Polyelectrolyte Microcapsules for controlled cargo-release and sensing applications in living cells

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.