DE102011055861A1

DE102011055861A1 - Verfahren zur Herstellung monodisperser Pektin-Mikrogele unter Verwendung eines mikrofluidischen Systems

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Publication number: DE102011055861A1
Application number: DE102011055861A
Authority: DE
Inventors: Dominika Ogonczyk; Piotr Garstecki; Marta Siek
Original assignee: Instytut Chemii Fizycznej of PAN
Current assignee: Instytut Chemii Fizycznej of PAN
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: DE102011055861B4; PL393195A1; PL215011B1

Abstract

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung monodisperser Pektin-Mikrogele unter Verwendung eines mikrofluidischen Systems, umfassend die Stufen: i) Erzeugung der Emulsion und ii) Gelbildung durch die Diffusion der in der kontinuierlichen Phase vorhandenen Vernetzungsionen zu der dispersen Phase, das sich dadurch auszeichnet, dass die kontinuierliche Phase ein Öl, ein Metallsalz sowie eine Säure enthält, und die disperse Phase eine wässrige Pektin-Lösung darstellt, die optional Nanopartikel enthält.

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung monodisperser Pektin-Mikrogele unter Verwendung eines mikrofluidischen Systems. Insbesondere ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, Pektin-Mikrogele mit kontrollierter Struktur unter Verwendung mikrofluidischer Techniken für die Verkapselung der Nanopartikel zu formulieren.
Die mikrofluidischen Techniken sind ein universelles, in der Wissenschaft, und insbesondere in der Biologie, Chemie, Medizin und Pharmazie verwendetes Forschungsinstrument. Sie erlauben die Handhabung von sehr kleinen Flüssigkeitsvolumina (sogar im Pikoliter-Bereich), wie auch die Herstellung monodisperser Mikropartikel und Mikrokapseln mit kontrollierter Größe und Morphologie.
Mikrokapseln sind Partikel mit einem Durchmesser von 1 bis zu 1000 μm. Sie sind Träger mikroskopischer Mengen von Substanzen, z. B. Farbstoffen oder biologisch aktiven Präparaten, und bestehen aus einem Kern und einer dünnen Hülle. Die Hauptanwendung der Mikrokapseln ist die kontrollierte Freisetzung von Arzneimitteln am bestimmten Ort und zur bestimmten Zeit. Die wichtigste Eigenschaft der Mikrokapseln ist ihre winzige Größe, die es ermöglicht, eine riesige Oberfläche zur Freisetzung der verkapselten Substanz aufzubauen.
Die Mikrokapseln werden in zahlreichen Industriezweigen verwendet [Thies, C. in Encyclopedia of Polymer Science and Technology (ed. H. F. Mark) (John Wiley & Sons, Inc., 2005)]: in der pharmazeutischen Industrie, in der Lebensmittel-, Kosmetik-, Papier-, Parfümindustrie und anderen Industrien. Verschiedene Präparate werden verkapselt, um: i) ihre Stabilität und Dauerhaftigkeit zu verbessern; ii) ihre Löslichkeit im Wasser zu verbessern; iii) ihre Bioverfügbarkeit zu erhöhen; iv) ihren Geschmack und/oder Geruch zu maskieren; v) ihre Flüchtigkeit zu reduzieren; vi) sie am bestimmten Ort und zur bestimmten Zeit freizusetzen; vii) ihren Freisetzungsprozess zu verlängern.
In der Lebensmittelindustrie wird die Verkapselung verwendet vor allem zur Maskierung des Geschmacks und Geruchs, zur Reduzierung der Hygroskopie, zum Schutz gegen Oxidation und zur Abtrennung der Produktbestandteile, so dass diese miteinander nicht reagieren. Es ist von Schlüsselbedeutung, dass die Kapseln aus einer nichttoxischen Substanz, am meisten bevorzugt einer Lebensmittelsubstanz, hergestellt sind. In der Agrarindustrie, der sog. Agrochemie, werden wiederum Pflanzenschutzmittel oder Pheromone verkapselt. Dadurch wird die Flüchtigkeit der zu verwendenden Mischungen, die Umwelttoxizität, sowie die zu benutzende Menge der Substanzen beschränkt. In der Kosmetikindustrie dagegen werden die Kapseln bei der Herstellung von Cremen, Pudern, Hygienemitteln und Deodoranten (insbesondere schweißhemmenden Deos) verwendet. Die Mikrokapseln werden auch in der Biochemie, der Medizin und der Pharmazie umfassend verwendet. Verkapselt werden Mikroorganismen (z. B. Hefe, um die Fermentationsprozesse zu beschleunigen [Bonin, S. Agro Przemysł 6, 20–23 (2008)]), Zellen (z. B. für Transplantationszwecke [Schmidt, J. J., Rowley, J. & Kong, H. J. Journal of Biomedical Materials Research Part A 87A, 1113–1122 (2008)], um die Immunreaktion des Empfängerorganismus zu hemmen), Wirkstoffe (z. B. Untersuchungen zur Verkapselung von Arzneimitteln [Xu, Q., Hahsimoto, M., Dang, T. T., Hoare, T., Kohane, D. S., Whitesides, G. M., Langer, R., Anderson, D. G. Small 5, 1575–1581 (2009); Yu, C.-Y., Cao, H., Zhang, X.-C., Zhou, F.-Z., Cheng, S.-X., Zhang, X.-Z., and Zhuo, R.-X. Langmuir 25, 11720–11726 (2009)], Enzymen [Um, E., Lee, D.-S., Pyo, H.-B. & Park, J.-K. Microfluidics and Nanofluidics 5, 541–549 (2008)], Hämoglobin [Schmidt, J. J., Rowley, J. & Kong, H. J. Journal of Biomedical Materials Research Part A 87A, 1113–1122 (2008)] oder anderen Blutproteinen [Liu, Z., Jiao, Y., Wang, V., Zhou, C. & Zhang, Z. Advanced Drug Delivery Reviews 60, 1650–1662 (2008)]). Die Mikrokapseln mit einem Gaskern werden dagegen als Kontrastmittel in der medizinischen Ultraschallbildgebung verwendet [Sirsi, S. R., Borden, M. A. Bubble Science, Engineering & Technology 1, 3–17 (2009)].
In den meisten Industriezweigen ist die Kontrolle über die Große der herzustellenden und zu verwendenden Mikrokapseln nicht die Schlüsselfrage. In der Medizin und Pharmazie ist es aber ein kritischer Faktor – die Mikrokapselgroße ist für ihre Wirkstoffbeladung sowie für die Freisetzungszeit des Arzneimittels entscheidend [Xu, Q., Hahsimoto, M., Dang, T. T., Hoare, T., Kohane, D. S., Whitesides, G. M., Langer, R., Anderson, D. G. Small 5, 1575–1581 (2009)].
Die Arzneistoff-beladenen Mikrokapseln sind meistens Komponenten der Systeme für die kontrollierte Arzneistoff-Freisetzung. Sie ermöglichen die Freisetzung des Arzneimittels im gewählten Punkt, z. B. des Verdauungstraktes, sowie die Kontrolle über die Freisetzungszeit. Gleichzeitig reduzieren sie die systemische Toxizität des Arzneimittels durch die Minimierung der wirksamen Dosis und deren Anwendung am richtigen Ort. Ein Beispiel dafür ist das allgemein bekannte Arzneimittel – Aspirin. Das Aspirin wird verkapselt um ihre Freisetzungszeit im Verdauungstrakt zu verlängern (über die ganze Nacht), sowie um die Magenwänden gegen Reizungen zu schützen. Auch die Calciumchlorid-Präparate (KCl) werden verkapselt, um eine zu hohe örtliche Konzentration zu vermeiden, was die Reizung der Magenschleimhaut zur Folge haben und die Blutung hervorrufen könnte.
Wegen ihren besonderen (u. a. verdickenden, stabilisierenden oder gelierenden) Eigenschaften fanden die Biopolymere aus der Hydrokolloidengruppe breite Anwendung in zahlreichen Industriebranchen (z. B. Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie) sowie in der Medizin. Besondere Aufmerksamkeit verdienen die Gele der Uronsäuren (u. a. Alginat- und Pektingele), die durch ihren sehr milden Geliervorgang (ionische Wechselwirkungen) eine einfache Herstellung der Systeme für Einfangen der „empfindlichen” chemischen Spezies oder der lebendigen Organismen (Mikroverkapselung) ermöglichen. Eines der am meisten zur Herstellung der Mikrokapseln verwendeten Biopolymere aus der Gruppe der Uronsäuren sind Alginate. Die Literatur beschreibt zahlreiche diverse Methoden der Herstellung von Alginat-Mikrogelen unter Verwendung der mikrofluidischen Systeme mit verschiedener Geometrie, sowohl in laminaren wie auch in Multiphasen-Strömungen. Generell ist der Prozess der Mikrogelbildung immer zweistufig. Im ersten Schritt wird der Biopolymerlösung die gewünschte Gestalt gegeben (Herstellung einer Emulsion oder Faser). Anschließend erfolgt die Gelierung, auf einem chemischen oder einem physikalischen Weg, innerhalb oder außerhalb des für die Herstellung des Polymers benutzten Systems. „Standardmäßige”, kugelförmige Alginatgele werden durch Dispergierung der wässrigen Natriumalginatlösung in der kontinuierlichen Phase hergestellt, wonach der Geliervorgang eingeleitet wird. Die kontinuierliche Phase ist meistens ein Lebensmittelöl [Tan, W.-H. & Takeuchi, S. Advanced Materials 19, 2696–2701 (2007); Workman, V. L., Dunnett, S. B., Kille, P. & Palmer, D. D. Biomicrofluidics 1, 014105–014109 (2007); Liu, K., Ding, H.-J., Liu, J., Chen, Y. & Zhao, X.-Z. Langmuir 22, 9453–9457 (2006)] (wegen der Nichttoxizität), Hexadekan [Choi, C.-H., Jung, J.-H., Rhee, Y. W., Kim, D.-P., Shim, S.-E. and Lee, C.-S. Biomedical Microdevices 9, 855–862 (2007)] (ein leicht erhältliches Alkan mit emulsionsstabilisierenden Eigenschaften [Blythe, P. J., Morrison, B. R., Mathauer, K. A., Sudol, E. D. & El-Aasser, M. S. Langmuir 16, 898–904 (1999)]) oder Undekanol [Zhang, H., Tumarkin, E., Peerani, R., Nie, Z. K., Sullan, R. M. A., Walker, G. C., Kumacheva, E., Journal of the American Chemical Society 128, 12205–12210 (2006)] (weil es besser als andere Öle die Metallsalze auflöst). Um die Koaleszenz zu vermeiden wird oft die kontinuierliche Phase mit einem Surfaktanten versetzt (z. B. Polyglycerol Sesquistearat [Lin, Y.-H., Chen, C.-T., Huang, L. & Lee, G.-B. Biomedical Microdevices 9, 833–843 (2007)], Span85 [Chuah, A. M., Kuroiwa, T., Kobayashi, I., Zhang, X. & Nakajima, M. Colloids and Surfaces A: Physicochemmical and Engineering Aspects 351, 9–17 (2009)], Span80 [Um, E., Lee, D.-S., Pyo, H.-B. & Park, J.-K. Microfluidics and Nanofluidics 5, 541–549 (2008)], Lecithin [Tan, W.-H. & Takeuchi, S. Advanced Materials 19, 2696–2701 (2007)]). Auch Formen anders als kugelförmig [Liu, K., Ding, H.-J., Liu, J., Chen, Y. & Zhao, X.-Z. Langmuir 22, 9453–9457 (2006)], z. B. Disken, Stöckchen oder Faser, sind in den mikrofluidischen Systemen herstellbar.
Die Verfahren zur Gelbildung unter Verwendung der mikrofluidischen Systemen können in Hinsicht auf den Gelierungsort sowie auf das Verfahren zur Bereitstellung des Vernetzungsmittels geteilt. Es gibt folgende Verfahren:

i) Gelbildung außerhalb des Mikrosystems,
ii) Gelbildung innerhalb des Mikrosystems, die zusätzlich wie folgt geteilt werden kann: – externe Gelbildung – wenn das Vernetzungsmittel in der kontinuierlichen Phase vorhanden ist, – interne Gelbildung – wenn ein inaktives Vernetzungsmittel in der dispersen Phase vorhanden ist, – Verfahren mit paralleler Zufuhr des Vernetzungsmittels, d. h. solche, wo das Vernetzungsmittel mit einem zusätzlichen Strom oder Tropfen zu der dispersen Phase zugeführt wird,
iii) kombinierte Systeme, d. h. solche, in denen sowohl die Gelbildung innerhalb wie auch außerhalb des Mikrosystems verwendet wird.

Im folgendem sind alle diese Verfahren kurz charakterisiert.
Das einfachste Verfahren zur Formulierung von Mikrogelen ist die Vernetzung in einem Gelierbad außerhalb des Mikrosystems (Tabelle 1). Dadurch wird vermieden, dass die Kanäle sich mit schnell gelierenden Substanzen verstopften, diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass die herzustellenden Partikel oft deformiert sind. Eine Alternative kann die interne Gelbildung sein. Die externe Gelbildung wird dann gemeint, wenn das Vernetzungsmittel in aktiver Form in der kontinuierlichen Phase beinhaltet ist und zum Tropfen des zu vernetzenden Polymers durch Diffusion gelingt (Tabelle 2). Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass das Problem der Kanalverstopfung beseitigt ist. Darüber hinaus, durch die Steuerung der Gelbildungsdauer können Kapseln mit flüssigem Kern oder feste Gele einfach hergestellt werden. Ein häufiger Nachteil ist die Inhomogenität der hergestellten Gelstrukturen, verursacht dadurch, dass der Geliervorgang von der Diffusion des Vernetzungsmittels durch das bereits hergestellte Gelnetzwerk abhängig ist. Die Gele mit bedeutend homogener Struktur werden unter Verwendung der internen Vernetzung im Mikrosystem hergestellt (Tabelle 2). In diesem Verfahren ist das Vernetzungsmittel in inaktiver Form in der dispersen Phase beinhaltet und wird durch die Änderungen in der Umgebung, z. B. pH-Änderung, aktiviert. Ein großer Nachteil dieser Lösung ist die sehr häufige Verstopfung der die Tropfen erzeugenden Düse infolge sehr schneller Polysacchrid-Vernetzung. Ähnliche Probleme kommen auch vor, wenn das Vernetzungsmittel mit einer zusätzlichen Strömung zugeführt wird. Bei der mit der Koaleszenz induzierten Gelbildung dagegen kann das Entwerfen einer entsprechenden Geometrie des Mikrosystems (Tabelle 2) problematisch sein. Nach Bedarf können auch die o. g. Verfahren in Kombination verwendet werden (kombinierte Verfahren; Tabelle 3). Am häufigsten wird die interne Gelbildung mit der externen Gelbildung kombiniert.
Tabelle 1 Zusammenstellung der Literatur über die Herstellung von Alginatgelen in den mikrofluidischen Systemen unter Verwendung der externen Gelbildung.

(1 – Capretto, L., Mazzitelli, S., Luca, G. & Nastruzzi, C. Acta Biomaterialia 6, 429–435, (2010); 2 – Su, J., Zheng, Y., Wu, H. Lab on a chip 9, 996–1001, (2009); 3 – Chuah, A. M., Kuroiwa, T., Kobayashi, I., Zhang, X. & Nakajima, M. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 351, 9–17, (2009); 4 – Huang, K.-S., Liu, M.-K., Wu, C.-H., Yen, Y.-T. and Lin, Y.-C. Journal of Micromechanics and Microengineering 17, 1428 (2007); 5 – Huang, K.-S., Lai, T-H., Lin, Y-C. Lab on a chip 6, 954–957, (2006); 6 – Capretto, L., Mazzitelli, S., Balestra, C., Tosi, A., Nastruzzi, C. Lab on a chip 8, 617–621, (2008). 7 – Sugiura, S., Oda, T., Aoyagi, Y., Satake, M., Ohkohchi, N., Nakajima, M. Lab on a chip 8, 1255–1257, (2008); 8 – Dohnal, J. & Stepanek, F. Powder Technology 200, 254–259, (2010); 9 – Rondeau, E. & Cooper-White, J. J. Langmuir 24, 6937–6945, (2008).)

Kontinuierliche Phase	Disperse Phase	Vernetzungsbad	Literatur
Sonnenblumenöl	Natriumalginat + Agarose	BaCl₂	1
Natriumalginat	nicht vorhanden	CaCl₂	2
Isooktan + Span85	Natriumalginat	CaCl₂	3
Sonnenblumenöl	Natriumalginat	CaCl₂	4
Öl	Natriumalginat	CaCl₂	5
Sonnenblumenöl	Natriumalginat	BaCl₂	6
Natriumalginat	nicht vorhanden	CaCl₂	7
Luft (piezoelektriches Verfahren)	Natriumalginat	CaCl₂ (mit Viskositätsmodifi- kationen)	8
Dimethylcarbonat	Natriumalginat	CaCl₂	9

Tabelle 2 Zusammenstellung der Literatur über die Herstellung von Alginatgelen in den mikrofluidischen Systemen unter Verwendung der internen Gelbildung

(1 – Zhang, H., Tumarkin, E., Sullan, R. M. A., Walker, G. C. & Kumacheva, E. Macromolecular Rapid Communications 28, 527–538 (2007); 2 – Zhang, H., Tumarkin, E., Peerani, R., Nie, Z. H., Sullan, R. M. A., Walker, G. C., Kumacheva, E., Journal of the American Chemical Society 128, 12205–12210 (2006); 3 – Braschler, T., Johann, R., Heule, M., Metref, L. & Renaud, P. Lab on a chip 5, 553–559 (2005); 4 – Johann, R. M. & Renaud, P. Biointerphases 2, 73–79 (2007); 5 – Kim, C., Lee, K. S., Kim, Y. E., Lee, K.-J., Lee, S. H., Kim, T. S. and Kang, J. Y. Lab on a chip 9, 1294–1297 (2009); 6 – Ren, P.-W., Ju, X.-J., Xie, R. & Chu, L.-Y. Journal of Colloid and Interface Science 343, 392–395 (2010); 7 – Tan, W.-H. & Takeuchi, S. Advanced Materials 19, 2696–2701 (2007); 8 – Yuya, M., Wei-heong, T., Yukiko, T. & Shoji, T. Lab on a chip 9, 2217–2223 (2009); 9 – Workman, V. L., Dunnett, S. B., Kille, P. & Palmer, D. D. Biomicrofluidics 1, 014105–014109 (2007); 10 – Capretto, L., Mazzitelli, S., Balestra, C., Tosi, A., Nastruzzi, C. Lab on a chip 8, 617–621 (2008); 11 – Amici, E., Tetradis-Meris,, G., de Torres, C. P. & Jousse, F. Food Hydrocolioids 22, 97–104 (2008); 12 – Um, E., Lee, D.-S., Pyo, H.-B. & Park, J.-K. Microfluidics and Nanofluidics 5, 541–549 (2008); 13 – Liu, K., Ding, H.-J., Liu, J., Chef, Y. & Zhao, X.-Z. Langmuir 22, 9453–9457 (2006); 14 – Choi, C.-H., Jung, J.-H., Rhee, Y. W., Kim, D.-P., Shim, S.-E. and Lee, C.-S. Biomedical Microdevices 9, 855–862 (2007); 15 – Zhao, L. B., Pan, L., Zhang, K., Guo, S. S., Liu, W., Wang, Y., Chef, Y., Zhao, X. Z., Chan, H. L. W. Lab on a chip 9, 2981–2986 (2009).)

Tabelle 3 Zusammenstellung der Literatur über die Herstellung von Alginatgelen in den mikrofluidischen Systemen unter Verwendung der kombinierten Geldbildungsverfahren

{1 – Capretto, L., Mazzitelli, S., Balestra, C., Tosi, A., Nastruzzi, C. Lab on a chip 8, 617–621 (2008); 2 – Rondeau, E. & Cooper-White, J. J. Langmuir 24, 6937–6945 (2008); 3 – Shin, S.-J., Park, J.-Y., Lee, J.-Y., Park, H., Park, Y.-D., Lee, K.-B., Whang, C.-M. and Lee, S.-H. Langmuir 23, 9104–9108 (2007).)

Kontinuierliche Phase	Disperse Phase	Vernetzungsbad	Literatur
Sonnenblumenöl	Natriumalginat + BaCl₂	BaCl₂	1
DMC	Verbindung von 2 Strömungen: Natriumalginatlösung und CaCl₂-Lösung	CaCl₂	2
Natriumalginatlösung, konzentrisch mit der CaCl₂-Lösung umgeben	nicht vorhanden	CaCl₂	3

Ähnlich wie Alginate, gehören die Pektinverbindungen zur Gruppe von Polyuronid-Hydrogelen und stellen den Hauptbauteil der Zellwände der hohen Pflanzen dar. Die Pektinverbindungen sind nicht toxisch und vollständig biologisch abbaubar, darum sind sie seit immer in der Ernährung des Menschen vorhanden gewesen. Sie zeigen ein breites Spektrum von physiologischer Aktivität: sie setzen den Cholesterinspiegel herab [Sriamornsak, P. Journal of Silpakorn University 21–22, 206–228 (2001)], verlangsamen die Glukoseaufnahme [Voragen, A., Coenen, G.-J., Verhoef, R. & Schols, H. Structural Chemistry 20, 263–275 (2009)], erfüllen die Regelungsfunktionen im Dünndarm (Änderung der mikrobiotischen und enzymatischen Aktivität sowie örtliche Änderungen der Morphologie der Darmwand, wodurch die Aufnahme von Nährstoffen verbessert wird) [Sriamornsak, P. Journal of Silpakorn University 21–22, 206–228 (2001)], erleichtern die Ausscheidung der toxischen Stoffe mit dem Urin (z. B. zweiwertige Schwermetalle [Kohn, R. Carbohydrate Polymers 2, 273–275 (1982)]), wirken antikanzerogen [Nangia-Makker, P., Hogan, V., Honjo, Y., Baccarini, S., Tait, L., Bresalier, R. and Raz, A. J. Natl. Cancer Inst. 94, 1854–1862 (2002); Ovodov, Y. Russian Journal of Bioorganic Chemistry 35, 269–284 (2009)]. Es ist zu betonen, dass die weltweit anerkannten FAO/WHO-Normen keine Beschränkungen auf die maximale Tagesdosis des Pektinverbrauchs auferlegen. Die Pektine zeigen außerordentliche Stabilität im menschlichen Verdauungstrakt – sie sind beständig gegen die Wirkung von Proteasen und Amylasen. Die erwähnten Enzyme sind in den oberen Abschnitten des Verdauungstraktes aktiv [Yu, C.-Y., Cao, H., Zhang, X.-C., Zhou, F.-Z., Cheng, S.-X., Zhang, X.-Z., and Zhuo, R.-X, Langmuir 25, 11720–11726 (2009)]. Erst im Dickdarm sind die Pektinasen vorhanden, die die Pektinverbindungen abbauen. Aus diesem Grund sind die Pektine ein ideales Trägersystem für magensaftresistenten Arzneimitteln (z. B. zur Behandlung von Grimmdarmkrebs [Liu, L., Fishman, M. L., Kost, J. & Hicks, K. B. Biomaterials 24, 3333–3343 (2003)]). Darüber hinaus haben die zu beschreibenden Verbindungen zahlreiche Anwendungen in der Lebensmittelindustrie (Verdickungsmittel als Gelatineersatz in den Geleen für Veganer), Kosmetikindustrie (Verdickungsmittel) sowie in der Landwirtschaft (z. B. Futterbestandteil). Die Pektinstoffe finden immer wieder neue Anwendungen. Ein Übersichtsartikel aus dem Jahr 2006 [Liu, L., Fishman, M. & Hicks, K. Cellulose 14, 15–24 (2007)] beschreibt umfassende Anwendungen der Pektine und ihrer Derivate bei Systemen für die kontrollierte Arzneimittelabgabe (im Grimmdarm, durch die Nasenschleimhaut, durch die Haut). Die modifizierten Pektine werden wiederum als Trägerstoff für die DNA in Gen.-Therapien getestet [Katav, T., Liu, L. S., Traitel, T., Goldbart, R., Wolfsau, M., Kost, J. Journal of Controlled Release 130, 183–191 (2008)]. Es werden auch neue pektinbasierte feste Polymerelektrolyte (SPE – engl. solid polymer electrolyte) [Andrade, J. R., Raphael, E. & Pawlicka, A. Electrochimica Acta 54, 6479–6483 (2009)] entwickelt. Die mit Divinylsulfon vernetzten Pektine haben die Chance, zu synthetischen Knochen mit besseren mechanischen Eigenschaften als die natürlichen Knochen zu werden [Ichibouji, T., Miyazaki, T., Ishida, E., Sugino, A. & Ohtsuki, C. Materials science and Engineering: C 29, 1765–1769 (2009)].
Der Aufbau von Pektinverbindungen sowie die Struktur ihrer Gele ist gut erkannt und in der Literatur umfassend beschrieben. Je nach der Pflanzenart, ihrer Wachstumsstufe, dem verwendeten Gewebe und dem Isolierungsverfahren werden die Pektinverbindungen mit verschiedenem Aufbau erhalten. In großen Zügen besteht ein Pektinmolekül aus glatten und verzweigten Bereichen, und deren Anordnung ist im Molekül. zufällig (und nicht blockartig wie bei Alginaten). Die glatten Bereiche bestehen vor allem aus 1,4-verknüpften Säureresten der α-D-Galacturonsäure (Gal). Die verzweigten Bereiche enthalten in der Regel viele verschiedene Zucker, z. B. Rhamnose, Xylose, Glucose, Arabinose oder Galactose. Die Eigenschaften des aus einer bestimmten Pektinsorte zu bildenden Gels hängen von der Länge und der Anordnung der glatten und verzweigten Bereiche, sowie von der Länge der gesamten einzelnen Kette ab. Ein genauso wichtiger Faktor ist der Veresterungsgrad (Methylierungsgrad). Der Methylierungsgrad (DM, engl. degree of methoxylation) ist als die Anzahl der Mole des in 100 Molen Galacturonsäure enthaltenen Methanol definiert und in Prozenten angegeben [Ovodov, Y. Russian Journal of Bioorganic Chemistry 35, 269–284 (2009)]. Aufgrund dieser Anzahl sind die Pektinverbindungen eingeteilt in: i) hochveresterte Pektine (engl. high-methoxylated pectins, HMP), bei denen mehr als 50% Monomere die methylierte Carboxygruppe haben; ii) niedrigveresterte Pektine (engl. low-methoxylated pectins, LMP), bei denen weniger als 50% Monomere methyliert sind.
Es gibt auch niedrigveresterte amidierte Pektine (engl. low-methoxylated amidated pectins, LMA), die bei der chemischen Überführung von HMP in LMP in alkalischer Umgebung, in der Reaktion mit Ammoniak, entstehen. Die genannten Pektinsorten unterscheiden sich voneinander nicht nur durch den Aufbau, sondern auch durch die Art und Weise der Gelbildung (verschiedene Bedingungen, die für die Gelbildung notwendig sind). Es ist erwähnenswert, dass das Gelieren von Pektinen eine saure pH Umgebung benötigt, im Gegensatz zu Alginatverbindungen, die unter solchen Bedingungen instabil sind. HMP-Gele werden bei pH nahe 3,0, in Gegenwart von ca. 65% Zucker (meistens Saccharose), hergestellt. Die benötigte Pektinkonzentration beträgt 0,3–2%. Das Gel-Netzwerk entsteht durch die Bildung der Wasserstoffbrücken zwischen den Carboxygruppen von einer Pektinkette und den Hydroxygruppen der Nachbarkette. Die Zuckerzugabe stabilisiert zusätzlich die Gelstruktur, durch die Beteiligung an der Bildung von Wasserstoffbrücken. Hohe Konzentration der Wasserstoffionen verhindert dann die Dissoziation der Carboxygruppen. Die Strukturen von LMP- und LMA-Gelen werden dagegen in Gegenwart von zweiwertigen Metallionen, meistens Ca²⁺, mit einer Konzentration etwa 0,01–0,1% gebildet. Der Prozess erfordert die Anwesenheit anderer Zucker nicht und findet in einem pH-Bereich von 2,0 bis 6,0 statt. Der Prozess ist hauptsächlich durch das „Egg-box”-Model [Voragen, A., Coenen, G.-J., Verhoef, R. & Schols, H. Structural Chemistry 20, 263–275 (2009); Sriamornsak, P. Silpakorn University International Journal 3, 206–228 (2003)] beschrieben, obwohl für die amidierten Pektine auch den Beitrag von den Wechselwirkungen zwischen den -NH₂-Gruppen, die wesentlich die Eigenschaften des hergestellten Gels verändern, zu berücksichtigen ist (z. B. die Menge der zur Bildung des Gel-Netzwerkes aus der Lösung der amidierten Pektine benötigten Ionen ist kleiner als bei den niedrigveresterten nicht amidierten Pektinen [Tho, I., Sande, S. A. & Kleinebudde, P. Chem. Eng. Sci. 60, 3899–3907 (2005)]).
Trotz zahlreicher Anwendungen der Pektinverbindungen (vide supra) gibt es in der Literatur nicht viele Mitteilungen über die Herstellung der Pektin-Mikropartikel. Einer der wenigen Artikel über die Herstellung von Mikrosphären oder Pektin-Mikropartikeln ist die Veröffentlichung von Reis et al. [Reis, A. V., Guilherme, M. R., Paulino, A. T., Muniz, E. C., Mattoso, L. H. C. and Tambourgi, E. B. Langmuir 25, 2473–2478 (2009)]. Diese Autoren stellten leere Mikro- und Nanokapseln durch die Verwendung einer zweistufigen Reaktion her. In der ersten Stufe wurde Pektin mit dem Glycidylmethacrylat (GMA) modifiziert. Ziel dieser Modifikation war es, zusätzliche Gruppen in die Pektinkette einzuführen, die an der Herstellung von zusätzlichen intermolekularen Bindungen teilnehmen könnten. Im Endeffekt wurde eine mehr stabile Struktur gebildet, ohne wesentliche Änderungen der Gel-Eigenschaften einzuführen. In der zweiten Stufe wurde die hergestellte Lösung mechanisch (6000–12000 rpm) in der Anordnung Wasser/Benzylalkohol in Gegenwart vom gasförmigen Stickstoff (zur Gewährleistung der Herstellung von Kapseln mit einem Gaskern) und dem Katalysator, dem TEMED Tetramethylethyldiamin), emulsifiziert. Nach der Sprühtrocknung ist das fertige Produkt erhalten. Die hergestellten Kapseln hatten einen Durchmesser im Bereich von 0,16 bis 24 m und zeichneten sich durch die Polydispersität aus. Es ist zu betonen, dass dabei auch multiple Emulsionen unkontrolliert erzeugt wurden.
Die „klassische” Gelierung (die Vernetzung unter Beteiligung zweiwertiger Kationen) der Pektin-Mikropartikel wurde in der Veröffentlichung von Opanasopit et al. [Opanasopit, P. Apirakaramwong, A., Ngawhirunpat, T., Rojanarata, T. & Ruktanonchai, U. AAPS PharmSciTech 9, 67–74 (2008)] beschrieben, wo die Pektin-Mikro- und Nanokörner als DNA-Träger (potentielle Anwendung in den Gen-Therapien) verwendet wurden. In der Arbeit wurde den Effekt einer Reihe von Faktoren auf die Bildung der Mikropartikel untersucht: die Art des Vernetzungskations, deren Konzentration, Gewichtsverhältnis (im Verhältnis zum verwendeten Pektin), sowie die Konzentration und der pH-Wert der Pektin-Lösung. Bewertet wurden auch u. a. die Größe und die Gestalt der hergestellten Mikropartikel sowie ihre Beladung mit der Desoxyribonukleinsäure. Zur Herstellung der Pektin-Mikrokörner war die LMA-Pektin-Lösung in die Lösung der Ionen: Ca²⁺, Mg²⁺ oder Mn²⁺ vertropft. Die Untersuchung der Beladung hat den Nachweis gebracht, dass die größte DNA-Menge in den mit Calciumionen vernetzten Partikeln verkapselt werden kann.
Aufgrund der Beobachtungen zur Überlebensrate der menschlichen Zellen (Huh7, menschliche Leberkrebszellen) wurde darüber hinaus keine bedeutende Zytotoxizität der hergestellten Pektin-Mikropartikel festgestellt. Die durchgeführten Versuche haben bestätigt, dass die Pektin-Mikrokörner als Trägersystem in den Gen-Therapien erfolgreich verwendet werden können.
Yu et al. [Yu, C.-Y., Cao, H., Zhang, X.-C., Zhou, F.-Z., Cheng, S.-X., Zhang, X.-Z., and Zhuo, R.-X. Langmuir 25, 11720–11726 (2009)] haben dagegen die mit einem Arzneistoff, dem 5-Fluoruracil, gefüllten Nanokapseln hergestellt. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglichte es, die Körner und Kapseln in den Größen im Bereich von 400 bis 2600 nm herzustellen. Die 5-Fluoruracil-Beladung war für alle untersuchten Proben höher als 12% (sogar bis zu 18% der Mikropartikelmasse). Das Verfahren hat gewisse Nachteile: die Herstellung der Proben dauert mehr als 50 Stunden und benötigt kontinuierliches Mischen sowie strenge Kontrolle der Temperatur oder der Viskosität der verwendeten Lösungen. Die Beseitigung des erwähnten Problems der Dispersionskontrolle (erforderte Monodispersität der Partikel), wie auch die Gewährleistung einer präzisen Kontrolle über die Reaktionsbedingungen kann durch die Verwendung der mikrofluidischen Techniken erreicht werden. Die Literatur bietet hier jedoch wenige Mitteilungen zur Herstellung von Emulsionen oder Pektin-Mikropartikeln, im Gegensatz zu Alginat-Mikropartikeln, in den Mikrokanälen. In ihren Arbeiten, Kawakatsu et al. [Kawakatsu, T., Trägårch, G. & Trägårdh, C. Journal of Food Engineering 50, 247–254 (2001); Kawakatsu, T., Trägårdh, G. & Trägårdh, C. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 189, 257–264 (2001)] beschrieben die Herstellung der einfachen Öl-in-Pektin-Emulsionen und multiplen Emulsionen vom Typ W/O/W und S/O/W (Pektingel-in-Öl-im-Wasser). Dazu wurde eine Anordnung mit Mikro-Terrassen-Geometrie (MT) verwendet. Die vorgeschlagene Mikro-Terrassen-Technik ermöglicht die Formulierung von monodispersen Partikeln, gibt aber nicht die volle Kontrolle über den zu führenden Emulsifizierungsprozess (es ist schwierig, die Größen oder die Morphologie herzustellender Mikrogele zu kontrollieren).
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formulierung monodisperser Pektin-Mikropartikeln, für potentielle Anwendungen in der Lebensmittelindustrie und in der pharmazeutischen Industrie, unter Verwendung der Mikrofluidiksysteme.
Gemäß der Erfindung, das Verfahren zur Herstellung monodisperser Pektin-Mikrogele unter Verwendung eines mikrofluidischen Systems, umfassend die Stufen: i) Erzeugung der Emulsion und ii) Gelbildung durch die Diffusion der in der kontinuierlichen Phase vorhandenen Vernetzungsionen zu der dispersen Phase, zeichnet sich dadurch aus, dass die kontinuierliche Phase ein Öl, ein Metallsalz sowie eine Säure enthält, und die disperse Phase eine wässrige Pektin-Lösung darstellt, die optional Nanopartikel enthält.
Vorzugsweise stellt die kontinuierliche Phase ein Speiseöl dar, mehr bevorzugt ein Rapsöl, am meisten bevorzugt ein Rapsöl aus erster Pressung.
Vorzugsweise ist das Metallsalz ein Salz eines zweiwertigen Metalls, mehr bevorzugt ein Calciumsalz.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Metallsalz ein Calciumsalz, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Calciumchlorid, Calciumlaktat, Calciumacetat, Calciumoxalat, Calciumzitrat, Calciumcarbonat und deren Mischungen.
Am meisten bevorzugt ist das Salz Calciumcarbonat.
Vorzugsweise ist die erwähnte Säure mit polaren (Wasser) und unpolaren (Öl) Lösungsmitteln mischbar und zeichnet sich durch die Nichttoxizität aus. Am meisten bevorzugt ist es die Essigsäure.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Konzentration des Salzes in der kontinuierlichen Phase von 0,05% (Gew.) bis 2,0% (Gew.), mehr bevorzugt etwa 0,4% (Gew.), und die Konzentration der Essigsäure ist mindestens 1,0% (Gew.), mehr bevorzugt etwa 10,0% (Gew.).
Erfindungsgemäß werden vorzugsweise bei der Formulierung von Mikropartikeln niedrigveresterte amidierte Pektine, natürliche Polysaccharide, verwendet, die in Gegenwart von Metallkationen starre Gele bilden. Die Gelbildungsrate, die Struktur sowie die Eigenschaften der Gele sind von der Art oder von dem Salz eines mehrwertigen Metalls abhängig. Vorzugsweise hat das Pektin verschiedene Empfindlichkeit gegen Calciumionen: niedrige, mittlere oder hohe, am meisten bevorzugt eine mittlere Empfindlichkeit gegen Calciumionen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Konzentration der erwähnten Lösung eines gegen Calciumionen mittelempfindlichen niedrigveresterten amidierten Pektin von 0,25% (Gew.) bis 1,0% (Gew.), am meisten bevorzugt 0,5% (Gew.).
Vorzugsweise werden in die disperse Phase Nanopartikel mit verschiedener Oberflächenchemie verkapselt, vorzugsweise mit einer negativ geladenen Oberfläche, am meisten bevorzugt mit einer SHC₁₀H₂₀COO^–-Beschichtung.
In einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich eine Austauschstufe, in der die Öl enthaltende kontinuierliche Phase ausgetauscht wird, d. h. das säure- und Metallsalz enthaltende Öl mit einem reinem Öl ersetzt wird. Der Ölaustausch erlaubt eine präzise Kontrolle über die Diffusionszeit der Vernetzungsmittel aus der organischen Phase in die die Polysaccharid-Lösung enthaltenden Tropfen. Dadurch wird eine bessere Kontrolle über die Größen der herzustellenden Tropfen, sowie hohe Homogenität und Reproduzierbarkeit des Vernetzungsgrades der Gele erreicht.
Vorzugsweise finden in der erwähnten Stufe der Emulsionserzeugung Strömungen der kontinuierlichen Phase (Öl mit den Vernetzungsmitteln) und der dispersen Phase (Pektin-Lösung statt, die in einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele von 3 mL/h bis 50 mL/h für die kontinuierliche Phase, mehr bevorzugt 6 mL/h und von 1 mL/h bis 5 mL/h für die disperse Phase, mehr bevorzugt 1 mL/h, betragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Einfachheit, hohe Reproduzierbarkeit sowie die Möglichkeit aus, monodisperse Pektin-Mikrogele mit vorgegebener Größe oder Morphologie herzustellen. Der Aufbau des entwickelten Formulierungssystems ist einfach und basiert auf einer billigen Apparatur oder Materialien sowie leicht zugänglichen und nichttoxischen Reagenzien. Das System ermöglicht vollständige Kontrolle über die Größen der hergestellten Pektin-Mikropartikel und kann ein geeignetes Tool für deren industrielle Herstellung sein (insbesondere pharmazeutische Industrie-Systeme für die kontrollierte Arzneistoffabgabe). Der gegenwärtige Stand der Technik erlaubt für die Herstellung der Pektin-Mikrogele. Die bekannten Formulierungsverfahren gewährleisten aber nicht, dass die hergestellten Partikel monodispers sind, oder anderseits geben diese nicht die volle Kontrolle über den zu führenden Emulsifizierungsprozess (es ist schwierig, die Größen oder die Morphologie herzustellender Mikrogele zu kontrollieren).
Bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend an Hand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Bezug auf beigelegte Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Die Mikroaufnahme zeigt die Erzeugung der Tropfen eines wässrigen Pektin-Lösung mit einer Konzentration von 0,5% (Gew.) im Rapsöl in einem mikrofluidischen Flow-Focusing-System dar. Die Volumenflussraten, ausgedrückt in mL/h (Q_c für die kontinuierliche Phase, Q_d für die disperse Phase), sind in der Zeichnung angegeben. Alle Kanäle im System hatten den gleichen Querschnitt mit Abmessungen 400 × 400 μm. Auf dem Diagramm sind die Tropfengrößen (die Länge, L, wurde auf die Kanalbreite, W, normalisiert) in der Abhängigkeit von dem Verhältnis Q_c/Q_d dargestellt;
2 Schematische Darstellung eines Systems zur Herstellung monodisperser Pektingel-Mikropartikel. Das Funktionieren des Systems umfasst die folgenden Stufen: i) die Formulierung monodisperser Tropfen aus der Pektin-Lösung, ii) die Diffusion der Vernetzungsmittel aus der kontinuierlichen Phase in die disperse Phase, iii) die Abnahme der geformten Mikropartikel und die sekundäre Gelbildung;
3a–c – Mikroaufnahmen zur Darstellung des Überganges der Pektin-Mikropartikeln aus der kontinuierlichen Phase in das Glyzerin. Die Kreise mit sich deutlich abzeichnenden Rändern entsprechen den Mikropartikeln in der kontinuierlichen Phase, die schwach gekennzeichneten Gestalte entsprechen den Partikeln, die in das Glyzerin übergingen, d – zeigt eine REM-Mikroaufnahme eines Pektingel-Netzwerkes. Die Versuche wurden mit dem in 2 dargestellten mikrofluidischen System unter Verwendung einer 0,5% (Gew.) Pektin-Lösung (Q_d = 1 mL/h) sowie des Rapsöls mit einem Zusatz von 0,45 CaCO₃ und 4% CH₃COOH (Gew.) (Q_c = 6 mL/h);
4 Schematische Darstellung eines modifizierten Systems (zusätzliches Modul) zur Untersuchung der Einwirkung einzelner Bestandteile der Reaktionsmischung auf die Strukturen der herzustellenden Pektin-Gele. Das Funktionieren des Systems umfasste: i) die Formulierung monodisperser Tropfen aus der Pektin-Lösung, ii) die Diffusion der Vernetzungsmittel aus der kontinuierlichen Phase in die disperse Phase, iii) die in situ Extraktion in die keine Vernetzungsmittel enthaltende kontinuierliche Phase und iv) die Abnahme der geformten Mikropartikel und die sekundäre Gelbildung;
5 Aufnahmen (a) eines Pektin-Gels und (b-d) der Gele mit verkapselten Nanopartikeln: (b) Ag/SHC₁₁H₂₂N⁺ (CH₃)₃, (C) Au/SHC₁₁H₂₂SO₃ ^–, (d) Au/SHC₁₀H₂₀COO^–. Das Ergebnis der qualitativen Untersuchungen;
6 Einwirkung der Vernetzungsdauer. Das Diagramm zeigt zeitliche Zerfallsprofile der in verschiedenen. Zeitperioden (1/2, 1, 3, 15, 24 h) vernetzten Pektin-Mikrogele und der Freisetzung der Goldnanopartikel aus den Pektin-Mikrogelen in der Lösung EDTA-pC-3. Die Gel-Mikropartikel waren unter Verwendung einer Pektin-Lösung mit einer Konzentration von 0,5% und des Rapsöls mit einem Zusatz von Calciumcarbonat (0,4%) und Essigsäure (4%) hergestellt. Die ausführliche Versuchsbeschreibung ist im Text angegeben;
7 Absorbanz-Werte als Funktion der zeit, gemessen in einer Suspension von Pektin-Mikrogelen bei fünf verschiedenen EDTA-Konzentrationen (pC 5; 4; 3,3; 3 und 2) und im Wasser (Blindversuch). Die Mikrogele wurden bei Verwendung einer 0,5% Pektin-Lösung und des Rapsöls mit einem Zusatz von Calciumcarbonat (0,4%) und Essigsäure (4%) hergestellt. Die ausführliche Versuchsbeschreibung ist im Text angegeben;
8 Umgewandelte Daten aus der 7. Die Ergebnisse wurden hinsichtlich der Absorbanzwerte (A_max) bei pC_EDTA 2 für t = 7 h normalisiert;
9 Zeitprofile der Freisetzung Gold-Nanopartikel aus den Mikrogelen. Die disperse Phase war eine Mischung von einer 0,5% Pektin-Lösung mit einer Gold-Nanopartikel-Lösung im Volumenverhältnis 2:1 (P). Die kontinuierliche Phase war das Rapsöl mit einem Zusatz von Calciumcarbonat (Ca) und Essigsäure (H). Die Ca- und H-Mengen sind in der Tabelle in Gewichtsprozenten angegeben. Das experimentelle Verfahren ist ausführlich im Text beschrieben. Die Punkte auf den Diagrammen spiegeln die für zwei Messungen berechneten Absorbanz-Mittelwerte wider;
10 Zeitprofile der Freisetzung der Gold-Nanopartikel aus den Mikrogelen. Die disperse Phase war eine Mischung von einer 1% Pektin-Lösung mit einer Gold-Nanopartikel-Lösung im Volumenverhältnis 2:1 (P). Die kontinuierliche Phase war das Rapsöl mit einem Zusatz von Calciumcarbonat (Ca) und Essigsäure (H). Die Ca- und H-Mengen sind in der Tabelle in Gewichtsprozenten angegeben. Das experimentelle Verfahren ist ausführlich im Text beschrieben. Die Punkte auf den Diagrammen spiegeln die für zwei Messungen berechnete Absorbanz-Mittelwerte wider;
Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Untersuchungen zu der Löslichkeit der Calciumsalze im Eisessig und der Mischbarkeit der hergestellten (Salz-Säure) Lösungen mit dem Rapsöl. Erläuterung der Symbole: (++) – gut, (+) – schwach, (–) – unlöslich oder unmischbar; Tabelle 5 zeigt die Wahl der Art von Nanopartikeln zur Verkapselung in den Pektingelen. In den Versuchen wurden die Nanopartikel-Lösungen mit der Konzentration 1,5 mg/mL, 0,5% wässrige Pektin-Lösung und 0,5% CaCl₂.-Lösung verwendet. Die Aufnahmen der hergestellten Gele sind in 5 dargestellt;
Beispiel 1
Zur Herstellung monodisperser Pektin-Mikrogele wird ein einfaches mikrofluidisches Flow-Focusing-System mit Mikrokanälen 400 × 400 μm verwendet, das gemäß einem in [Ogończyk, D., Węgrzyn, J., Jankowski, P., Dąbrowski, B. & Garstecki, P. Lab on a chip 10, 1324–1327 (2010)] beschriebenen Verfahren gefertigt und gemäß einem in [P. Jankowski, D. Ogończyk, A. Kosiński, W. Lisowski and P. Garstecki (eingereicht)] beschriebenen Verfahren modifiziert wurde. Bei der Herstellung verwendet man: 0,5% wässrige Pektin-Lösung (disperse Phase) sowie das Rapsöl mit einem Zusatz von Calciumcarbonat und Essigsäure in Mengen 0,4% sowie 4% (Gew.) im Verhältnis zum Rapsöl (kontinuierliche Phase). Die kontinuierliche Phase wird wie folgt hergestellt: das Calciumcarbonat wird im Eisessig gelöst, anschließend wird die hergestellte Lösung mit dem Rapsöl gemischt und für 2 Stunden einer Sonifikation ausgesetzt. Die letzte Herstellungsstufe der kontinuierlichen Phase ist deren Filtrierung unter Verwendung eines einfachen Spritzenfilters mit einem Porendiameter 1,2 μm. Die mit dem obigen Verfahren hergestellten Lösungen werden in zwei Spritzen angebracht, die anschließend mit dem Mikrosystem mittels Polyethylen-Schlauchen verbunden werden. Die Spritzen werden in die Spritzpumpen angebracht. Das Mikrosystem wird mittels eines hinausführenden Polyethylen-Schlauch mit dem Abnehmer verbunden. Mit den Spritzenpumpen werden beide Phasen in das Mikrosystem mit Flussraten von: 1 mL/h und 6 mL/h, entsprechend für die disperse und die kontinuierliche Phase, gefördert. Die hergestellten Gele werden dann in einem Abnehmer mit Wasser abgenommen.
Beispiel 2
Zur Herstellung monodisperser Pektin-Mikrogele wird ein einfaches mikrofluidisches Flow-Focusing-System mit Mikrokanälen 400 × 400 μm verwendet, das gemäß einem in [Ogończyk, D., Węgrzyn, J., Jankowski, P., Dąbrowski, B. & Garstecki, P. Lab on a chip 10, 1324–1327 (2010)] beschriebenen Verfahren gefertigt und gemäß einem in [P. Jankowski, D. Ogończyk, A. Kosiński, W. Lisowski and P. Garstecki (eingereicht)] beschriebenen Verfahren modifiziert wurde. Bei der Herstellung verwendet man: 0,5% wässrige Pektin-Lösung und 1,5 mg/mL wässrige Lösung der Goldnanopartikel Au/SHC₁₀H₂₀COO^– im Volumenverhältnis 2:1 (disperse Phase) sowie das Rapsöl mit einem Zusatz von Calciumcarbonat und Essigsäure in Mengen 0,4% sowie 4% (Gew.) im Verhältnis zum Rapsöl (kontinuierliche Phase). Die kontinuierliche Phase wird wie folgt hergestellt: das Calciumcarbonat wird im Eisessig gelöst, anschließend wird die hergestellte Lösung mit dem Rapsöl gemischt und für 2 Stunden einer Sonifikation ausgesetzt. Die letzte Herstellungsstufe der kontinuierlichen Phase ist deren Filtrierung unter Verwendung eines einfachen Spritzenfilters mit einem Porendiameter 1,2 μm. Die mit dem obigen Verfahren hergestellten Lösungen werden in zwei Spritzen angebracht, die anschließend mit dem Mikrosystem mittels Polyethylen-Schlauchen verbunden werden. Die Spritzen werden in die Spritzpumpen angebracht. Das Mikrosystem wird mittels eines hinausführenden Polyethylen-Schlauch mit dem Abnehmer verbunden. Mit den Spritzenpumpen werden beide Phasen in das Mikrosystem mit Flussraten von: 1 mL/h und 9 mL/h, entsprechend für die disperse und die kontinuierliche Phase, gefördert. Die hergestellten Gele werden dann in einem Abnehmer mit Wasser abgenommen.
Zusammenfassung der in den obigen Ausführungsbeispielen erhaltenen Ergebnisse
Steuerung der Größe der monodispersen Pektin-Mikropartikel im mikrofluidischen System
Zur Herstellung der Tropfen des wässrigen Pektin-Lösung wurde ein mikrofluidisches Flow-Focusing-System mit Mikrokanälen 400 × 400 μm verwendet (1). Die Steuerung der Volumenflussraten der kontinuierlichen Phase (Rapsöl) erlaubt es, monodisperse Tropfen der wässrigen Pektin-Lösung mit einer Konzentration von 0,5% (Gew.) mit einer Länge im Bereich von einer halben bis zu vier Kanalbreiten, d. h. 200–1600 μm, was der Volumina aus dem Bereich 15–150 pL entspricht, herzustellen. Wie gezeigt in 1, wird die Größe der herzustellenden Tropfen wie L/W ~ (Q_d/Q_c)^–1/2 skaliert, was einer Skalierung für newtonsche Flüssigkeiten nicht entspricht.
Optimierung der Zusammensetzung der kontinuierlichen und der dispersen Phase zwecks der Formulierung von Pektin-Mikrogelen
Das Ziel der Erfindung war es, ein Verfahren zur Bildung biokompatibler Pektin-Mikrogelen zu entwickeln. Dementsprechend wurde als die Basis der kontinuierlichen Phase ein Speiseöl, mehr bevorzugt, ein Rapsöl, verwendet. Ein Bestandteil der kontinuierlichen Phase waren auch die für die Pektin-Gelierung benötigten Vernetzungsmittel: Wasserstoffionen und Kationen zweiwertiger Metalle. Die Wahl der Essigsäure (E260) war durch ihre umfassende Anwendungen in der Industrie, wie auch durch ihre Mischbarkeit bestimmt, sowohl mit polaren wie auch mit unpolaren Flüssigkeiten, was ihre einfache Diffusion aus der kontinuierlichen in die disperse Phase ermöglicht. Die Wahl des Metallsalzes war durch die niedrige Toxizität der Calciumsalze sowie durch ihre sehr gute Löslichkeit in der Essigsäure bestimmt. Sechs verschiedene Calciumsalze (Tabelle 4) wurden hinsichtlich ihrer Löslichkeit in der Essigsäure sowie der Mischbarkeit der hergestellten Lösung mit dem Rapsöl überprüft. Aufgrund der erhaltenen Ergebnisse sind die folgenden Vernetzungsmittel am meisten zur Verwendung bevorzugt: in dem Eisessig gelöstes Calciumcarbonat.
Systeme zur Herstellung monodisperser Gel-Mikropartikel in einer mikrofluidischen Vorrichtung
zur Herstellung der Pektingel-Mikropartikel wurde ein mikrofluidisches System, das schematisch in 2 dargestellt ist, gefertigt.
Der vorgestellten Vorrichtung lag die folgende Idee zugrunde. In einem mikrofluidischen System wurden monodisperse Tropfen mit gewünschter Größe formuliert (1). Die disperse Phase war eine Pektin-Lösung mit vorgegebener Konzentration, und die kontinuierliche Phase war ein Rapsöl mit zugesetzten Vernetzungsmitteln (Calciumsalz und Essigsäure). Experimentell wurde überprüft, dass die Zugabe dieser Mittel, im Vergleich mit reinem Öl, keinen bedeutende Auswirkung auf den Tropfenbildungsvorgang hat. Die im Mikrosystem gebildeten Tropfen wurden infolge des Kontaktes mit der kontinuierlichen Phase, durch die Diffusion der Vernetzungsmittel in die disperse Phase geliert. Die beschriebene Gelbildung ist ein Vorgang mit kinetischem Charakter, was bedeutet, dass sie mit der Zeitdauer kontrolliert werden kann. Die Gelbildungsdauer kann wiederum durch die Festsetzung entsprechender Weglänge der Gelbildung oder durch die Änderung der Volumenflussrate gesteuert werden. Die Weglänge der Gelbildung wurde experimentell auf 100 cm (hinausführender Polyethylen-Schlauch mit einem Innendurchmesser von 0,76 mm) bei vorgegebener Gesamtflussrate von nicht größer als 10 mL/h abgestimmt. Die gebildeten Mikropartikel wurden in einem Behälter mit Wasser abgenommen, wo deren weitere Gelierung erfolgte. Der Vorgang erfolgte infolge: i) der Diffusion der Vernetzungsmittel aus der kontinuierlichen Phase ins Wasser in dem Abnehmer, ii) der sekundären Diffusion der im Mikropartikel geschlossenen Ionen (Gelbildung in das Innere der gebildeten Kapsel). Es ist zu betonen, dass die Mikropartikel sich an der Phasengrenze Öl-Wasser ansammelten. Mit dem fortschreitenden Prozess gingen die Mikrogele aus der Ölphase ins Wasser über und fielen durch die Wirkung der Schwerkraft auf den Boden des Behälters. Die im System erzeugten Mikrogele sowie eine beispielhafte Struktur des mit obigem Verfahren hergestellten Gels sind in 3 dargestellt.
Weil die weiteren Versuche darin bestanden, die Einwirkung einzelner Bestandteile der Reaktionsmischungen auf die Struktur der herzustellenden Mikrogele zu untersuchen, wurde der vorgeschlagene Versuchsaufbau (2) modifiziert. Es wurde ein zusätzliches Modul eingeführt, dass es ermöglichte, die Pektin-Mikropartikel in situ aus der die Vernetzungsmittel enthaltenden kontinuierlichen Phase, in die kontinuierliche Phase, die keine Zusatzmittel beinhaltet, zu extrahieren (4). Diese Modifikation hat die Reproduzierbarkeit der Messungen ermöglicht sowie die Einwirkung der Diffusion der Vernetzungsmittel aus der kontinuierlichen Phase ins Wasser im Abnehmer beseitigt.
Verkapselung der Nanopartikel in den Pektingel-Mikropartikeln
Eine potentielle Anwendung der Pektin-Mikrogele sind u. a. die Systeme für die kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen. Als Modelsubstanzen wurden Nanopartikel verwendet, die in einer Pektin-Matrix verkapselt wurden. Gleichzeitig wurde die Untersuchung der Nanopartikel-Freisetzungsvorgänge zur Charakterisierung der unter verschiedenen Bedingungen hergestellten Gel-Mikrostrukturen benutzt. Die Nanopartikel zeichnen sich durch sehr kleine Abmessungen oder intensive Farben aus, und die Prozesse deren Freisetzung können ohne Benutzung komplizierter Apparatur, z. B. bei Verwendung der spektrophotometrischen Techniken, verfolgt werden.
Auswahl entsprechender Art der Nanopartikel zur Verkapselung
Nächste Forschungsstufe bestand in der Verkapselung der Gold- und Silber-Nanopartikel mit verschiedener Oberflächenchemie in einer Pektin-Matrix (Tabelle 5).
Die Pektin-Verbindungen sind Polyanionen und deswegen beeinflusst die Art der zu verkapselnden Nanopartikel (oder die Chemie deren Oberfläche) das Verfahren zu deren Gelierung oder die Stabilität der herzustellenden Gel-Strukturen. Die Verkapselung der positiv geladenen Nanopartikel auf der Oberfläche in einer Pektin-Matrix hat die erwarteten Ergebnisse nicht gebracht. Der Gelbildungsvorgang war äußerst langsam, wodurch die herzustellenden Gele sich „verliefen” und ungewöhnlich großen Verformungen unterlagen (5b). Die auf der Oberfläche der Nanopartikel angesammelte positive Ladung erschwerte (verlangsamte), möglicherweise bedeutend, die Diffusion der Ionen und die Gelvernetzung (elektrostatische Wechselwirkungen). Erheblich bessere Ergebnisse wurden bei Verwendung der Nanopartikel mit negativ geladenen Oberflächen erhalten. Als Schlüsselelement hat sich aber die Art der Ummantelung herausgestellt. Bei Verwendung der mit SHC₁₁H₂₂SO₃ ^– beschichteten Gold-Nanopartikel wurden die Gele mit etwas schlechterer Charakteristik erhalten (Tabelle 5). Der Gelbildungsvorgang war verlängert, wodurch die erhaltenen Gele verformt waren. Vermutlich war die Gelbildungsrate durch eine Nebenreaktion – Einfang und Anschluss von Calciumionen durch die SHC₁₁H₂₂SO₃ ^–-Ummantelung beeinflusst. Es wurde überprüft, dass infolge einer Reaktion von SHC₁₁H₂₂SO₃ ^– mit den Calciumionen ein Niederschlag fällt. Die besten Ergebnisse wurden für die mit SHC₁₀H₂₀COO^– beschichteten Nanopartikel erhalten und deswegen wurde diese Art der Nanopartikel für die Untersuchung der unter verschiedenen Bedingungen hergestellten Gelstrukturen verwendet. Es ist zu bemerken, dass die Ladung der Ummantelung von Au/SHC₁₀H₂₀COO^–-Nanopartikeln unter Einwirkung von pH (Protonierung der Carboxygruppen im sauren Medium) sich andern kann, was bei der Formulierung von Mikrogelen unter Benutzung der entwickelten Systeme von Bedeutung sein kann.
Untersuchung der Einwirkung von verschiedenen Faktoren auf die Struktur der Pektin-Mikrogele
Die Morphologie der Pektin-Mikrogele wird u. a. durch Einwirkungen wie: die Art und Konzentration des Metall-Ions oder des Pektins, pH des Mediums, Temperatur oder Gelbildungsdauer beeinflusst.
Die nächste Forschungsstufe umfasste die Überprüfung der Auswirkungen von verschiedenen Faktoren auf die Struktur der im entwickelten mikrofluidischen System herzustellenden Pektin-Mikrogele (4). In den Versuchen wurde ein niedrigverestertes amidiertes Pektin mit mittlerer Empfindlichkeit gegen Calciumionen und temperaturunabhängigem Gelbildungsvorgang, verwendet. Getestet wurde die Gelbildungsdauer sowie die verschiedenen Inhalte der Komponenten von Reaktionsgemischen: die Calciumsalzmenge und die Konzentrationen der H⁺-Ionen oder des Pektins. Es ist zu erwähnen, dass die Freisetzung von Substanzen aus den Pektin-Matrizen zum reinen Wasser ein lang andauernder Prozess ist (Tage oder Wochen). Aus diesem Grund, wurde in den Untersuchungen das Dinatriumsalz der Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) verwendet, um den Prozess zu beschleunigen. EDTA komplexiert effektiv die Calcium-Ionen durch die Destabilisierung der Gelstruktur und die Freisetzung der verkapselten Nanopartikel in einer verhältnismäßig kurzen Zeit, wodurch die Versuche wesentlich einfacher geführt werden können.
Einwirkung der Gelbildungsdauer
Weitere Versuche betrafen die Überprüfung der Einwirkung der Vernetzungsdauer von Pektin-Mikrogelen. Der Einfluss der Vernetzungsdauer war bei Verwendung der Mikrogele mit verkapselten Au/SHC₁₀H₂₀COO^–-Gold-Nanopartikeln getestet, die unter Benutzung von 0,5% wässriger Pektin-Lösung und wässriger Nanopartikel-Lösung mit einer Konzentration von 1,5 mg/mL im Volumenverhältnis 2:1 (als disperse Phase) sowie aus dem Rapsöl mit einem Zusatz von 0,4% Calciumcarbonat und 4% Essigsäure (als kontinuierliche Phase) hergestellt wurden. Die Volumenflussraten betrugen 1 und 9 mL/h, entsprechend für die disperse und die kontinuierliche Phase, und das Volumen der so hergestellten Tropfen betrug 30 pL. Eine Portion der analysierten Mikropartikel (eine einzelne Probe) wurde innerhalb von 15 Minuten hergestellt und in 1,5 mL Wasser abgenommen. Im Ergebnis betrug das Volumen einer einzelnen zu untersuchenden Probe etwa 1,75 mL (nur Wasserphase wurde analysiert, Ölphase wurde dagegen beseitigt). Nach einer vorgegebenen Gelbildungsdauer (0,5 h, 1 h, 3 h, 15 h oder 24 h) wurde zur Probe 10 mL EDTA-Lösung mit pC 3 zugegeben. Zur Verfolgung des Freisetzungsprozesses wurde ein Spektrophotometer und eine 3 cm breite (optischer Weg) Küvette benutzt. Die Absorptionsmessungen waren kontinuierlich durchgeführt, das Zeitintervall betrug 5 Minuten, und die Gesamtmessungsdauer betrug 60 Minuten. Während der Messungen war die Probe gerührt.
Es ist zu betonen, dass die Gelbildung ein Vorgang mit kinetischem Charakter ist, was bedeutet, dass sie durch die Kontaktdauer der Tropfen der Pektin-Lösung mit den Vernetzungsmitteln sowie durch die Dauer der sekundären Diffusion der in den Mikropartikeln geschlossenen Ionen (Gelbildung in das Innere der gebildeten Kapsel) bedingt ist. Die Einwirkung der Gelbildungsdauer auf den Vernetzungsvorgang der Pektin-Mikrogele ist in 6 dargestellt.
Die gewonnenen Ergebnisse lassen sich so interpretieren, dass die Gelbildungsdauer ein sehr wichtiger Faktor ist. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Vernetzung zweistufig erfolgt. Es ist zu bemerken, dass die gesamte Gelbildungsdauer lang (Stunden) war, trotzdem, dass der Kontakt eines Polymertropfens mit den Vernetzungsmitteln verhältnismäßig kurz war (Minuten). Die für völlige Vernetzung benötigte Zeit betrug für die Mikrogele mit einem Volumen von 30 pL etwa 10 Stunden. Diese Schlussfolgerung wurde aufgrund kleiner Signalunterschiede in den Zeitprofilen der Freisetzung für 3 h, 15 h und 24 h (6) gezogen. Für weitere Versuche wurde die Gelbildungsdauer von 12 h gewählt.
Einwirkung der EDTA-Konzentration
Die Freisetzungsrate der Nanopartikel aus den Pektin-Matrizen hängt nicht nur von der Vernetzungsdauer ab, sondern ist sie auch durch die Konzentration des Salzes der Ethylendiamintetraessigsäure bedingt.
Der EDTA-Effekt war bei Verwendung der Mikrogele mit verkapselten Au/SHC₁₀H₂₀COO^–-Gold-Nanopartikeln getestet, die unter Benutzung von 0,5% wässriger Pektin-Lösung und wässriger Nanopartikel-Lösung mit einer Konzentration von 1,5 mg/mL im Volumenverhältnis 2:1 (als disperse Phase) sowie aus dem Rapsöl mit einem Zusatz von 0,4% Calciumcarbonat und 4% Essigsäure (als kontinuierliche Phase) hergestellt wurden. Die Volumenflussraten betrugen 1 und 9 mL/h, entsprechend für die disperse und die kontinuierliche Phase, und das Volumen der so hergestellten Tropfen betrug 30 pL. Eine Portion der analysierten. Mikropartikel (eine einzelne Probe) wurde innerhalb von 10 Minuten hergestellt und in 1,0 mL Wasser abgenommen. Im Ergebnis betrug das Volumen einer einzelnen zu untersuchenden Probe etwa 1,17 mL (nur Wasserphase wurde analysiert, Ölphase wurde dagegen beseitigt). Die Gelbildungsdauer einer einzelnen Probe betrug 12 h. Anschließend wurde zur Probe 6,6 mL EDTA-Lösung mit einer vorgegebenen Konzentration (pC-Bereich von 5 bis 2) zugegeben. Zur Verfolgung des Freisetzungsprozesses wurde ein Spektrophotometer und eine 1 cm breite (optischer Weg) Küvette benutzt. Die Messungen wurden nach der Zeit von: 1 h, 3 h, 7 h nach der EDTA-Zugabe durchgeführt. Während der Messungen war die Probe gerührt.
Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche mit der Beteiligung der EDTA-Lösungen mit verschiedenen Konzentrationen (pC im Bereich von 5 bis 2) und der Pektin-Mikrogele mit den verkapselten Gold-Nanopartikel (t_Gelbildung = 12 h) sind in 7 und 8 dargestellt.
Die gewonnenen Ergebnisse haben bestätigt, dass durch die Steuerung der EDTA-Konzentration die Freisetzungsrate der Nanopartikel aus den Pektin-Mikrogelen einfach kontrolliert werden kann. Zum Beispiel, bei Verwendung einer EDTA-Lösung mit pC 2 erfolgt die vollständige Freisetzung der Nanopartikel innerhalb von etwa 10 Minuten (7). Die Verwendung der EDTA-Lösungen mit niedrigeren Konzentrationen (pC < 2) hat wiederum eine langsamere Degradierung der Mikrogele und die Freisetzung kleinerer Menge der Nanopartikel zur Folge.
Für weitere Untersuchungen über die Einwirkung der Phasenzusammensetzung wurde eine EDTA-Lösung mit einer Konzentration von 1,41 mM (pC 2,85) gewühlt. Diese Menge des Chelatierungsmittels ermöglicht es, die Unterschiede an der Degradierungsrate von Mikrogelen mit verschiedener Struktur in der vorgegebenen Versuchsdauer von 45 Minuten (Testen der Einwirkung von verschiedenen Faktoren).
Einwirkung der Phasenzusammensetzung: der kontinuierlichen und der dispersen Phase
Die Untersuchungen über die Einwirkung der Phasenzusammensetzung: der kontinuierlichen und der dispersen Phase, auf die herzustellenden Mikrogel-Strukturen, benötigten ein entsprechendes Verfahren, das die maßgebenden und reproduzierbaren Ergebnisse gewährleisten würde. Darum war die vorherige Bestimmung der optimalen Gelbildungsdauer und der EDTA-Konzentration so wichtig.
Die Einwirkung der Phasenzusammensetzung war bei Verwendung der Mikrogele mit verkapselten Au/SHC₁₀H₂₀COO^–-Gold-Nanopartikeln getestet, die bei Benutzung von 0,5% oder 1% wässriger Pektin-Lösung und wässriger Nanopartikel-Lösung mit einer Konzentration von 1,5 mg/mL im Volumenverhältnis 2:1 (als disperse Phase) sowie aus dem Rapsöl mit einem Zusatz von 0,05% oder 0,4% oder 2% Calciumcarbonat und 1% oder 4% oder 10% Essigsäure (als kontinuierliche Phase) hergestellt wurden. Für die Herstellung von Mikrogelen wurde ein modifiziertes mikrofluidisches System verwendet, das die reproduzierbare Formulierungsbedingungen gewährleistete, (das System ist schematisch in 4 dargestellt). Die Volumenflussraten betrugen 1 und 9 mL/h, entsprechend für die disperse und die kontinuierliche Phase, und das Volumen der so hergestellten Tropfen betrug 30 pL. Eine Portion der analysierten Mikropartikel (eine einzelne Probe) wurde innerhalb von 15 Minuten hergestellt und in 1,5 mL Wasser abgenommen. Im Ergebnis betrug das Volumen einer einzelnen zu untersuchenden Probe etwa 1,75 mL (nur Wasserphase wurde analysiert. Ölphase wurde dagegen beseitigt). Die Gelbildungsdauer einer einzelnen Probe betrug 12 h. Anschließend wurde zur Probe 10 mL EDTA-Lösung mit pC 2,85 zugegeben. Zur Verfolgung des Freisetzungsprozesses wurde ein Spektrophotometer und eine 3 cm breite (optischer Weg) Küvette benutzt. Die Absorptionsmessungen waren kontinuierlich durchgeführt, das Zeitintervall betrug 3 Minuten, und die Gesamtmessungsdauer betrug 45 Minuten. Während der Messungen war die Probe gerührt. Dafür wurde eine speziell entwickelte, mit einem Spannungsregler gesteuerte Rührvorrichtung verwendet.
Die Untersuchungen zur Einwirkung der Phasenzusammensetzung bestanden in der Überprüfung: i) der Konzentration des benutzten Pektins (0,5% und 1%), ii) der Konzentration der Essigsäure im Rapsöl (1%, 4%, 10%) sowie iii) der Menge des Calciumcarbonats, das zur kontinuierlichen Phase zugegeben wurde (0,05%, 0,4%, 2%). Die Ergebnisse der durchgeführten Experimente sind in 9 und 10 dargestellt.
Aufgrund der Analyse der gewonnenen Ergebnisse kann festgestellt werden, dass die Struktur der herzustellenden Mikrogele durch die Steuerung der Pektin-Konzentration, der Wasserstoffionen oder der Calciumsalzmenge kontrolliert werden kann. Die wichtigste qualitative Beobachtung, die sich aus den durchgeführten Versuche ergibt, betraf die Schlüsselrolle der Essigsäure bei der Formulierung stabiler Pektin-Mikrogele. Alle Mikrogele, die bei Verwendung der Essigsäure mit einer niedrigen Konzentration (1%) sowie einer 0,5% Pektin-Lösung hergestellt wurden, waren äußerst unstabil. Die meisten Gold-Nanopartikel wurden noch vor der Zugabe von EDTA freigesetzt.

Die bei Benutzung von 1% CH₃COOH und 1% Pektin-Lösung hergestellten Mikropartikel zeichneten sich durch eine etwas höhere Stabilität aus. In diesem Fall wurden die Gold-Nanopartikel innerhalb von etwa 15 Minuten nach der EDTA-Zugabe freigesetzt. Es ist interessant, dass für die analysierten (bei Verwendung von 1% Säure hergestellten) Mikrogele keine Abhängigkeit der Freisetzungsrate von der verwendeten Calciumcarbonatmenge beobachtet wurde. Es ist auch bemerkenswert, dass diese Mikropartikel eine Tendenz zeigten, sich aneinander zu fügen und große Agglomerate zu bilden. Die Mikrogele, die bei Verwendung der Essigsäure mit der höchsten zu testenden Konzentration (10%) hergestellt wurden, bildeten keine Aggregate und blieben stabil auch nach der Zugabe eines Calcium komplexierenden Mittel. Nur aber im Fall von Mikrokörnern, die bei Benutzung der kleinsten Calciumcarbonatmenge (0,05%) hergestellt wurden, wurde eine Destabilisierung der Mikropartikel beobachtet (etwa 25% der Nanopartikel wurden freigesetzt). Die interessantesten Ergebnisse wurden für die mittlere Konzentration der benutzten Säure (4%) gewonnen. Die bei Benutzung der 0,5% Pektin-Lösung formulierten Mikrogele zeigten ähnliche Destabilisierungsprofile auf, indem sie alle Nanopartikel innerhalb von etwa 20 Minuten nach EDTA-Zugabe freigesetzt haben. Es ist interessant, dass die aus einer 1% Pektin-Lösung hergestellten Mikropartikel degradierten langsamer und die Freisetzungstempo höher für die Moleküle war, die mit einer größeren Calciummenge hergestellt wurden. Tabelle 4

Calciumsalz	Löslichkeit in CH₃COOH	Mischbarkeit mit dem Rapsöl	Beobachtungen zu Endmischungen
Chlorid	++	+	Öltrübung
Laktat	++	–	Entmischung und Niederschlagesbscheidung
Acetat	++	–	Öltrübung und Niederrschlagabscheidung
Carbonat	+	++	gute Mischbarkeit
Oxalat	+	–	Entmischung und Niederschlagabscheidung
Zitrat	–	–	unmischbar

Tabelle 5

Verwendete Nanopartikel	NP-Ladung	Gelbildung-Bemerkungen
Ag/SHC₁₁H₂₂N⁺ (CH₃)₃	(+)	extrem langsam; endgültig wurde Gel in der Form einer „Wölkchen” hergestellt
Au/SHC₁₁H₂₂SO₃ ^–	(–)	langsam; Kapseln wurden hergestellt (Gele mit einem flüssigen Kern)
Au/SHC₁₀H₂₀COO^–	(–)	Schnell; homogene Gele wurden hergestellt (völlig geliert)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Thies, C. in Encyclopedia of Polymer Science and Technology (ed. H. F. Mark) (John Wiley & Sons, Inc., 2005) [0004]
Bonin, S. Agro Przemysł 6, 20–23 (2008) [0005]
Schmidt, J. J., Rowley, J. & Kong, H. J. Journal of Biomedical Materials Research Part A 87A, 1113–1122 (2008) [0005]
Xu, Q., Hahsimoto, M., Dang, T. T., Hoare, T., Kohane, D. S., Whitesides, G. M., Langer, R., Anderson, D. G. Small 5, 1575–1581 (2009) [0005]
Yu, C.-Y., Cao, H., Zhang, X.-C., Zhou, F.-Z., Cheng, S.-X., Zhang, X.-Z., and Zhuo, R.-X. Langmuir 25, 11720–11726 (2009) [0005]
Um, E., Lee, D.-S., Pyo, H.-B. & Park, J.-K. Microfluidics and Nanofluidics 5, 541–549 (2008) [0005]
Schmidt, J. J., Rowley, J. & Kong, H. J. Journal of Biomedical Materials Research Part A 87A, 1113–1122 (2008) [0005]
Liu, Z., Jiao, Y., Wang, V., Zhou, C. & Zhang, Z. Advanced Drug Delivery Reviews 60, 1650–1662 (2008) [0005]
Sirsi, S. R., Borden, M. A. Bubble Science, Engineering & Technology 1, 3–17 (2009) [0005]
Xu, Q., Hahsimoto, M., Dang, T. T., Hoare, T., Kohane, D. S., Whitesides, G. M., Langer, R., Anderson, D. G. Small 5, 1575–1581 (2009) [0006]
Tan, W.-H. & Takeuchi, S. Advanced Materials 19, 2696–2701 (2007) [0008]
Workman, V. L., Dunnett, S. B., Kille, P. & Palmer, D. D. Biomicrofluidics 1, 014105–014109 (2007); Liu, K., Ding, H.-J., Liu, J., Chen, Y. & Zhao, X.-Z. Langmuir 22, 9453–9457 (2006) [0008]
Choi, C.-H., Jung, J.-H., Rhee, Y. W., Kim, D.-P., Shim, S.-E. and Lee, C.-S. Biomedical Microdevices 9, 855–862 (2007) [0008]
Blythe, P. J., Morrison, B. R., Mathauer, K. A., Sudol, E. D. & El-Aasser, M. S. Langmuir 16, 898–904 (1999) [0008]
Zhang, H., Tumarkin, E., Peerani, R., Nie, Z. K., Sullan, R. M. A., Walker, G. C., Kumacheva, E., Journal of the American Chemical Society 128, 12205–12210 (2006) [0008]
Lin, Y.-H., Chen, C.-T., Huang, L. & Lee, G.-B. Biomedical Microdevices 9, 833–843 (2007) [0008]
Chuah, A. M., Kuroiwa, T., Kobayashi, I., Zhang, X. & Nakajima, M. Colloids and Surfaces A: Physicochemmical and Engineering Aspects 351, 9–17 (2009) [0008]
Um, E., Lee, D.-S., Pyo, H.-B. & Park, J.-K. Microfluidics and Nanofluidics 5, 541–549 (2008) [0008]
Tan, W.-H. & Takeuchi, S. Advanced Materials 19, 2696–2701 (2007) [0008]
Liu, K., Ding, H.-J., Liu, J., Chen, Y. & Zhao, X.-Z. Langmuir 22, 9453–9457 (2006) [0008]
[Sriamornsak, P. Journal of Silpakorn University 21–22, 206–228 (2001) [0015]
Voragen, A., Coenen, G.-J., Verhoef, R. & Schols, H. Structural Chemistry 20, 263–275 (2009) [0015]
Sriamornsak, P. Journal of Silpakorn University 21–22, 206–228 (2001) [0015]
Kohn, R. Carbohydrate Polymers 2, 273–275 (1982) [0015]
Nangia-Makker, P., Hogan, V., Honjo, Y., Baccarini, S., Tait, L., Bresalier, R. and Raz, A. J. Natl. Cancer Inst. 94, 1854–1862 (2002) [0015]
Ovodov, Y. Russian Journal of Bioorganic Chemistry 35, 269–284 (2009) [0015]
Yu, C.-Y., Cao, H., Zhang, X.-C., Zhou, F.-Z., Cheng, S.-X., Zhang, X.-Z., and Zhuo, R.-X, Langmuir 25, 11720–11726 (2009) [0015]
Liu, L., Fishman, M. L., Kost, J. & Hicks, K. B. Biomaterials 24, 3333–3343 (2003) [0015]
Liu, L., Fishman, M. & Hicks, K. Cellulose 14, 15–24 (2007) [0015]
Katav, T., Liu, L. S., Traitel, T., Goldbart, R., Wolfsau, M., Kost, J. Journal of Controlled Release 130, 183–191 (2008) [0015]
Andrade, J. R., Raphael, E. & Pawlicka, A. Electrochimica Acta 54, 6479–6483 (2009) [0015]
Ichibouji, T., Miyazaki, T., Ishida, E., Sugino, A. & Ohtsuki, C. Materials science and Engineering: C 29, 1765–1769 (2009) [0015]
Ovodov, Y. Russian Journal of Bioorganic Chemistry 35, 269–284 (2009) [0016]
Voragen, A., Coenen, G.-J., Verhoef, R. & Schols, H. Structural Chemistry 20, 263–275 (2009) [0017]
Sriamornsak, P. Silpakorn University International Journal 3, 206–228 (2003) [0017]
Tho, I., Sande, S. A. & Kleinebudde, P. Chem. Eng. Sci. 60, 3899–3907 (2005) [0017]
Reis, A. V., Guilherme, M. R., Paulino, A. T., Muniz, E. C., Mattoso, L. H. C. and Tambourgi, E. B. Langmuir 25, 2473–2478 (2009) [0018]
Opanasopit, P. Apirakaramwong, A., Ngawhirunpat, T., Rojanarata, T. & Ruktanonchai, U. AAPS PharmSciTech 9, 67–74 (2008) [0019]
Yu, C.-Y., Cao, H., Zhang, X.-C., Zhou, F.-Z., Cheng, S.-X., Zhang, X.-Z., and Zhuo, R.-X. Langmuir 25, 11720–11726 (2009) [0021]
Kawakatsu, T., Trägårch, G. & Trägårdh, C. Journal of Food Engineering 50, 247–254 (2001) [0021]
Kawakatsu, T., Trägårdh, G. & Trägårdh, C. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 189, 257–264 (2001) [0021]
Ogończyk, D., Węgrzyn, J., Jankowski, P., Dąbrowski, B. & Garstecki, P. Lab on a chip 10, 1324–1327 (2010) [0047]
P. Jankowski, D. Ogończyk, A. Kosiński, W. Lisowski and P. Garstecki (eingereicht) [0047]
Ogończyk, D., Węgrzyn, J., Jankowski, P., Dąbrowski, B. & Garstecki, P. Lab on a chip 10, 1324–1327 (2010) [0048]
P. Jankowski, D. Ogończyk, A. Kosiński, W. Lisowski and P. Garstecki [0048]

Claims

Verfahren zur Herstellung monodisperser Pektin-Mikrogele unter Verwendung eines mikrofluidischen Systems, umfassend die Stufen: i) Erzeugung der Emulsion und ii) Gelbildung durch die Diffusion der in der kontinuierlichen Phase vorhandenen Vernetzungsionen zu der dispersen Phase, gekennzeichnet dadurch, dass die kontinuierliche Phase ein Öl, ein Metallsalz sowie eine Saure enthält, und die disperse Phase eine wässrige Pektin-Lösung darstellt, die optional Nanopartikel enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die kontinuierliche Phase ein Speiseöl, mehr bevorzugt ein Rapsöl, am meisten bevorzugt ein Rapsöl aus erster Pressung darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Metallsalz ein Salz eines zweiwertigen Metalls, mehr bevorzugt ein Calciumsalz ist.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass das Metallsalz ein Calciumsalz ist, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Calciumchlorid, Calciumlaktat, Calciumacetat, Calciumoxalat, Calciumzitrat, Calciumcarbonat und deren Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass das Salz Calciumcarbonat ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die erwähnte Säure mit polaren und unpolaren Lösungsmitteln mischbar ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Säure nicht toxisch ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Säure Essigsäure ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Konzentration der Säure in der kontinuierlichen Phase mindestens 1,0% (Gew.), mehr bevorzugt etwa 10,0% (Gew.) ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Konzentration des Salzes in der kontinuierlichen Phase von 0,05% (Gew.) bis 2,0% (Gew.), vorzugsweise etwa 0,4% (Gew.) ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Pektine niedrigveresterte amidierte Pektine sind.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass das Pektin eine niedrige, mittlere oder hohe Empfindlichkeit gegen Calciumionen, vorzugsweise eine mittlere, hat.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass die Konzentration der Lösung des Pektins von 0,25% (Gew.) bis 1,0% (Gew.), vorzugsweise etwa 0,5% (Gew.) ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass es zusätzlich eine Austauschstufe umfasst, in der die Öl enthaltende kontinuierliche Phase ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass in die disperse Phase Nanopartikel mit verschiedener Oberflächenchemie, vorzugsweise mit einer negativ geladenen Oberfläche, mehr bevorzugt mit einer SHC₁₀H₂₀COO^–Beschichtung, verkapselt werden.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass in der erwähnten Stufe der Emulsionserzeugung Strömungen der kontinuierlichen Phase und der dispersen Phase stattfinden.