DE19907552A1

DE19907552A1 - New stable polyelectrolyte capsules of controllable permeability, prepared by coating template particles, useful e.g. for controlled drug release

Info

Publication number: DE19907552A1
Application number: DE1999107552
Authority: DE
Inventors: Bjoern Neu; Hans Baeumler; Edwin Donath; Sergio Moya; Gleb Sukhorukov; Helmuth Moehwald; Frank Caruso
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2000-08-31

Abstract

Capsules (I) having a polyelectrolyte (PE) shell and a diameter of up to 10 (preferably to 5) micro m, are new, specifically where (I) are obtained by applying PE molecules onto template particles (II). Independent claims are included for the following: (1) the preparation of (I) (with no restriction on capsule size) by forming an aqueous dispersion of (II) having suitable size, then applying PE to (II); (2) the preparation of a coated surface by applying (I) to the surface; (3) partially crosslinked melamine-formaldehyde (MF) particles (III) having a diameter of 10 micro m or less; (4) the preparation of partially crosslinked MF particles by polycondensation of MF precondensates, where the polycondensation process is interrupted during the reaction; and (5) a method for applying multiple coating layers to (II), involving: (a) contacting (II) with a first coating material (C1) in a liquid medium, in a reaction region bounded on at least one side by a filtration membrane, to form a coating of (C1) on (II); (b) removing at least part of the reaction medium, optionally with any excess (C1), via the filtration membrane; (c) repeating steps (a) and (b), but using a second coating material (C2) instead of (C1); and (d) optionally repeating steps (a)/(b) and/or step (c).

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Kapseln mit einer Polyelektrolythülle sowie die durch das Verfahren erhältlichen Kapseln.The invention relates to methods for producing capsules with a Polyelectrolyte shell and the capsules obtainable by the process.

Mikrokapseln sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt und werden insbesondere für die kontrollierte Freisetzung und den zielgerichteten Transport von pharmazeutischen Wirkstoffen sowie zum Schutz von empfindlichen Wirkstoffen, wie etwa Enzymen und Proteinen verwendet.Microcapsules are known in various embodiments and are used in particular for controlled release and targeted transport of active pharmaceutical ingredients and to Protection of sensitive substances, such as enzymes and proteins used.

Mikrokapseln können durch mechanisch-physikalische Verfahren, bzw. Versprühen und nachfolgende Beschichtung, chemische Verfahren, wie etwa Grenzflächenpolymerisation bzw. -kondensation oder Polymerphasentrennung oder durch Verkapselung von Wirkstoffen in Liposomen hergestellt werden. Bisher bekannte Verfahren weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.Microcapsules can be produced by mechanical-physical processes or Spraying and subsequent coating, chemical processes, such as such as interfacial polymerization or condensation or Polymer phase separation or by encapsulation of active ingredients in Liposomes are made. However, previously known methods have a number of disadvantages.

Die Deutsche Patentanmeldung 198 12 083.4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln mit einem Durchmesser < 10 µm, wobei auf einer wässrigen Dispersion von Templatpartikeln mehrere aufeinander folgende Schichten entgegengesetzt geladener Polyelektrolytmoleküle aufgebracht werden. Als Templatpartikel werden dabei insbesondere teilvernetzte Melaminformaldehydpartikel beschrieben. Nach Bildung der Polyelektrolythülle können die Melaminformaldehydpartikel durch Einstellung eines sauren pH-Werts oder durch Sulfonierung aufgelöst werden.German patent application 198 12 083.4 describes a method for Production of microcapsules with a diameter <10 microns, with an aqueous dispersion of template particles several on top of each other following layers of oppositely charged polyelectrolyte molecules be applied. The template particles are in particular partially crosslinked melamine formaldehyde particles are described. After formation of the Polyelectrolyte shell can adjust the melamine formaldehyde particles acidic pH or dissolved by sulfonation.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß Polyelektrolytkapseln auch unter Verwendung von Templaten ausgewählt aus biologischen Zellen, Aggregaten biologischer oder/und amphiphiler Materialien wie etwa Erythrozyten, Bakterienzellen oder Lipidvesikeln gebildet werden können. Die eingekapselten Templatpartikel können durch anschließende Solubilisierung bzw. Desintegration entfernt werden.Surprisingly, it has been found that polyelectrolyte capsules also under Use of templates selected from biological cells, Aggregates of biological and / or amphiphilic materials such as Erythrocytes, bacterial cells or lipid vesicles can be formed. The encapsulated template particles can be replaced by subsequent Solubilization or disintegration are removed.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung von Kapseln mit einer Polyelektrolythülle, wobei man auf einem Templat ausgewählt aus Aggregaten biologischer oder/und amphiphiler Materialien mehrere aufeinan derfolgende Schichten entgegengesetzt geladener Polyelektrolytmoleküle aufbringt und gegebenenfalls anschließend das Templat desintegriert.The invention thus relates to a method for producing capsules a polyelectrolyte shell, one selected from a template Aggregates of biological and / or amphiphilic materials are more than one another the following layers of oppositely charged polyelectrolyte molecules applies and then optionally disintegrates the template.

Als Templatmaterialien können beispielsweise Zellen, z. B. eukaryontische Zellen, wie etwa Säugererythrozyten oder Pflanzenzellen, einzellige Organis men wie etwa Hefen, Bakterienzellen wie etwa E.coli Zellen, Zellaggregate, subzelluläre Partikel wie etwa Zellorganellen, Pollen, Membranpräparationen oder Zellkerne, Viruspartikel und Aggregate von Biomolekülen, z. B. Protein aggregate wie etwa Immunkomplexe, kondensierte Nukleinsäuren, Ligand- Rezeptor-Komplexe etc. verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Verkapselung lebender biologischer Zellen und Organismen. Ebenso als Template geeignet sind Aggregate amphiphiler Materialien, insbesondere Membranstrukturen wie etwa Vesikel, z. B. Liposomen oder Micellen sowie andere Lipidaggregate.For example, cells, e.g. B. eukaryotic Cells, such as mammalian erythrocytes or plant cells, are unicellular organisms such as yeasts, bacterial cells such as E.coli cells, cell aggregates, subcellular particles such as cell organelles, pollen, membrane preparations or cell nuclei, virus particles and aggregates of biomolecules, e.g. B. Protein aggregates such as immune complexes, condensed nucleic acids, ligand Receptor complexes etc. can be used. The invention The method is also suitable for encapsulating living biological cells and organisms. Amphiphilic aggregates are also suitable as templates Materials, especially membrane structures such as vesicles, e.g. B. Liposomes or micelles as well as other lipid aggregates.

Auf diese Template werden mehrere entgegengesetzt geladene Polyelek trolytschichten abgeschieden. Hierzu werden die Templatpartikel vorzugs weise zunächst in einem geeigneten Lösungsmittel, z. B. einem wässrigen Medium dispergiert. Dann kann - insbesondere wenn es sich bei den Tem platpartikeln um Zellen oder andere biologische Aggregate handelt - ein Fixierungsreagenz in ausreichender Konzentration zugesetzt werden, um eine mindestens partielle Fixierung der Templatpartikel zu bewirken. Bei spiele für Fixierungsreagenzien sind Aldehyde wie Formaldehyd oder Glutar dialdehyd, die vorzugsweise dem Medium auf eine Endkonzentration zwischen 0,1-5% (w/w) zugesetzt werden.Several oppositely charged polyelecs are placed on this template trolyte layers deposited. For this purpose, the template particles are preferred first, in a suitable solvent, e.g. B. an aqueous Medium dispersed. Then - especially if the tem platparticles are cells or other biological aggregates Fixing reagent in sufficient concentration to be added to effect an at least partial fixation of the template particles. At Games for fixation reagents are aldehydes such as formaldehyde or glutar dialdehyde, preferably the medium to a final concentration between 0.1-5% (w / w) are added.

Unter Polyelektrolyten werden allgemein Polymere mit ionisch dissoziier baren Gruppen, die Bestandteil oder Substituent der Polymerkette sein können, verstanden. Üblicherweise ist die Zahl dieser ionisch dissoziierbaren Gruppen in Polyelektrolyten so groß, daß die Polymeren in der dissoziierten Form (auch Polyionen genannt) wasserlöslich sind. Hierin werden unter dem Begriff Polyelektrolyte auch Ionomere verstanden, bei denen die Konzen tration der ionischen Gruppen für eine Wasserlöslichkeit nicht ausreichend sind, die jedoch genügend Ladungen aufweisen, um eine Selbstassem blierung einzugehen. Bevorzugt umfasst die Hülle "echte" Polyelektrolyte. Je nach Art der dissoziierbaren Gruppen werden Polyelektrolyte in Polysäuren und Polybasen unterteilt.Polyelectrolytes are generally polymers with ionic dissociation baren groups that are part or substituent of the polymer chain can understand. The number of these is usually ionically dissociable Groups in polyelectrolytes so large that the polymers dissociate in the Form (also called polyions) are water soluble. Herein under the The term polyelectrolytes also understood ionomers in which the conc tration of the ionic groups is not sufficient for water solubility are, however, have enough charges to self-assembly to enter into a fixation. The shell preferably comprises “real” polyelectrolytes. Depending on the type of dissociable groups, polyelectrolytes are used in Polyacids and polybases divided.

Aus Polysäuren entstehen bei der Dissoziation unter Abspaltung von Protonen Polyanionen, die sowohl anorganische als auch organische Polymere sein können. Beispiele für Polysäuren sind Polyphosphorsäure, Polyvinylschwefelsäure, Polyvinylsulfonsäure, Polyvinylphosphonsäure und Polyacrylsäure. Beispiele für die entsprechenden Salze, die auch als Polysalze bezeichnet werden, sind Polyphosphat, Polysulfat, Polysulfonat, Polyphosphonat und Polyacrylat.During dissociation, polyacids are formed with the splitting off of Proton polyanions, both inorganic and organic Polymers can be. Examples of polyacids are polyphosphoric acid, Polyvinylsulfuric acid, polyvinylsulfonic acid, polyvinylphosphonic acid and Polyacrylic acid. Examples of the corresponding salts, which are also called Polysalts are referred to are polyphosphate, polysulfate, polysulfonate, Polyphosphonate and polyacrylate.

Polybasen enthalten Gruppen, die in der Lage sind, Protonen, z. B. durch Reaktion mit Säuren unter Salzbildung, aufzunehmen. Beispiele für Polybasen mit ketten- bzw. seitenständigen dissoziierbaren Gruppen sind Polyallylamin, Polyethylenimin, Polyvinylamin und Polyvinylpyridin. Polybasen bilden durch Aufnahme von Protonen Polykationen.Polybases contain groups that are capable of protons, e.g. B. by Reaction with acids with salt formation. examples for Are polybases with chain or lateral dissociable groups Polyallylamine, polyethyleneimine, polyvinylamine and polyvinylpyridine. Polybases form polycations by taking up protons.

Erfindungsgemäß geeignete Polyelektrolyte sind sowohl Biopolymere, wie etwa Alginsäure, Gummi arabicum, Nucleinsäuren, Pektine, Proteine und andere, sowie chemisch modifizierte Biopolymere, wie etwa Carboxy methylcellulose und Ligninsulfonate sowie synthetische Polymere, wie etwa Polymethacrylsäure, Polyvinylsulfonsäure, Polyvinylphosphonsäure und Polyethylenimin.Polyelectrolytes suitable according to the invention are both biopolymers and such as alginic acid, gum arabic, nucleic acids, pectins, proteins and others, as well as chemically modified biopolymers, such as carboxy methyl cellulose and lignin sulfonates as well as synthetic polymers such as Polymethacrylic acid, polyvinylsulfonic acid, polyvinylphosphonic acid and Polyethyleneimine.

Es können lineare oder verzweigte Polyelektrolyte eingesetzt werden. Die Verwendung verzweigter Polyelektrolyte führt zu weniger kompakten Polyelektrolytmultifilmen mit einem höheren Grad der Wandporosität. Zur Erhöhung der Kapselstabilität können Polyelektrolytmoleküle innerhalb oder/und zwischen den einzelnen Schichten vernetzt werden, z. B. durch Crosslinking von Aminogruppen mit Aldehyden. Weiterhin können amphiphile Polyelektrolyte, z. B. amphiphile Block- oder Randomcopolymere mit partiellem Polyelektrolytcharakter zur Verringerung der Permeabilität gegenüber polaren kleinen Molekülen eingesetzt werden. Solche amphiphilen Copolymere bestehen aus Einheiten unterschiedlicher Funktionalität, z. B. einerseits sauren oder basischen Einheiten und andererseits hydrophoben Einheiten wie Styrolen, Dienen oder Siloxanen etc. die als Blöcke oder statistisch verteilt über das Polymer angeordnet sein können. Durch Verwendung von Copolymeren, die als Funktion äußerer Bedingungen ihre Struktur ändern, können die Kapselwände bezüglich ihrer Permeabilität oder anderer Eigenschaften definiert gesteuert werden. Hierzu bieten sich beispielsweise Copolymere mit einem Poly(N-isopropyl-acrylamid)-Anteil, z. B. Poly(N-isopropylacrylamid-acrylsäure) an, die über das Gleichgewicht von Wasserstoffbrückenbindungen ihre Wasserlöslichkeit als Funktion der Temperatur ändern, was mit einer Quellung einhergeht.Linear or branched polyelectrolytes can be used. The Using branched polyelectrolytes leads to less compact Polyelectrolyte multi-films with a higher degree of wall porosity. For Capsule stability can increase polyelectrolyte molecules within or / and crosslinked between the individual layers, e.g. B. by Crosslinking of amino groups with aldehydes. Can continue amphiphilic polyelectrolytes, e.g. B. amphiphilic block or random copolymers with partial polyelectrolyte character to reduce permeability versus polar small molecules. Such amphiphiles Copolymers consist of units of different functionality, e.g. B. on the one hand acidic or basic units and on the other hand hydrophobic Units such as styrenes, dienes or siloxanes etc. which as blocks or can be arranged statistically distributed over the polymer. By Use of copolymers that function as a function of external conditions The structure can change the capsule walls with regard to their permeability or other properties can be controlled defined. To do this offer for example copolymers with a poly (N-isopropyl-acrylamide) component, e.g. B. poly (N-isopropylacrylamide-acrylic acid) on the balance of hydrogen bonds their water solubility as a function of Change temperature, which is associated with swelling.

Durch Verwendung von unter bestimmten Bedingungen abbaubaren, z. B. photo-, säure- oder baselabilen Polyelektrolyten kann über die Auflösung der Kapselwände die Freisetzung von eingeschlossenen Wirkstoffen gesteuert werden. Weiterhin können für bestimmte Anwendungsmöglichkeiten auch leitende Polyelektrolyten oder Polyelektrolyten mit optisch aktiven Gruppen als Kapselkomponenten verwendet werden. By using degradable under certain conditions, e.g. B. Photo-, acid- or base-labile polyelectrolytes can be resolved via the Capsule walls controlled the release of trapped agents become. They can also be used for certain applications conductive polyelectrolytes or polyelectrolytes with optically active groups can be used as capsule components.

Grundsätzlich ergeben sich keine Einschränkungen hinsichtlich der zu verwendenden Polyelektrolyte bzw. Ionomere, solange die verwendeten Moleküle eine genügend hohe Ladung aufweisen oder/und die Fähigkeit besitzen, über andere Wechselwirkungsarten, wie beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen und/oder hydrophobe Wechselwirkungen, eine Bindung mit der darunter liegenden Schicht einzugehen.Basically there are no restrictions regarding the using polyelectrolytes or ionomers, as long as the used Molecules have a sufficiently high charge and / or the ability possess other types of interaction, such as Hydrogen bonds and / or hydrophobic interactions, to bond with the underlying layer.

Geeignete Polyelektrolyte sind somit sowohl niedermolekulare Polyelektrolyte bzw. Polyionen als auch makromolekulare Polyelektrolyte, beispielsweise auch Polyelektrolyte biologischer Herkunft.Suitable polyelectrolytes are therefore both low molecular weight Polyelectrolytes or polyions as well as macromolecular polyelectrolytes, for example, polyelectrolytes of biological origin.

Zum Aufbringen der Polyelektrolytschichten auf das Templat wird vorzugsweise zunächst eine Dispersion der Templatpartikel in einer wässrigen Lösung erzeugt. Zu dieser Dispersion gibt man dann eine Polyelektrolytspezies mit der gleichen oder der entgegengesetzten Ladung wie die Oberfläche des Templatpartikels. Nach Abtrennung evtl. vorhandener überschüssiger Polyelektrolytmoleküle wird die für den Aufbau der zweiten Schicht verwendete entgegengesetzt geladene Polyelektrolytspezies zugegeben. Anschließend werden weiterhin abwechselnd entgegengesetzt geladene Schichten von Polyelektrolyt molekülen aufgebracht, wobei für jede Schicht mit gleicher Ladung gleiche oder verschiedene Polyelektrolytspezies oder Gemische von Polyelektrolytspezies gewählt werden können. Die Anzahl von Schichten kann grundsätzlich beliebig gewählt werden und beträgt beispielsweise 2 bis 40, insbesondere 4 bis 20 Polyelektrolytschichten.To apply the polyelectrolyte layers to the template preferably first a dispersion of the template particles in a aqueous solution. Then add one to this dispersion Polyelectrolyte species with the same or opposite charge like the surface of the template particle. Possibly after separation Excess polyelectrolyte molecules present will be used for the Construction of the second layer used oppositely charged Polyelectrolyte species added. Then continue alternating oppositely charged layers of polyelectrolyte Molecules applied, the same for each layer with the same charge or various polyelectrolyte species or mixtures of Polyelectrolyte species can be selected. The number of layers can in principle be chosen arbitrarily and is, for example, 2 to 40, in particular 4 to 20 polyelectrolyte layers.

Nachdem die gewünschte Anzahl Schichten aufgebracht worden ist, können - sofern gewünscht - die nun umhüllten Templatpartikel desintegriert werden. Die Desintegration kann durch Zugabe von Lysereagenzien erfol gen. Dabei sind Lysereagenzien geeignet, die biologische Materialien wie Proteine oder/und Lipide auflösen können. Vorzugsweise enthalten die Lysereagenzien ein Deproteinisierungsmittel, beispielsweise Peroxoverbindungen wie etwa H₂O₂ oder/und Hypochloritverbindungen wie etwa Natrium- oder Kaliumhypochlorit. Überraschenderweise erfolgt die Desintegration der Templatpartikel innerhalb einer kurzen Inkubationsdauer, z. B. 1 min bis 1 h bei Raumtemperatur. Die Desintegration der Templatpartikel ist weitgehend vollständig, da selbst bei elektronenmikroskopischer Betrachtung der verbleibenden Hüllen keine Reste der Partikel mehr nachweisbar sind. Bei Einbau biologischer Polyelektrolyten in die Hülle können leere Schichten auch innerhalb der Polyelektrolythülle erzeugt werden.After the desired number of layers have been applied, the now coated template particles can be disintegrated, if desired. Disintegration can be achieved by adding lysis reagents. Lysis reagents that can dissolve biological materials such as proteins and / or lipids are suitable. The lysis reagents preferably contain a deproteinizing agent, for example peroxo compounds such as H ₂ O ₂ or / and hypochlorite compounds such as sodium or potassium hypochlorite. Surprisingly, the disintegration of the template particles takes place within a short incubation period, e.g. B. 1 min to 1 h at room temperature. The disintegration of the template particles is largely complete, since even when the remaining shells are viewed by electron microscopy, no residues of the particles can be detected. If biological polyelectrolytes are installed in the shell, empty layers can also be produced within the polyelectrolyte shell.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlichen Kapseln können mit Durchmessern im Bereich von 10 nm bis 50 µm, vorzugsweise 50 nm bis l0 µm auch in der von der Kugelgestalt abweichenden, d. h. in anisotropen Formen hergestellt werden. Die Wandstärke wird durch die Anzahl der Polyelektrolytschichten bestimmt und kann beispielsweise im Bereich von 2 bis 100 nm, insbesondere im Bereich von 5 bis 80 nm liegen. Die Kapseln zeichnen sich auch durch ihre Monodispersität aus, d. h. bei Auswahl geeigneter Template können Kapselzusammensetzungen erhalten werden, bei denen der Anteil an Kapseln, deren Abweichung vom mittleren Durchmesser < 50% ist, weniger als 10% und besonders bevorzugt weniger als 1% beträgt.Capsules obtainable by the process according to the invention can be used with Diameters in the range of 10 nm to 50 microns, preferably 50 nm to l0 µm also in the deviating from the spherical shape, d. H. in anisotropic Molds are made. The wall thickness is determined by the number of Determines polyelectrolyte layers and can, for example, in the range of 2 to 100 nm, in particular in the range from 5 to 80 nm. The capsules are also characterized by their monodispersity, i. H. when choosing suitable templates can be obtained capsule compositions, where the proportion of capsules, their deviation from the mean Diameter is <50%, less than 10% and particularly preferred is less than 1%.

Die Kapseln sind gegenüber chemischen, biologischen, organischen und thermischen Belastungen sehr stabil. Sie können eingefroren oder gefriergetrocknet und anschließend wieder in geeigneten Lösungsmitteln aufgenommen werden.The capsules are chemical, biological, organic and thermal loads very stable. You can be frozen or freeze-dried and then again in suitable solvents be included.

Da die Kapseln Mikroabdrücke der in ihnen enthaltenen Template darstellen und auch nach Entfernung der Template ihre Form beibehalten, können anisotrope Partikel hergestellt werden, bei denen es sich um Mikroabdrücke von biologischen Strukturen wie Zellen, Viruspartikeln oder Biomolekülaggregaten handelt. Because the capsules represent microprints of the templates they contain and retain their shape even after the template has been removed anisotropic particles are produced, which are microprints of biological structures such as cells, virus particles or Biomolecule aggregates.

Eine Modifizierung der Permeabilitätseigenschaften in der Hülle kann durch Bildung oder Veränderung von Poren in mindestens einer der Polyelektrolytschichten erreicht werden. Solche Poren können bei Verwendung entsprechender Polyelektrolyten selbst gebildet werden. Weiterhin können Nanopartikel mit anionischen oder/und kationischen Gruppen oder/und grenzflächenaktive Substanzen wie etwa Tenside oder/und Lipide zur Modifizierung der Permeabilität und anderer Eigenschaften eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Permeabilität durch Variation der Bedingungen, die beim Abscheiden des Polyelektrolyten herrschen, modifiziert werden. So führt beispielsweise eine hohe Salzkonzentration des Umgebungsmediums zu einer hohen Durchlässigkeit der Polyelektrolythülle.The permeability properties in the shell can be modified by Formation or change of pores in at least one of the Polyelectrolyte layers can be achieved. Such pores can Using appropriate polyelectrolytes themselves are formed. Furthermore, nanoparticles with anionic and / or cationic Groups and / or surface-active substances such as surfactants or / and lipids for modifying permeability and others Properties are used. In addition, the permeability by varying the conditions involved in the deposition of the polyelectrolyte rule, be modified. For example, a high Salt concentration of the surrounding medium to a high permeability the polyelectrolyte shell.

Eine besonders bevorzugte Modifizierung der Permeabilität von Polyelektrolythüllen kann durch Abscheidung von Lipidschichten oder/und amphiphiler Polyelektrolyten auf der Polyelektrolythülle nach Desintegration der Templatpartikel erreicht werden. Auf diese Weise kann die Permeabilität der Polyelektrolythüllen für kleine und polare Moleküle sehr stark vermindert werden. Beispiele für Lipide, die auf den Polyelektrolythüllen abgeschieden werden können, sind Lipide, die mindestens eine ionische oder ionisierbare Gruppe tragen, z. B. Phospholipide wie etwa Dipalmitoylphosphatidinsäure oder zwitterionische Phospholipide wie etwa Dipalmitoylphosphatidylcholin oder auch Fettsäuren bzw. entsprechende langkettige Alkylsulfonsäuren. Bei Verwendung zwitterionischer Lipide können Lipidmultischichten auf der Polyelektrolythülle abgeschieden werden. Auf den Lipidschichten können anschließend weitere Polyelektrolytschichten abgeschieden werden.A particularly preferred modification of the permeability of Polyelectrolyte shells can be deposited by depositing lipid layers and / or Amphiphilic polyelectrolytes on the polyelectrolyte shell after disintegration the template particles are reached. In this way, the permeability of the polyelectrolyte shells for small and polar molecules is greatly reduced become. Examples of lipids deposited on the polyelectrolyte shells are lipids that are at least one ionic or ionizable Wear group, e.g. B. phospholipids such as dipalmitoylphosphatidic acid or zwitterionic phospholipids such as dipalmitoylphosphatidylcholine or also fatty acids or corresponding long-chain alkyl sulfonic acids. At Using zwitterionic lipids, lipid multilayers can be applied to the Polyelectrolyte shell are deposited. Can on the lipid layers then further polyelectrolyte layers are deposited.

Die durch das Verfahren erzeugten Kapseln können zum Einschluß von Wirkstoffen verwendet werden. Diese Wirkstoffe können sowohl anorganische als auch organische Stoffe sein. Beispiele für solche Wirkstoffe sind Katalysatoren, insbesondere Enzyme, pharmazeutische Wirkstoffe, Polymere, Farbstoffe wie etwa fluoreszierende Verbindungen, Sensormoleküle, d. h. Moleküle, die auf die Änderung von Umgebungsbedingungen (Temperatur, pH-Wert) nachweisbar reagieren, Pflanzenschutzmittel und Aromastoffe.The capsules produced by the process can include Active ingredients are used. These agents can both be inorganic as well as organic substances. Examples of such Active substances are catalysts, especially enzymes, pharmaceutical ones Active substances, polymers, dyes such as fluorescent compounds, Sensor molecules, d. H. Molecules that change Evidently react to ambient conditions (temperature, pH value) Plant protection products and flavorings.

Die Kapseln können auch als Mikroreaktionsräume für chemische Reaktionen oder als Präzipitations- oder Kristallisationstemplate verwendet werden. Aufgrund der Tatsache, daß die Permeabilität der Kapselwände steuerbar ist, so daß sie beispielsweise niedermolekulare Substanzen passieren lassen, Makromoleküle jedoch weitgehend zurückhalten, lassen sich bei einer chemischen Reaktion entstehende hochmolekulare Produkte, z. B. bei einer Polymerisation entstehende Polymere auf einfache Weise während der Synthese im Innenraum zurückhalten. Das gleichzeitig im Außenmedium synthetisierte Reaktionsprodukt kann z. B. durch Zentrifugation oder/und Filtration nachträglich oder auch bereits während der Reaktion entfernt werden.The capsules can also be used as micro reaction rooms for chemical Reactions or used as a precipitation or crystallization template become. Due to the fact that the permeability of the capsule walls is controllable, so that they, for example, low molecular weight substances let pass, but largely hold back macromolecules resulting high-molecular products in a chemical reaction, e.g. B. in a polymerization resulting polymers in a simple manner restrain inside during synthesis. That at the same time External medium synthesized reaction product can e.g. B. by Centrifugation or / and filtration afterwards or already during the reaction can be removed.

Während der Reaktion kann die Zufuhr des Reaktionssubstrats über die Diffusion durch die Kapselwände gesteuert werden. Dabei ergeben sich neue Wege, in Reaktionsabläufe einzugreifen. Da z. B. durch Filtration ein kontinuierlicher oder z. B. durch Zentrifugation auch ein plötzlicher Austausch des Außenmediums möglich ist, kann die Polymerisationsreaktion durch Substratentfernung beliebig angehalten werden bzw. das Monomer kann ausgetauscht werden. Es ist somit möglich, auf neue Art und Weise die Herstellung von definierten Co- oder Multipolymeren durchzuführen. Da durch die Permeation der Reaktionsablauf über die Monomerenzufuhr kontrollierbar ist, können in den Kapseln Produkte mit neuen und anderen Molekulargewichtsverteilungen, z. B. hoch monodisperse Produkte erzeugt werden. Im Kapselinneren synthetisierte Polymere lassen sich z. B. durch Titration mit Fluoreszenzfarbstoffen spektroskopisch und durch konvokale Mikroskopie nachweisen. Mit Einzelteilchenlichtstreuung läßt sich der Massenzuwachs und somit die Reaktionskinetik verfolgen. During the reaction, the supply of the reaction substrate via the Diffusion can be controlled through the capsule walls. This results in new ways to intervene in reaction processes. Because e.g. B. by filtration continuous or z. B. by centrifugation also a sudden Exchange of the external medium is possible, the polymerization reaction stopped by removing the substrate or the monomer can be exchanged. It is thus possible in a new way to carry out the production of defined copolymers or multipolymers. There by permeation the course of the reaction via the monomer feed Controllable, the capsules can contain products with new and different ones Molecular weight distributions, e.g. B. produces highly monodisperse products become. Polymers synthesized inside the capsule can e.g. B. by Titration with fluorescent dyes spectroscopically and by convocal Detect microscopy. With single particle light scattering, the Mass growth and thus follow the reaction kinetics.

Bei Verwendung anisotroper Kapseln zur Verpackung von Wirkstoffen oder als Reaktionsräume, z. B. für Synthesen oder Präzipitationsprozesse, und gegebenenfalls anschließender Auflösung der Templathüllen können Partikelzusammensetzungen als Dispersionen mit vorbestimmten Formen und Gestalten erzeugt werden. Die Erfindung betrifft somit auch anisotrope Partikelzusammensetzungen, die durch Verkapselung von Wirkstoffen in einer Polyelektrolythülle, z. B. durch Synthese oder Präzipitation und anschließende Entfernung des Templats, z. B. durch thermische oder chemische Behandlung, erhältlich sind. Vorzugsweise besitzen diese anisotropen Partikel die Form der als Templat verwendeten Biostrukturen.When using anisotropic capsules for packaging active ingredients or as reaction spaces, e.g. B. for syntheses or precipitation processes, and if necessary, subsequent dissolution of the template covers Particle compositions as dispersions with predetermined shapes and shapes are created. The invention thus also relates to anisotropic ones Particle compositions, which are encapsulated by active ingredients in a polyelectrolyte shell, e.g. B. by synthesis or precipitation and subsequent removal of the template, e.g. B. by thermal or chemical treatment are available. They preferably have anisotropic particles the shape of the biostructures used as a template.

Weiterhin können die Kapseln zum Einbringen von organischen Flüssigkeiten wie etwa Alkoholen oder Kohlenwasserstoffen, z. B. Hexanol, Octanol, Octan oder Decan, oder zum Verkapseln von Gasen verwendet werden. Solche mit einer organischen, nicht mit Wasser mischbaren Flüssigkeit gefüllten Kapseln können auch für chemische Reaktionen, z. B. Poly merisationsreaktionen eingesetzt werden. So kann das Monomer über dessen Verteilungsgleichgewicht gezielt im Innenraum der Kapseln ange reichert werden. Gegebenenfalls kann die Monomerenlösung bereits vor Beginn der Synthese im Innenraum eingekapselt werden.The capsules can also be used to introduce organic liquids such as alcohols or hydrocarbons e.g. B. hexanol, octanol, Octane or decane, or used to encapsulate gases. Those with an organic, immiscible liquid filled capsules can also be used for chemical reactions, e.g. B. Poly merization reactions are used. So the monomer can over its distribution equilibrium targeted in the interior of the capsules be enriched. If necessary, the monomer solution can already Beginning of the synthesis to be encapsulated in the interior.

Es können jedoch auch Wirkstoffe verkapselt werden, die aufgrund ihrer Größe nicht die Polyelektrolythülle durchdringen können. Hierzu wird der einzuschließende Wirkstoff an das Templatpartikel immobilisiert oder vom Templatpartikel eingekapselt, z. B. durch Phagozytose oder Endozytose bei lebenden Zellen. Nach Desintegration der Templatpartikel wird der Wirkstoff ins Innere der Polyelektrolythülle freigesetzt. Dabei werden zweckmäßigerweise die Bedingungen bei der Desintegration des Templat partikels so gewählt, daß keine unerwünschte Zersetzung des Wirkstoffs eintritt. However, it is also possible to encapsulate active ingredients which, owing to Size cannot penetrate the polyelectrolyte shell. For this, the The active substance to be enclosed is immobilized on the template particle or on Encapsulated template particles, e.g. B. by phagocytosis or endocytosis living cells. After disintegration of the template particles, the active ingredient released inside the polyelectrolyte shell. In doing so expediently the conditions for the disintegration of the template Particles selected so that no undesired decomposition of the active ingredient entry.

Die Kapseln können auf zahlreichen Anwendungsgebieten, beispielsweise Sensorik, Oberflächenanalytik, als Emulsionsträger, Mikroreaktionsräume wie etwa für katalytische Prozesse, Polymerisation-, Präzipitations- oder Kristallisationsprozesse, in der Pharmazie und Medizin, z. B. zum Targeting von Wirkstoffen oder als Ultraschallkontrastmittel, in der Lebensmittel technologie, Kosmetik, Biotechnologie, Sensorik, Informationstechnologie und Druckindustrie (Einkapselung von Farbstoffen) eingesetzt werden. Weiterhin können die Kapseln zum Aufbau von Mikro- bzw. Nanokomposi ten, d. h. Werkstoffen, die aus mindestens zwei verschiedenen Materialien bestehen und eine Mikro- bzw. nanoskopische Ordnung aufweisen, eingesetzt werden.The capsules can be used in numerous applications, for example Sensor technology, surface analysis, as an emulsion carrier, microreaction rooms such as for catalytic processes, polymerization, precipitation or Crystallization processes, in pharmacy and medicine, e.g. B. for targeting of active ingredients or as ultrasound contrast agents, in food technology, cosmetics, biotechnology, sensor technology, information technology and printing industry (encapsulation of dyes). The capsules can also be used to build up micro- or nanocomposites ten, d. H. Materials made from at least two different materials exist and have a micro- or nanoscopic order, be used.

Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die Templatpartikel vorzugsweise in fixierter Form vor der Polyelektrolytbeschichtung durch Behandlung mit einem Lysereagenz partiell zu desintegrieren. Bei recht zeitiger Unterbrechung des Lyseprozesses erhält man partiell aufgelöste Strukturen, z. B. toroidale Strukturen mit einem Loch in der Mitte, die anschließend beschichtet werden können. Nach anschließendem vollständi gen Abbau der Templatpartikel erhält man als Resultat ringförmige Kapseln. Dies ist eine völlig neue topologische Qualität mit interessanten Anwendungsmöglichkeiten, z. B. in der Optik (Mikroflüsterbogeneffekt).Yet another aspect of the invention is the template particles preferably in fixed form before the polyelectrolyte coating Partially disintegrate treatment with a lysis reagent. Right early interruption of the lysis process results in partially resolved Structures, e.g. B. toroidal structures with a hole in the middle that can then be coated. After complete As a result, ring-shaped capsules are obtained when the template particles are broken down. This is a completely new topological quality with interesting ones Applications, e.g. B. in optics (micro whisper bow effect).

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele und Figuren weiter erläutert. Es zeigen:The invention is further illustrated by the following examples and figures explained. Show it:

Fig. 1 die Änderungen des Zetapotentials (A) und den Anstieg der Fluoreszenzintensität (B) als Funktion der Schichtenanzahl für die Abscheidung von Poly(styrolsulfonat-Natriumsalz) (PSS) und Poly(allylaminhydrochlorid) (PAH) auf mit Glutardialdehyd fixierten humanen Erythrozyten. Fig. 1, the changes in zeta potential (A) and the increase in fluorescence intensity (B) as a function of the number of layers for the deposition of poly (styrenesulfonate, sodium salt) (PSS) and poly (allylamine hydrochloride) (PAH) human on fixed with glutaraldehyde erythrocytes.

Fig. 2 ein rasterelektronenmikroskopisches Bild eines mit zehn Schichten PSS und PAH bedeckten Discozyten. Fig. 2 is a scanning electron microscopic image of a covered with ten layers of PSS and PAH discocytes.

Fig. 3 transmissionselektronenmikroskopische Abbildungen eines unbeschichteten (A) und eines beschichteten (B) Discozyten sowie einer nach Auflösung des beschichteten Discozyten erhaltenden Polyelektrolythülle (C). Fig. 3 transmission electron microscopic images of an uncoated (A) and a coated (B) discocyte and a polyelectrolyte shell (C) obtained after dissolution of the coated discocyte.

Fig. 4 atomkraftmikroskopische Abbildungen von auf Discozyten (A) und Echinozyten (B) abgeschiedenen Polyelektrolythüllen. Fig. 4 atomic force micrographs of discocytes on (A) and echinocyte (B) deposited polyelectrolyte shells.

Fig. 5 mit einem konfokalen Mikroskop aufgenommene Bilder von auf Echinozyten abgeschiedenen und aus 11 Schichten PSS/PAH bestehenden Polyelektrolythüllen. Fig deposited. 5 with a confocal microscope images taken by on echinocytes and consisting of 11 layers PSS / PAH polyelectrolyte shells.

Fig. 6 mit einem konfokalen Mikroskop aufgenommene Bilder von mit 6-Carboxyfluorescein gefüllten Polyelektrolythüllen. Fig 6 taken with a confocal microscope images. Filled with 6-carboxyfluorescein polyelectrolyte shells.

Fig. 7 Elektrorotationsspektren von Polyelektrolythüllen auf Discozyten ohne zusätzliche Beschichtung (A) oder beschichtet mit DPPA (B) oder DPPC (C). Fig. 7 Electrorotation spectra of polyelectrolyte shells on discocytes without additional coating (A) or coated with DPPA (B) or DPPC (C).

Fig. 8 die Abbildung einer auf einem Discozyten abgeschiedenen Polyelektrolythülle in einem Lichtmikroskop (A) und das entsprechende rasterelektronenmikroskopische Bild (B). Fig. 8, the illustration of a deposited on a discocytes polyelectrolyte in a light microscope (A) and the corresponding scanning electron micrograph (B).

Fig. 9 die Bildung von Poly(diallylmethylammoniumchlorid) durch radikalische Polymerisation auf der Außenseite und im Inneren von Polyelektrolythüllen. Fig. 9 shows the formation of poly (diallylmethylammonium chloride) by radical polymerization on the outside and inside of polyelectrolyte shells.

Examples 1. Preparation of polymer shells with bovine or human erythrocytes as a template

Von frischem Human- oder Rinderblut wird das Plasma abzentrifugiert. Anschließend folgt zweimaliges Waschen in einer isotonen Phosphat- gepufferten Kochsalzlösung PBS (5,8 mM Phosphatpuffer pH 7,4, KCl 5,6 mM, NaCl 150 mM). Anschließend werden die Erythrozyten mit Glutardialdehyd in einer Konzentration von 2% fixiert. Dazu wird 1 ml des Erythrozytensediments mit 1 ml PBS aufgefüllt. Zu dieser Lösung werden dann tröpfchenweise 8 ml einer Glutardialdehydlösung (1 Teil Glutardialdehyd (25%ige wässrige Lösung) und 9 Teile PBS) zugegeben. Nach 60 min Einwirkzeit bei 20°C wird die Lösung abzentrifugiert und die Erythrozyten werden viermal in bidestillierten Wasser gewaschen. Anschließend werden die fixierte Erythrozyten mit ungepufferter 154 mM NaCl Lösung aufgefüllt.The plasma is centrifuged off from fresh human or cattle blood. This is followed by two washes in an isotonic phosphate buffered saline PBS (5.8 mM phosphate buffer pH 7.4, KCl 5.6 mM, NaCl 150 mM). Then the erythrocytes are included Glutardialdehyde fixed in a concentration of 2%. 1 ml of the Erythrocyte sediments filled with 1 ml PBS. Become this solution then 8 ml of a glutardialdehyde solution (1 part Glutardialdehyde (25% aqueous solution) and 9 parts PBS) added. After an exposure time of 60 min at 20 ° C, the solution is centrifuged off and the Erythrocytes are washed four times in bidistilled water. Then the fixed erythrocytes with unbuffered 154 mM NaCl solution filled up.

Als nächster Schritt folgt die konsekutive Adsorption von zwei entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten. Da die Ausgangsladung der fixierten Erythrozyten negativ ist, wird vorzugsweise zunächst positiv geladenes Poly(allylamin)hydrochlorid (PAH) mit einem Molekulargewicht zwischen 50 und 60 kD (Aldrich) verwendet. Es kann jedoch auch ein negativ geladener Polyelektrolyt als erste Schicht auf den Erythrozyten abgeschieden werden. Zur Beschichtung der Erythrozyten werden 4 ml Lösung mit einer Konzentration von 0,5 g/dl PAH und 0,5 M NaCl bei einer Erythrozytenkonzentration von ca. 2,5 (v/v) angesetzt. Nach 10 min Einwirkzeit bei 20°C werden die Erythrozyten abzentrifugiert und zweimal in einer 154 mM NaCl Lösung gewaschen. Anschließend folgt die Adsorption der zweiten Schicht. Zu diesem Zweck wird negativ geladenes Poly(styrolsulfonat)-Natriumsalz (PSS) mit einem Molekulargewicht von 70 kD verwendet. Zum Aufbringen der ersten PSS-Schicht auf die bereits mit PAH beschichteten Erythrozyten werden 4 ml Lösung mit einer Konzentration von 0,5 g/dl PSS und 0,5 M NaCl und einer Erythrozytenkonzentration von ca. 2,5% (v/v) angesetzt. Nach 10 min Einwirkzeit bei 20°C werden die Erythrozyten abzentrifugiert und zweimal in einer 154 mM NaCl Lösung gewaschen. Das Aufbringen von PAH- und PSS-Schichten kann beliebig oft wiederholt werden. Beispielsweise können jeweils 5 PAH- und 5 PSS-Schichten aufgebracht werden.The next step is the consecutive adsorption of two oppositely charged polyelectrolytes. Since the output charge of the fixed erythrocytes is negative, is preferably positive at first charged poly (allylamine) hydrochloride (PAH) with a molecular weight between 50 and 60 kD (Aldrich) used. However, it can also be a negatively charged polyelectrolyte as the first layer on the erythrocytes be deposited. To coat the erythrocytes, 4 ml Solution with a concentration of 0.5 g / dl PAH and 0.5 M NaCl in a Erythrocyte concentration of approx. 2.5 (v / v) set. After 10 min Exposure time at 20 ° C, the erythrocytes are centrifuged off and twice washed in a 154 mM NaCl solution. Then follows the Adsorption of the second layer. For this purpose, negatively charged Poly (styrene sulfonate) sodium salt (PSS) with a molecular weight of 70 kD used. To apply the first PSS layer on the already with PAH coated erythrocytes, 4 ml of solution with a Concentration of 0.5 g / dl PSS and 0.5 M NaCl and one Erythrocyte concentration of approx. 2.5% (v / v) set. After 10 min Exposure time at 20 ° C, the erythrocytes are centrifuged off and twice washed in a 154 mM NaCl solution. The application of PAH and PSS layers can be repeated any number of times. For example 5 PAH and 5 PSS layers each are applied.

Zur Auflösung des Templats werden die fixierten Erythrozyten in eine 1,2%ige NaOCl Lösung pipettiert. Ebenso geeignet sind handelsübliche Deproteinizer (Produkt, Hersteller) oder Abflußreiniger (z. B. Chlorix, Hersteller). Die Einwirkzeit beträgt ca. 20 min bei 20°C und läßt sich optisch über die verschwindende Trübung der Lösung kontrollieren. Die verbleibenden Polymerhüllen werden anschließend in NaCl Lösung gewaschen.In order to dissolve the template, the fixed erythrocytes are put into one Pipette 1.2% NaOCl solution. Commercially available are also suitable Deproteinizer (product, manufacturer) or drain cleaner (e.g. Chlorix, Manufacturer). The exposure time is approx. 20 min at 20 ° C and can be Check visually about the disappearing turbidity of the solution. The remaining polymer shells are then in NaCl solution washed.

2. Preparation of polymer shells with E.coli bacteria or yeast as Template

Zunächst werden die E.coli Zellen durch zweimaliges Waschen in einer isotonen PBS-Lösung vom Nährmedium getrennt. Anschließend erfolgt die Fixierung mit Glutardialdehyd. Hierzu wird das Sediment der Coli-Bakterien auf 2 ml mit PBS aufgefüllt. Zu dieser Lösung werden 8 ml einer Glutardialdehydlösung auf eine Endkonzentration von 2% zugegeben. Nach 60 min Einwirkzeit bei 20°C wird die Lösung abzentrifugiert und die fixierten E.coli Zellen werden viermal in bidestilliertem Wasser gewaschen.First, the E.coli cells are washed twice in one isotonic PBS solution separated from the nutrient medium. Then the Fixation with glutardialdehyde. For this, the sediment of the coli bacteria made up to 2 ml with PBS. 8 ml of a Glutardialdehyde solution added to a final concentration of 2%. To 60 minutes exposure time at 20 ° C, the solution is centrifuged off and the fixed E.coli cells are washed four times in bidistilled water.

Anschließend folgt eine konsekutive Adsorption von zwei entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten wie in Beispiel 1 beschrieben.This is followed by a consecutive adsorption of two opposite charged polyelectrolyte as described in Example 1.

Auf entsprechende Weise wurden - ohne vorherige Fixierung - auch Hefezellen beschichtet. In a corresponding way - without previous fixation - too Yeast cells coated.

3. Deposition of lipid layers on polyelectrolyte shells

Zur Abscheidung von Lipidschichten auf Polyelektrolythüllen wurden zwei unterschiedliche Verfahren verwendet.Two were used to deposit lipid layers on polyelectrolyte shells different methods used.

3.1

200 µl einer Suspension von Polyelektrolythüllen werden durch wiederholtes Waschen in Methanol resuspendiert. Nach dem dritten Waschen werden anstelle von reinem Methanol 500 µl einer Lipidlösung von z. B. 1 mg/ml Dipalmitoylphosphatidinsäure (DPPA) oder Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) in Methanol dem Sediment zugesetzt. Die Hüllen werden in dieser Methanol-Lipidlösung resuspendiert und die Suspension bei einer Temperatur von 90°C in einem Wasserbad gehalten. Der verdampfende Methanol wird durch tropfenweise Zugabe von Wasser in Portionen von jeweils 20 µl ersetzt. Der Austausch von 700 µl Methanol gegen Wasser dauert etwa 30 min.200 µl of a suspension of polyelectrolyte shells are repeated Wash resuspended in methanol. After the third wash instead of pure methanol 500 ul of a lipid solution of z. B. 1 mg / ml Dipalmitoylphosphatidic acid (DPPA) or Dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) added to the sediment in methanol. The envelopes are in this Resuspended methanol lipid solution and the suspension at a Temperature kept at 90 ° C in a water bath. The evaporating Methanol is added by adding water in portions of 20 µl each replaced. The exchange of 700 µl methanol for water takes about 30 min.

Nach Beendigung der Verdampfung wird die Hüllensuspension dreimal mit Wasser gewaschen und wiederholt zentrifugiert. Durch 20 min Zentrifugation bei 25 000 Upm können die Lipid-beschichteten Hüllen sedimentiert werden.After the evaporation has ended, the envelope suspension is added three times Washed water and centrifuged repeatedly. Through 20 min The lipid-coated shells can be centrifuged at 25,000 rpm be sedimented.

3.2

Dispersionen von DPPA oder 90% DPPC und 10% DPPA mit einer Konzentration von 1 mg Lipid/ml in Wasser werden durch Ultraschallbehandlung hergestellt. 50 µl der resultierenden Dispersion von Lipidvesikeln werden auf 200 µl einer konzentrierten Hüllensuspension gegeben. Nach 30 min werden die Proben 20 min bei 25 000 Upm zentrifugiert. Der Überstand wird entfernt und durch Wasser ersetzt. Diese Prozedur wird dreimal wiederholt. Dabei wird eine konzentrierte Suspension von Lipid-beschichteten Hüllen erhalten.Dispersions of DPPA or 90% DPPC and 10% DPPA with one Concentration of 1 mg lipid / ml in water are determined by Ultrasound treatment manufactured. 50 µl of the resulting dispersion of Lipid vesicles are placed on 200 µl of a concentrated suspension suspension given. After 30 minutes, the samples are run at 25,000 rpm for 20 minutes centrifuged. The supernatant is removed and replaced with water. This The procedure is repeated three times. This creates a concentrated suspension obtained from lipid-coated shells.

4. Inclusion of organic solvents in polyelectrolyte shells

Eine wässrige Suspension von Polyelektrolythüllen wird 5 min bei 3000 Upm zentrifugiert. Nach Entfernen des Überstands wird Methanol zugegeben. Die Hüllen werden resuspendiert und 10 min lang bei 4000 Upm zentrifugiert. Erneut wird der Überstand entfernt, Methanol zugegeben und die Probe unter denselben Bedingungen wie zuvor zentrifugiert. Diese Prozedur wird dreimal wiederholt. Nach der letzten Zentrifugation mit Methanol wird der Überstand durch Hexanol ersetzt. Die Hüllen werden resuspendiert und 10 min bei 5000 Upm zentrifugiert. Diese Prozedur wird wiederum dreimal wiederholt.An aqueous suspension of polyelectrolyte shells is 5 min at 3000 RPM centrifuged. After removing the supernatant, methanol admitted. The shells are resuspended and at 4000 rpm for 10 minutes centrifuged. The supernatant is removed again, methanol is added and centrifuge the sample under the same conditions as before. This The procedure is repeated three times. After the last centrifugation with Methanol the supernatant is replaced by hexanol. The envelopes will resuspended and centrifuged for 10 min at 5000 rpm. This procedure will repeated three times.

Zum Einschluß von Octanol, Octan oder Decan in die Hüllen wird eine ähnliche Prozedur verwendet, wobei als Ausgangsmaterial die in einer Hexanollösung vorliegenden Hüllen verwendet werden. Die Zentrifugationsgeschwindigkeit wird für Octanol und Octan auf 7000 Upm (10 min) und für Decan auf 7500 Upm (10 min) erhöht.For the inclusion of octanol, octane or decane in the shells is a similar procedure is used, the starting material being that in a Hexanol solution can be used. The Centrifugation speed is set to 7000 rpm for octanol and octane (10 min) and increased to 7500 rpm (10 min) for decane.

Schließlich wird das resultierende Sediment in Wasser resuspendiert. Die Hüllen verbleiben in der wässrigen Phase, während die noch vorhandenen Spuren des Lösungsmittels im Sediment zwischen den Hüllen eine zweite organische Phase bilden. Durch Verwendung von Fluoreszenzmarkern für die organische und die wässrige Phase kann mittels konfokaler Mikroskopie gezeigt werden, daß die Hüllen mit organischem Lösungsmittel gefüllt sind.Finally the resulting sediment is resuspended in water. The Envelopes remain in the aqueous phase, while those that are still present Traces of the solvent in the sediment between the casings a second form organic phase. By using fluorescent markers for the organic and the aqueous phase can be determined by means of confocal microscopy are shown that the shells are filled with organic solvent.

Die beschriebene Prozedur ermöglicht die Herstellung einer hochstabilen Emulsion von nichtpolaren Flüssigkeiten in Wasser. Als Folge der Monodispersität der ursprünglichen Hüllen ist die erzeugte Emulsion ebenso monodispers. Ein weiterer Vorteil ist, daß selbst die Form der einzelnen Tröpfchen - abhängig vom verwendeten Templat - reguliert werden kann. Dies ermöglicht die Herstellung von Emulsionen mit Oberfläche : Volumen- Verhältnissen, die von denjenigen einer Kugel verschieden sind.The procedure described enables the production of a highly stable one Emulsion of non-polar liquids in water. As a result of The emulsion produced is also monodispersity of the original shells monodisperse. Another advantage is that even the shape of the individual Droplets - depending on the template used - can be regulated. This enables the production of emulsions with surface: volume Ratios that are different from those of a sphere.

5. Characterization of polyelectrolyte shells

Fig. 1 zeigt die Änderungen im Zetapotential (A) und den Anstieg der Fluoreszenzintensität (B) als Funktion der Schichtenzahl bei der Abscheidung von Poly(styrolsulfonat-Natriumsalz) und Poly(allylaminhydrochlorid) auf mit Glutardialdehyd vorbehandelten humanen Erythrozyten. Das Zetapotential wird durch elektrophoretische Mobilitätsmessungen (Elektrophor, Hasotec) in physiologischer Salzlösung bestimmt. Die Fluoreszenzintensitäts verteilungen werden durchflußzytometrisch (FACScan, Becton Dickinson) unter Verwendung von FITC-markiertem PAH in drei aufeinanderfolgenden Schichtabscheidungszyklen aufgezeichnet. Fig. 1 shows the changes in zeta potential (A) and the increase in fluorescence intensity (B) as a function of the number of layers in the deposition of poly (styrene sulfonate sodium salt) and poly (allylamine hydrochloride) on human erythrocytes pretreated with glutardialdehyde. The zeta potential is determined by electrophoretic mobility measurements (Elektrophor, Hasotec) in physiological saline. The fluorescence intensity distributions are recorded by flow cytometry (FACScan, Becton Dickinson) using FITC-labeled PAH in three successive layer deposition cycles.

In Fig. 2 ist das rasterelektronenmikroskopische Bild eines mit zehn Schichten von PSS und PAH bedeckten Discozyten gezeigt. Der Trocknungsprozeß führt zum Enstehen longitudinaler Falten der Polyelektrolytschicht entlang dem Rand der Zelle.In FIG. 2, the scanning electron microscopic image is shown of a covered with ten layers of PSS and PAH discocytes. The drying process leads to the formation of longitudinal folds of the polyelectrolyte layer along the edge of the cell.

Fig. 3 zeigt transmissionselektronenmikroskopische Bilder von unbe schichteten (A) und beschichteten (B) Discozyten. Die Polyelektrolythülle ist deutlich zu erkennen. Die nach Solubilisierung der Zelle erhaltene Polyelektrolythülle (C) zeigt zwei überraschende Eigenschaften. Die Vergrößerungen sind 1 : 15000 bei A und B und 1 : 17000 bei C. Erstens ist sie der Form der ursprünglichen Zelle ähnlich und zweitens scheint sie vollkommen leer zu sein, ohne daß Risse oder größere Poren in der Hülle zu erkennen sind. Fig. 3 shows transmission electron microscopic images of uncoated (A) and coated (B) discocytes. The polyelectrolyte shell is clearly visible. The polyelectrolyte shell (C) obtained after solubilization of the cell shows two surprising properties. The magnifications are 1: 15000 for A and B and 1: 17000 for C. First, it is similar to the shape of the original cell and, secondly, it appears to be completely empty with no cracks or larger pores in the shell.

In Fig. 4 sind zwei mit Atomkraft-Mikroskopie (AFM) erzeugte Bilder (Breite 10 µm) dargestellt, die auf einem Discozyten (A) und einem Echinozyten (B) abgeschiedene Polyelektrolythüllen aus insgesamt 9 Schichten zeigen. Während die auf einem ellipsoidalen Discozyten abschiedenen Hüllen nur wenige Falten zeigen, führt der Abscheideprozeß auf einem sternartigen Echinozyten zu gut strukturierten Hüllen, auf denen sogar die Vorsprünge des ursprünglichen Templats zu erkennen sind. Dies geht noch deutlicher aus den in Fig. 5 gezeigten konfokalen Mikroskopbildern einer auf einem Echinozyten abgeschiedenen Polyelektrolythülle aus elf Schichten PSS/PAH hervor. Die äußere Schicht besteht aus mit FITC markiertem PAH. Die Breite der Bilder ist 7 µm. Die Scans wurden in 2 Ebenen getrennt durch einen Abstand von 1 µm gemacht. Scan A läuft durch den oberen Teil der auf einem Glasträger aufgebrachten Hülle. Auf diesen Bildern ist zu erkennen, daß das Innere der Hülle, selbst im Bereich der Vorsprünge leer ist.In FIG. 4, two produced by atomic force microscopy (AFM) images (width 10 .mu.m) are illustrated showing on a discocytes (A) and a echinocyte (B) deposited polyelectrolyte shells from a total of 9 layers. While the envelopes deposited on an ellipsoidal discocyte show only a few folds, the deposition process on a star-like echinocyte leads to well-structured envelopes on which even the protrusions of the original template can be seen. This can be seen even more clearly from the confocal microscope images shown in FIG. 5 of a polyelectrolyte shell composed of eleven layers of PSS / PAH deposited on an echinocyte. The outer layer consists of PAH marked with FITC. The width of the images is 7 µm. The scans were made in 2 planes separated by a distance of 1 µm. Scan A runs through the upper part of the envelope attached to a glass slide. It can be seen in these pictures that the inside of the envelope is empty, even in the area of the projections.

Fig. 6 zeigt mit einem konfokalen Mikroskop aufgenommene Bilder von auf Discozyten abgeschiedenen Polyelektrolythüllen, die aus 10 Schichten PSS/PAH bestehen. Die Hüllen wurden mit einer 100 µM 6- Carboxyfluorescein (6-CF) Lösung behandelt. In Fig. 6A ist eine Fluoreszenz innerhalb der Hüllen zu erkennen. Dies zeigt, daß die 6-CF Moleküle in das Innere der Hülle eindringen können. Fig. 6 shows a confocal microscope images taken from deposited on discocytes polyelectrolyte shells which consist of 10 PSS / PAH layers. The shells were treated with a 100 µM 6-carboxyfluorescein (6-CF) solution. A fluorescence within the envelopes can be seen in FIG. 6A. This shows that the 6-CF molecules can penetrate inside the shell.

Bei Inkubation der Hüllen mit 100 nM 6-CF konnte keine Fluoreszenz gefunden werden. Dies zeigt, daß durch Behandlung mit dem Lysereagenz die zur Bindung von 6-CF fähigen Aminogruppen von PAH abgebaut oder/und blockiert werden. Aufgrund der geringen Konzentration von 6-CF ist die Lösungsfluoreszenz zu gering, um als Hintergrund nachgewiesen werden zu können.No fluorescence was observed when the shells were incubated with 100 nM 6-CF being found. This shows that by treatment with the lysis reagent the 6-CF capable amino groups of PAH are degraded or / and blocked. Due to the low concentration of 6-CF the solution fluorescence is too low to be detected as a background to be able to.

Durch Adsorption von Dipalmitoylphosphatidinsäure (DPPA) oder zwitterionischen Lipiden beispielsweise Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) auf Polyelektrolythüllen gemäß Beispiel 3 durch Verdampfen werden mit stabilen Lipidschichten bedeckte Polyelektrolythüllen erhalten. Die Lipidschicht verhindert weitgehend das Eindringen von 6-CF in die Hülle (Fig. 6B). Die Breite der in Fig. 6A und 6B dargestellten Bilder ist 16 bzw. 15 µm. Weitere Experimente zeigten, daß die Lipidschichten für mindestens 4 Wochen stabil sind und daß auf den Lipidschichten weitere Polyelektrolytschichten ohne Zerstörung der darunter liegenden Lipidschicht abgeschieden werden können.Adsorption of dipalmitoylphosphatidic acid (DPPA) or zwitterionic lipids, for example dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) on polyelectrolyte shells according to Example 3 by evaporation gives polyelectrolyte shells covered with stable lipid layers. The lipid layer largely prevents 6-CF from entering the shell ( FIG. 6B). The width of the images shown in Figs. 6A and 6B is 16 and 15 µm, respectively. Further experiments showed that the lipid layers are stable for at least 4 weeks and that further polyelectrolyte layers can be deposited on the lipid layers without destroying the underlying lipid layer.

Die Technik der Elektrorotation (Arnold et al., J. Phys. Chem. 91 (1987), 5093; Fuhr et al., In: Electromanipulation of Cells, U. Zimmermann und G. A. Neil, Hrsg., CRC Press, Boca Raton (1996), 259-328; Prüger et al., Biophys. J. 72 (1997), 1414) ist eine spektroskopische Methode, welche die Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften von Mehrschichtstrukturen ermöglicht. Dabei wird ein rotierendes elektrisches Feld im KHz- bis MHz- Bereich an die Teilchensuspension angelegt. Das induzierte Dipolmoment bildet eine Winkel mit dem angelegten Feldvektor, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Felds zu schnell ist, daß ihm das zu induzierte Dipolmoment folgen kann. Als Ergebnis erhält das Teilchen ein Drehmoment, welches wiederum zu einer erkennbaren Drehung des Teilchens selbst führt. Ein Elektrorotationsspektrum wird durch Messung der Teilchenrotationsgeschwindigkeit als Funktion der Rotationsfrequenz des äußeren elektrischen Felds erhalten.The technique of electrorotation (Arnold et al., J. Phys. Chem. 91 (1987), 5093; Fuhr et al., In: Electromanipulation of Cells, U. Zimmermann and G. A. Neil, ed., CRC Press, Boca Raton (1996), 259-328; Prüger et al., Biophys. J. 72 (1997), 1414) is a spectroscopic method which the Investigation of the dielectric properties of multilayer structures enables. A rotating electric field in the KHz to MHz Area created on the particle suspension. The induced dipole moment forms an angle with the applied field vector if the The speed of rotation of the field is too fast that it induces it Dipole moment can follow. As a result, the particle gets one Torque, which in turn leads to a recognizable rotation of the Particle itself. An electrorotation spectrum is obtained by measuring the Particle rotation speed as a function of the rotation frequency of the external electric field.

Fig. 7 zeigt drei typische Elektrorotationsspektren für eine unbeschichtete Polyelektrolythülle als Kontrolle (A), eine mit DPPA beschichtete Polyelektrolythülle (B) und eine mit DPPC beschichtete Polyelektrolythülle (C). Die Leitfähigkeit der wässrigen Phase außerhalb der Hüllen war 2.000 µS/cm, 80 µS/cm bzw. 100 µS/cm. Das Vorhandensein einer isolierenden Lipidschicht führt zu einer negativen Rotationsrichtung im KHz-Bereich. Die stark leitfähige Polyelektrolythülle (etwa 10⁴ µS/cm) erzeugt den bei der Kontrolle in der MHz-Region erkennbaren positiven Peak. Die schwach leitfähige DPPA-Schicht wird bei hohen Frequenzen kurzgeschlossen. Die Abwesenheit einer positiven Rotation im Falle der DPPC-Beschichtung weist auf das Vorhandensein von Lipidmultischichten hin. Diese Ergebnisse zeigen, daß Polyelektrolyt-Multischichten mit Lipiden zur Kontrolle der Permeabilität erfolgreich beschichtet werden können und daß die beschichteten Hüllen für ionische Verbindungen wie Salze wenig durchlässig sind. Fig. 7 shows three typical electrorotation spectrum for an uncoated polyelectrolyte as a control (A), a film coated with DPPA polyelectrolyte (B) and a surface coated with DPPC polyelectrolyte (C). The conductivity of the aqueous phase outside the shells was 2,000 µS / cm, 80 µS / cm and 100 µS / cm. The presence of an insulating lipid layer leads to a negative direction of rotation in the KHz range. The highly conductive polyelectrolyte shell (approx. 10 ⁴ µS / cm) generates the positive peak that can be seen in the control in the MHz region. The weakly conductive DPPA layer is short-circuited at high frequencies. The absence of positive rotation in the case of the DPPC coating indicates the presence of multilayered lipids. These results show that polyelectrolyte multilayers can be successfully coated with lipids to control permeability and that the coated shells are not very permeable to ionic compounds such as salts.

Die leeren Polyelektrolythüllen können auch zur kontrollierten Präzipitation oder Kristallisation organischer oder anorganischer Materialien verwendet werden. Hierzu werden auf Discozyten templatierte Polyelektrolythüllen in einer 30 mM 6-CF Lösung bei pH 7 inkubiert. Anschließend wurde der pH Wert rasch auf einen Wert von 3,5 verändert, bei dem 6-CF weitgehend unlöslich wird. Nach Inkubation über 1 bis 12 h wurde eine Mischung von scheinbar vollständig mit 6-CF gefüllten und leeren Hüllen erhalten. Fig. 8A zeigt die lichtmikroskopische Aufnahme einer Polyelektrolythülle (10 Schichten) und Fig. 8B das entsprechende rasterelektronenmikroskopische Bild. Das vollständig dunkle Bild A ist auf die starke Adsorption des kristallisierten 6-CF zurückzuführen. Das SEM-Bild zeigt, daß das im Inneren der Hülle kristallisierte 6-CF die Form des ursprünglichen Templats annimmt. Die Breite von Bild A ist 8 µm. In weiteren Experimenten wurde gezeigt, daß Rhodamin B durch Erhöhung des pH-Wertes präzipitiert werden kann. Die Präzipitation von Wirkstoffen kann auch durch andere Maßnahmen, z. B. Lösungsmittelaustausch, Salzfällung etc. ausgelöst werden. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Polyelektrolythüllen als Template für Kristallisations- oder Präzipitationsprozesse dienen können, wodurch eine Kontrolle der Größe und Form von durch die Reaktion entstandenen kolloidalen Teilchen ermöglicht wird.The empty polyelectrolyte shells can also be used for the controlled precipitation or crystallization of organic or inorganic materials. For this purpose, polyelectrolyte shells which have been templated on discocytes are incubated in a 30 mM 6-CF solution at pH 7. The pH was then quickly changed to a value of 3.5 at which 6-CF became largely insoluble. After incubation for 1 to 12 h, a mixture of apparently completely filled with 6-CF and empty shells was obtained. FIG. 8A shows the light micrograph of a polyelectrolyte shell (10 layers) and FIG. 8B the corresponding scanning electron microscopic image. The completely dark image A is due to the strong adsorption of the crystallized 6-CF. The SEM image shows that the 6-CF crystallized inside the shell takes the form of the original template. The width of image A is 8 µm. In further experiments it was shown that rhodamine B can be precipitated by increasing the pH. The precipitation of active ingredients can also by other measures, such. B. solvent exchange, salt precipitation, etc. are triggered. These results show that the polyelectrolyte shells can serve as templates for crystallization or precipitation processes, which enables the size and shape of colloidal particles formed by the reaction to be controlled.

Fig. 9 zeigt das Ergebnis einer radikalischen Polymerisation von Diallyldimethylammoniumchlorid (DADMAC) in PAH/PSS Hüllen. Hierzu wurde eine 3%ige Monomerlösung in einer 2%igen Kapselsuspension mit dem Polymerisationsinitiator Natriumperoxodisulfat (30 mg/100 ml) versetzt und 9,5 h bei 70°C polymerisiert. Durch Zentrifugation wurde das in der Volumenphase synthetisierte Polymer PDADMAC entfernt. Nach Behandlung mit 100 mM 6-CF ist deutlich die Bindung des Farbstoffs an die Aminogruppen von PDADMAC zu erkennen. Das Polymer ist an den negativen Kapselwänden adsorbiert, es ist aber auch im Inneren der Kapseln zu finden. Fig. 9 shows the result of free radical polymerization of diallyl dimethyl ammonium chloride (DADMAC) in PAH / PSS cases. For this purpose, the polymerization initiator sodium peroxodisulfate (30 mg / 100 ml) was added to a 3% monomer solution in a 2% capsule suspension and polymerization was carried out at 70 ° C. for 9.5 hours. The polymer PDADMAC synthesized in the bulk phase was removed by centrifugation. After treatment with 100 mM 6-CF, the binding of the dye to the amino groups of PDADMAC can clearly be seen. The polymer is adsorbed on the negative capsule walls, but it can also be found inside the capsules.

Aus neun Schichten bestehende Polyelektrolythüllen ([PSS/PAH]₄PSS) wurden auf Humanerythrozyten abgeschieden und die Templatpartikel entfernt. Anschließend wurde eine weitere Schicht PAH aufgetragen. Die Kapseln wurden zur radikalischen Polymerisation von Acrylsäure zu Polyacrylsäure verwendet. Hierzu wurde eine 3%ige Monomerlösung in einer 2%igen Kapselsuspension mit dem Initiator Natriumperoxodisulfat (30 mg/100 ml) versetzt und 9,5 h bei 70°C polymerisiert. Durch Zentrifugation wurde die in der Volumenphase synthetisierte Polyacrylsäure entfernt. Nach Zugabe von 100 nM Rhodamin B (das selektiv an anionische Gruppen bindet) konnte das Vorhandensein von Polyacrylsäure adsorbiert an die negativ geladenen Kapselwände, aber auch im Inneren der Kapseln nachgewiesen werden. Aufgrund einer durch Acrylsäure vermittelten Brückenbildung fand eine Flockung der Kapseln statt. Diese Adsorption der Acrylsäure kann durch Verwendung von Kapseln mit einer äußeren negativen Ladung verhindert werden.Polyelectrolyte shells consisting of nine layers ([PSS / PAH] ₄ PSS) were deposited on human erythrocytes and the template particles were removed. Another layer of PAH was then applied. The capsules were used for the radical polymerization of acrylic acid to polyacrylic acid. To this end, the initiator sodium peroxodisulfate (30 mg / 100 ml) was added to a 3% monomer solution in a 2% capsule suspension and the mixture was polymerized at 70 ° C. for 9.5 h. The polyacrylic acid synthesized in the bulk phase was removed by centrifugation. After adding 100 nM Rhodamine B (which binds selectively to anionic groups), the presence of polyacrylic acid adsorbed on the negatively charged capsule walls, but also inside the capsules, could be demonstrated. Due to the formation of bridges mediated by acrylic acid, the capsules flocculated. This adsorption of acrylic acid can be prevented by using capsules with an external negative charge.

Claims

1. A process for the production of capsules with a polyelectrolyte shell, characterized in that several consecutive layers of oppositely charged polyelectrolyte molecules are applied on a template selected from aggregates of biological and / or amphiphilic materials and then optionally disintegrated the template.

2. The method according to claim 1, characterized, that one uses a template selected from the group consisting of cells, cell aggregates, subcellular particles, Virus particles and aggregates of biomolecules.

3. The method according to claim 1, characterized, that pollen is used as a template.

4. The method according to claim 1, characterized, that one uses a template selected from the group consisting of vesicles, micelles and lipid aggregates.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the template is pretreated with a fixative.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that formaldehyde and / or glutardialdehyde as a fixative reagent used.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized, that a partially disintegrated template as a starting material for Application of the polyelectrolyte molecules is used.

8. The method according to claim 7, characterized, that the template has a toroidal structure.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the disintegration of the template by adding a lysis reagent he follows.

10. The method according to claim 9, characterized, that the lysis reagent is selected from a deproteinizing agent Contains peroxo and hypochlorite compounds.

11. The method according to claim 10, characterized, that sodium or potassium hypochlorite as a deproteinizing agent used.

12. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that after disintegration of the template at least one lipid layer is deposited on the polyelectrolyte shell.

13. The method according to claim 12, characterized, that at least one further polyelectrolyte layer on the Lipid layer is deposited.

14. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that an active ingredient is introduced into the capsules.

15. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the active ingredient from catalysts, pharmaceutical active ingredients, Polymers, dyes, sensor molecules, flavorings and Plant protection products is selected.

16. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that organic liquids or gases are introduced into the capsules become.

17. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that in or / and on the capsules a chemical reaction, e.g. Legs Polymer synthesis is carried out.

18. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that in or / and on the capsules precipitation or crystallization is carried out.

19. Polyelectrolyte capsules obtainable by a method according to one of the Claims 1 to 18.

20. Capsules according to claim 19, characterized, that they contain the template particles inside.

21. Capsules according to claim 18, characterized, that they contain no detectable residues of the template.

22. Capsules according to one of claims 19 to 21, characterized, that they have an outer shape predetermined by the template particles exhibit.

23. Capsules according to claim 22, characterized, that they have an anisotropic shape.

24. Capsules according to claim 23, characterized, that they have a toroidal shape.

25. Capsules according to claim 19 to 24, characterized, that they contain an active ingredient.

26. Use of capsules according to one of claims 19 to 25 for Encapsulation of active ingredients.

27. Use of capsules according to one of claims 19 to 25 as Microreaction rooms for chemical reactions or as Precipitation or crystallization template.

28. Use of capsules according to one of claims 19 to 25 in the Sensor technology, surface analysis or information technology.

29. Use of capsules according to one of claims 19 to 25 in the Pharmacy and medicine, food technology, biotechnology, Cosmetics and printing industry.

30. Use of capsules according to one of claims 19 to 25 for Structure of micro or nanocomposites.

31. Use of capsules according to one of claims 19 to 25 as Emulsion carrier.

32. Anisotropic particle compositions available from Encapsulation of active substances in capsules according to claim 23 or 24 and removal of the polyelectrolyte shell.

33. Compositions according to claim 32 in the form of a dispersion.