release

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...

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Main Author: Maretschek, Sascha
Contributors: Kissel, Thomas (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2009
Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie
Subjects:
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Table of Contents: 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.