Spray drying for the preparation of innovative nanocoatings and inhalable nanocarriers

Die Sprühtrocknung ist eine gut etablierte Methode, um flüssige Formulierungen in getrocknete Partikel umzuwandeln und sie weckt aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile und breiten Einsatzmöglichkeiten weiterhin großes Interesse. Zudem konnten innerhalb des letzten Jahrzehnts durch die Einführung der Nanosprühtrocknung die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens der Sprühtrocknung auf eine ganz neue Ebene gehoben werden, vor allem die Herstellung von Nanopartikeln ist hier zu erwähnen. Diese Doktorarbeit beinhaltet detaillierte Untersuchungen hinsichtlich der Anwendung der Sprühtrocknung in den beiden wichtigen Einsatzgebieten der pulmonalen Wirkstoffapplikation und der Beschichtung medizinischer Implantate. Die erste Zielsetzung war die Entwicklung einer Photosensitizer beladenen inhalativen Formulierung mittels Sprühtrocknung, die für die bronchoskopische photodynamische Therapie eingesetzt werden soll. Die pulmonale Applikation eines Photosensitizers stellt hierbei sowohl eine selektive als auch eine nicht-invasive Behandlungsmöglichkeit für Lungenkrebs dar, wodurch eine intravenöse Gabe vermieden und eine bessere Komplianz des Patienten erzielt werden können. Curcumin wurde als natürlich vorkommender Photosensitizer ausgewählt, obgleich dessen schlechte Wasserlöslichkeit und geringe Bioverfügbarkeit auf den ersten Blick große Nachteile darstellen. Aus diesem Grund erfolgte die Herstellung der Curcumin-Nanopartikel mithilfe der Nanopräzipitation, wodurch schlussendlich die Wirksamkeit des Photosensitizer gegenüber Tumorzellen erhöht werden konnte. Partikelgrößenmessungen, basierend auf dem Prinzip der dynamischen Lichtstreuung, zeigten eine für die zelluläre Aufnahme geeignete Partikelgröße mit homogener Größenverteilung. Darüber hinaus wiesen die Curcumin-Nanopartikel eine gute Hämokompatibilität mit geringem hämolytischen Potential und keinem nennenswerten Einfluss auf die Koagulationszeit auf. In vitro Bestrahlungsexperimente mit humanen Lungenepithelkarzinomzellen (A549) zeigten eine effektive Photoaktivierung der Curcumin-Nanopartikel, da eine Abtötung der Karzinomzellen bei Bestrahlung mit Licht einer spezifischen Wellenlänge mithilfe einer LED-Apparatur gezeigt werden konnte. Zum einen ergab sich für Curcumin-Nanopartikel eine dosisabhängige Phototoxizität und zum anderen zeigten die IC50-Werte eine direkte Abhängigkeit von der aufgewendeten Fluenz. Die Herstellung der Nano-in-Mikropartikel erfolgte, indem die Curcumin-Nanopartikel mit dem Trägerstoff Mannitol versprüht wurden, wodurch die Nanopartikel in ein zur Inhalation geeignetes, trockenes Pulver übergingen, ohne dabei drastischen Bedingungen ausgesetzt zu werden. Die aerodynamischen Eigenschaften der Nano-in-Mikropartikel wurden mithilfe des Next Generation Impactors analysiert und offenbarten eine große Feinpartikelfraktion mit einem für die pulmonale Applikation geeigneten, massenbezogenen medianen aerodynamischen Durchmesser. Die Nano-in-Mikropartikel wiesen eine gute Redispergierbarkeit und eine geeignete Desintegration in die ursprüngliche nanopartikuläre Struktur nach Überführung in wässrige Medien auf. Diese Eigenschaft kann primär dem Mannitol zugeschrieben werden, welches als Wandmaterial die Nanopartikel umschließt, um sie während des Trocknungsprozesses gegenüber unterschiedlichen Prozessparametern zu schützen und ihre Freisetzung aus den Mikropartikeln weiterhin zu gewährleisten. Experimente mithilfe des Monoschicht-Membranmodells (Wilhelmy-Filmwaage) bestätigten die Kompatibilität der Nano-in-Mikropartikel mit dem pulmonalen Surfactant, was eine Grundvoraussetzung für den sicheren Transport von Curcumin zum Wirkort in der Lunge ist (z.B. Tumorzellen). Diese Ergebnisse demonstrierten die Einsetzbarkeit der Sprühtrocknung zur der Herstellung inhalativer Arzneistoffträgersysteme mit erfolgversprechendem Potential im Bereich der photodynamischen Therapie. Als nächster Schritt sollten bei der Charakterisierung der Formulierungen bezüglich der Überwindung von biologischen Barrieren der Lunge in vivo Untersuchungen erfolgen. Darüber hinaus müsste eine Dosisanpassung für eine effektive Therapie durchgeführt werden. Die zweite Zielsetzung war die Einführung der Nanosprühtrocknung als neue Methode zur Herstellung von Nanopartikeln aus unterschiedlichen Biomaterialien, die gleichzeitig in der Lage ist, Oberflächenstrukturen von medizinischen Implantaten selbst mit schwieriger Topographie erfolgreich zu modifizieren. Der Nano-Sprühtrockner B-90, der sich durch eine fortschrittliche Funktionsweise und einen besonderen Aufbau auszeichnet, ermöglichte die Partikelproduktion und die Beschichtung von Implantaten in einem einzigen Schritt und machte zusätzliche Trocknungs- und Waschschritte überflüssig. Diese neue Beschichtungstechnik bietet viele Vorteile: a) Herstellung von Partikeln im Submikronbereich aus Lösungen von Reinsubstanzen ohne Zusatzstoffe (z.B. Surfactant) oder komplexe Modifikationen; b) sehr schonende Prozessbedingungen, die selbst für sensible und thermolabile Substanzen geeignet sind (z.B. Enzyme, Hormone und Nukleinsäuren); c) kostengünstiges und effizientes Verfahren, das nur eine geringe Probenmenge für ein gutes Resultat erfordert; d) einzigartiges zylindrisches Design sowie außergewöhnliche Funktionsweise des Partikelkollektors ermöglichen ein erleichtertes Up-scaling des Verfahrens, da mehrere Implantate gleichzeitig auf dem Partikelkollektor aufgebracht werden können. In dieser Doktorarbeit ist die breite Anwendbarkeit dieser Technik anhand von drei repräsentativen Modellsubstanzen, Chitosan, Poly(lactid-co-glycolid) und Curcumin belegt. Vorläufige Versuche wurden auf Titanplättchen durchgeführt, um die Prozessparameter so anzupassen, dass eine kleine Partikelgröße mit enger Größenverteilung sowie eine komplette Bedeckung der Implantatoberfläche erreicht werden konnten. Nachfolgend wurden die optimierten Prozessparameter auf Zahnimplantate übertragen und erzielten eine homogene, durch Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesene Beschichtung. Aufnahmen mithilfe des Rasterelektronenmikroskops zeigten, dass die meisten hergestellten Partikel im Submikronbereich lagen und eine sphärische Form mit glatter Oberfläche aufwiesen. Die Partikelgrößenanalyse offenbarte den Einfluss der Implantatposition innerhalb des Partikelkollektors auf die Partikelgrößenverteilung, wobei der untere Abschnitt des Kollektors die engste Partikelgrößenverteilung aufwies. Diese Ergebnisse stellten das Fundament für die Herstellung biokompatibler, antibakterieller Nanobeschichtungen dar. Die optimierten Prozessparameter aus den vorläufigen Versuchen fanden auf Titanplättchen Anwendung, die als Modellmaterial für Zahnimplantate dienten. Die hergestellten Nanobeschichtungen bestanden aus Poly(lactid-co-glycolid), einem bioabbaubaren Polymer, und Norfloxacin als Modellantibiotikum. Bildgebende Untersuchungen der Nanobeschichtungen mithilfe des Rasterelektronenmikroskops lieferten hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung, Morphologie und Oberflächenstruktur Ergebnisse, wie sie bereits zuvor in den vorläufigen Versuchen festgestellt wurden, was die Reproduzierbarkeit der Beschichtungsmethode bestätigte. Die Nanobeschichtungen wiesen ein typisches zweiphasiges Freisetzungsprofil mit einer schnellen Freisetzung innerhalb der ersten 48 Stunden auf, der sich eine Freisetzung mit konstanter Geschwindigkeit bis zum Versuchsende anschloss. Die antibakterielle Wirkung der Nanobeschichtungen wurde gegen Escherichia coli in zwei Schritten evaluiert: Qualitativ durch den Agardiffusionstest, der es ermöglichte, eine große Probenanzahl zu analysieren, und quantitativ durch das Auszählen der Kolonie bildenden Einheiten, die auf der Oberfläche der Titanplättchen anhaften. Die antibakterielle Aktivität der mit Norfloxacin beladenen Nanobeschichtungen konnte als deutlich sichtbarer Hemmhof (Agardiffusionstest) sowie als signifikante Reduktion der Anzahl überlebender Bakterienkolonien identifiziert werden. Diese Aktivität war direkt vom Norfloxacin-Gehalt der Nanobeschichtung abhängig, der von der theoretischen Norfloxacin-Beladung und der Position der Titanplättchen im Partikelkollektor beeinflusst wurde. Abschließend erfolgte die Untersuchung der in vitro Biokompatibilität der Nanobeschichtungen an Mausfibroblasten (L929), die als Standard für sensitive Zelllinien bei zytotoxischen Analysen gelten. Die Zellproliferation auf der Oberfläche der Titanplättchen wurde mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops visualisiert und anschließend durch die Analyse der Zellzahl quantifiziert. Beide Methoden bestätigten die Biokompatibilität der untersuchten Nanobeschichtungen, welche ähnliche Ergebnisse wie die unbeschichteten Titanplättchen aufzeigten. Obwohl die Nanosprühtrocknung ein solch vielversprechendes Potential bei der Herstellung neuer Nanobeschichtungen demonstrieren konnte, bleiben dennoch Verbesserungs-möglichkeiten offen. Diese Beschichtungsmethode befindet sich noch immer in ihrer Anfangsphase und benötigt daher eine fortwährende Optimierung der Prozessparameter. So sollen zukünftig Nanobeschichtungen entwickelt werden, die sowohl die Adhäsion körpereigener Zellen verbessern als auch eine potente antibakterielle Aktivität aufweisen. Die zugrundeliegende Wirkung sollte dabei lediglich auf die Struktur ihrer Oberfläche zurückzuführen sein und so den Einsatz antibiotisch wirksamer Substanzen überflüssig machen.