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Titel:Polyelectrolyte Microcapsules for controlled cargo-release and sensing applications in living cells
Autor:Ochs, Markus
Weitere Beteiligte: Parak, Wolfgang J. (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2013
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2013/0244
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2013-02442
DOI: https://doi.org/10.17192/z2013.0244
DDC: Physik
Titel(trans.):Polyelektrolyt Mikrokapseln zum kontrollierten Freisetzen von Wirkstoffen und Sensor-Anwendungen in Zellen

Dokument

Schlagwörter:
Heating, Drug-Delivery, Polyelectrolytes, Freisetzung, Freisetzung, Nanotechnologie, Zellulartherapie, Polyelektrolyte, Mikrokapseln, Microcapsules, Heizen, Wirkstoff, Biophysik, Mikroverkapselung, Release

Summary:
Topic of the presented work is the preparation of multifunctional polymer microcapsules for biological and biomedical applications. The fabrication of such capsules is based on the layered adsorption of oppositely charged polymers, the so-called polyelectrolytes, onto charged templates (layer-by-layer assembly). As spherical base for the capsules porous calcium carbonate particles have been used. In addition to molecules that were encapsulated into the final polymer capsules further properties such as fluorescence, paramagnetic behavior or the ability to convert light energy into heat were embedded into the polymer shell by implementing nanoparticles. These functional groups were crucial for the realization of the experimental demands on the microsystems. In addition to the functionalization of the shell an efficient filling of the capsules with a multitude of different molecules was one of the major developments. Besides a coprecipitation method (pre-filling of the templates), a post-loading technique as well as the enrichment of the capsules with amphiphilic polymer micelles were used for loading the capsules. This last approach even allowed for filling both, hydrophilic and hydrophobic molecules into the the polymer microcapsules. The prepared materials were observed via absorbance or fluorescence spectroscopy or electron- and optical microscopy, the capsules were tested specifically for their intended applications. Here, special emphasis was placed on the intracellular release of the encaged cargo materials. Numerous experiments were performed to test the release of the cargo molecules within living cells. The efficient release via external laser-triggered heating was proven and improved by variation of gold-nanoparticle concentration attached to the polymer shells. In addition, the released content distributed into the cells, was observed to react after its liberation. Reactive substances, which have been separately encapsulated could successfully be released intracellularly and the occurring reactions were detected. Furthermore, nucleic acid chains (mRNA) could be encapsulated and successfully be released within cells. The cellular production of the RNA-encoded proteins was demonstrated. Another aim of the study was the targeted delivery of capsules to a desired place. In a flow chaannel, the flow of blood in living organisms was simulated. Capsules modified with ironoxide nanoparticles could be deposited selectively on a cell layer with the help of magnetic field gradients. This enabled for deposition of capsules on a large scale area as well as on on small, sub-millimeter patterns. Additionally to the release of materials and controlled deposition of capsules, the presented work is also studying the possible use of microcapsules as sensors for the composition of the environmental solution. These sensor properties were tested on the basis of ion-selective fluorescent dyes in the extracellular as well as in the intracellular space. In summary, the presented polymer microcapsules were proven as an advanced and versatile approach towards bio-medical requirements for drug delivery and sensing applications.

Zusammenfassung:
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.


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