DE102018118092A1

DE102018118092A1 - Hybridsystem mit nanoporösen Nanopartikeln in einer Edelmetallstruktur und Verfahren zur Herstellung hiervon sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102018118092A1
Application number: DE102018118092.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Behrens; Hans-Christoph Schwarz; Kim Dana Kreisköther; Tim-Joshua Pinkvos
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: WO2020021075A1; DE102018118092B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridsystems, das nanoporöse Nanopartikel in einer Edelmetallstruktur, wie Platinstruktur, aufweist. Die vorliegende Anmeldung betrifft weiterhin ein entsprechend erhältliches Hybridsystem sowie ein Verfahren zur Herstellung von mit Polymer zumindest teilweise beschichteten nanoporösen Silica-Nanopartikeln sowie diese entsprechenden Partikel selbst und deren Vorliegen in dem erfindungsgemäßen Hybridsystem. Schließlich werden pharmazeutische Produkte umfassend das erfindungsgemäße Hybridsystem, insbesondere zur Anwendung in Implantaten wie einem neuronalen Implantat aber auch als Drug-Delivery-System beschrieben. Schließlich wird ein Verfahren zur Speicherung und kontinuierlichen Freigabe von Wirkstoffen beschrieben, umfassend die Verwendung des erfindungsgemäßen Hybridsystems z. B. in Form eines entsprechenden pharmazeutischen Produktes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridsystems, das nanoporöse Nanopartikel in einer Edelmetallstruktur, wie Platin, aufweist. Die vorliegende Anmeldung betrifft weiterhin ein entsprechend erhältliches Hybridsystem sowie ein Verfahren zur Herstellung von mit Polymer zumindest teilweise beschichteten nanoporösen Silica-Nanopartikeln sowie diese entsprechenden Partikel selbst und deren Vorliegen in dem erfindungsgemäßen Hybridsystem. Schließlich werden pharmazeutische Produkte, umfassend das erfindungsgemäße Hybridsystem, insbesondere zur Anwendung in Implantaten wie einem neuronalen Implantat, aber auch als Drug Delivery-System beschrieben. Schließlich wird ein Verfahren zur Speicherung und kontinuierlichen Freigabe von Wirkstoffen beschrieben, umfassend die Verwendung des erfindungsgemäßen Hybridsystems z. B. in Form eines entsprechenden pharmazeutischen Produktes.
Stand der Technik
Der Einsatz von verschiedensten Materialien in Implantaten zur Verwendung im Körper eines Subjektes findet im pharmazeutischen und medizinischen Bereich allgemein Anwendung. Implantate können dabei zum Erreichen verschiedener Ziele eingesetzt werden. Es kann unterschieden werden zwischen permanenten und transienten Implantaten, insbesondere auch solchen, die sich im Körper selbst abbauen. Implantate werden sowohl im Weichgewebe als auch in Knochen und anderen Bereichen des Körpers gesetzt. Dabei werden die Implantate für verschiedenste Zwecke eingesetzt, so als Ersatz für Knochen oder Knochenfragmente, als Stützelemente, aber auch zur Unterstützung von Vorgängen im Körper. Implantate im weitesten Sinne schließen auch Systeme ein, die in den Körper eingebracht z. B. als Drug-Delivery-Systeme Einsatz finden. Typische Beispiele für Implantate sind Stents, Gewebe- und Gefäßprothesen, Implantate für die plastische Chirurgie, aber auch in der Zahnmedizin, der Unfallchirurgie und der Neurochirurgie. Ein typisches Beispiel für ein Implantat ist das Cochlea-Implantat.
In Deutschland kann von einem Bevölkerungsanteil von 17 % ausgegangen werden, der Probleme im Bereich des Hörens hat. Um diesen Patienten zu helfen, existieren bereits verschiedene Implantate auf dem Markt. So werden neben konventionellen Hörgeräten insbesondere Cochlea-Implantate eingesetzt. Im Cochlea-Implantat finden Elektroden Verwendung, die die aufgenommenen Reize über elektrische Impulse an die Nerven weiterleiten. Diese neuronalen Elektroden erlauben eine effektive Kommunikation mit dem umgebenden Gewebe durch das Senden und/oder Empfangen von elektrischen Signalen. Häufig werden aber die neuronalen Elektroden in ein vorgeschädigtes Gewebe implantiert, auch die Implantation selbst stellt eine Störung dar. Die Elektrodenkontakte in Cochlea-Implantaten bestehen in den meisten Fällen aus Platin, da dieses Metall sehr inert und damit korrosionsbeständig ist. Die spezifische Leitfähigkeit ist hier nur etwa 6- bis 7-fach geringer als von Silber oder Kupfer. Platin weist als Elektrodenmaterial gute elektrochemische Eigenschaften auf. Zur Isolierung der Drähte, die zu den Kontakten führen, und zur Umhüllung der Drähte findet Silicon Verwendung. Ein Problem der Verwendung von Elektroden im Cochlea-Implantat ist, dass diese Elektroden elektrische Felder ausbilden, die sich gegenseitig beeinflussen können. Entsprechend ist die maximale Anzahl auf einem Implantat begrenzt, siehe Lenarz, T., Cochlea-Implantat - Ein praktischer Leitfaden für die Versorgung von Kindern und Erwachsenen, Springer, Heidelberg, 1998, S. 12. So besitzt ein Cochlea-Implantat nur bis zu 22 Kanäle, von denen weniger als die Hälfte benutzt werden. Dies reicht üblicherweise nur dazu aus, um in ruhiger Atmosphäre ein Gespräch zu führen, bereits bei Musik ist die Qualität verschlechtert.
Durch eine Ausstattung des Implantates mit Medikamenten oder anderen bioaktiven Substanzen, wie Wachstumsfaktoren, und deren gezielte Freisetzung kann eine verbesserte therapeutische Wirksamkeit der Elektrode erreicht werden. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes Implantat-assoziiertes Drug-Delivery-System. Dieses erlaubt auch die o. g. Probleme mit vorgeschädigtem Gewebe und Schädigung des Gewebes bei Implantationen zu verringern. Bei dem Cochlea-Implantat kann dadurch die Anzahl der nutzbaren Kanäle erhöht werden. So sollen Wachstumsfaktoren die Spiralganglionzellen (spiral ganglion cells, SGCs) dazu anregen, ihre Dendriten länger in Richtung der Elektrode wachsen zu lassen. D. h., diese Freisetzungssysteme sollen eine Verbesserung des Überlebens und der Leistungsfähigkeit dieser Zellen erlauben, um eine bessere Integration der Elektrode in das Gewebe zu ermöglichen und entsprechend die Funktion des Implantates zu steigern. Andere Wirkstoffe, wie Dexamethason, können die nachteiligen Folgen der Operation abmildern.
Nanoporöse Silica-Nanopartikel (nanoporous silica nanoparticles, NPSNPs) haben sich in der wissenschaftlichen Forschung als geeignet für die Konstruktion von Drug Delivery-Systemen erwiesen. Sie haben sich in vielen Studien als biokompatibel gezeigt. Erste klinische Studien berichten ebenfalls keine nachteiligen Wirkungen. Diese Nanopartikel besitzen ein sehr großes Nanoporenvolumen und können somit sehr viel Wirkstoff aufnehmen, speichern und auch wieder abgeben. Sie weisen sehr gute chemische Modifizierbarkeit auf, die auf der Reaktivität der zahlreichen an der Oberfläche vorhandenen Silanolgruppen beruht. Dadurch ist eine Vielzahl von Oberflächenmodifikationen möglich, z. B. kann über Linker eine Anbindung niedermolekularer Wirkstoffe, Biomoleküle wie Wachstumsfaktoren, aber auch Polymere zur Regulierung der Freisetzung gebunden werden. Silica-Partikel im Allgemeinen, z. B. in Form von Nanopartikeln, sind bekannt zur Ausbildung von mesoporösen und nanoporösen Strukturen. So werden zum Beispiel mesoporöse Silicafilme als Biomaterialien beschrieben, siehe Ehlert N. et al., Chem Soc Rev, 2013, 42, 3847-3861. Nanoporöse Silica-Beschichtungen sind weiterhin als Drug-Delivery-Systeme bekannt, z. B. beschrieben in Hesse D. et al., Otology & Neurotology 2013, 34, 1138-1145. Eine Evaluierung von nanoporösen Silica-Nanopartikeln als Biomaterialien findet sich in Williams S. et al., J Mater Sci: Mater Med, 2015, 26:125. Geordnete makroporöse Platinelektroden sind beschrieben von Kim O-H. et al., Nature Communications, 2013, 4:2473.
NPSNPs als eine Ausführungsform von nanoporösen Nanopartikeln besitzen nicht nur eine gute Biokompatibilität und Biodegradierbarkeit, sondern erlauben auch bei einem freien Porenvolumen von bis zu 50 % die Speicherung und Freisetzung von u. a. Wirkstoffen und anderen Komponenten. Allerdings ist Silica ein elektrisch isolierendes Material und wird daher üblicherweise als Elektrodenmaterial nicht eingesetzt. In Shibata S. et al, Hearing Research, 2011, 281, 56-64, wird die Aufrechterhaltung und Regenerierung von beschädigter Cochlea diskutiert. In der WO 2014/165725 A1 werden mögliche Arten von Elektroden einsetzbar in Cochlea-Implantaten diskutiert.
Beschreibung der Erfindung
Es besteht nach wie vor ein Bedarf an geeigneten Systemen zur langfristigen oder Depotfreisetzung von Wirkstoffen in verschiedensten Bereichen des Körpers einschließlich Knochen und in neuronalen Geweben.
Erfindungsgemäß wird dieses mit einem hierin beschriebenen Hybridsystems gelöst sowie entsprechenden Verfahren zur Herstellung dieser Hybridsysteme.
Es zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Hybridsystem eine verzögerte Freisetzung von deponierten Komponenten über einen Zeitraum von mindestens 30 Tagen, wie z. B. 30 bis 60 Tagen erlaubt.
In einem ersten Aspekt richtet sich daher die vorliegende Anmeldung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridsystems umfassend nanoporöse Nanopartikel in einer porösen Edelmetall- oder Titandioxidstruktur, wobei das Verfahren die vorliegenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen von nanoporösen Nanopartikeln;
b) Beschichten dieser nanoporösen Nanopartikel mit einem Polymer zur Ausbildung einer Polymerschicht auf diesen nanoporösen Nanopartikeln;
c) Aufbringen dieser im Schritt b) erhaltenen beschichteten nanoporösen Nanopartikel auf eine Oberfläche;
d) elektrochemische Abscheidung von Edelmetall oder Titandioxid in die Zwischenräume der sich auf der Oberfläche befindenden polymerbeschichteten nanoporösen Nanopartikel und
e1) Kalzination dieses so ausgebildeten Hybridsystems; und/oder
e2) Extrahieren dieses so ausgebildeten Hybridsystems mit einem Lösungsmittel zum zumindest teilweise Entfernen des Polymers und/oder
f) chemische Modifikation der nanoporösen Nanopartikel zur Verbesserung der Aufnahme und der Kontrolle über die Freisetzung von Wirkstoffen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Kalzination bei mindestens 350°C, insbesondere mit einer Aufheizrate von mindestens 1°C pro Minute.
Schematisch ist der Aufbau des beschriebenen Hybridsystems in Abbildung gezeigt.
zeigt den schematischen Aufbau des Hybridsystems. Im ersten Schritt werden die Kern-Schale-Nanopartikel synthetisiert und in einem zweiten Schritt durch kontrolliertes Eintrocknen zur Templatstruktur angeordnet. Anschließend wird das Edelmetall (z.B. Platin) elektrochemisch in die Zwischenräume der Struktur abgeschieden und durch Kalzination, bzw. Extraktion das Polymer entfernt um das gewünschte Hybridsystem auszubilden.
Das Edelmetall ist nicht besonders eingeschränkt und wird je nach gewünschter Anwendung ausgewählt. Insbesondere ist dieses Edelmetall eines, das im Körper möglichst bioinert ist, d. h. im Körper selbst möglichst geringe Wirkungen aufzeigt und vom Organismus nicht abgebaut wird. Edelmetalle sind als entsprechend geeignete Materialien für den Einsatz im Körper bekannt. Gleiches gilt für Titan, das ebenfalls bioinert ist. In Abhängigkeit von der Anwendung können die Edelmetalle bzw. das Titan ausgewählt werden. So eignen sich bei der neuronalen Anwendung insbesondere solche, die entsprechend gute bioinerte und elektrochemische Eigenschaften aufweisen, wie z. B. Platin. Platin ist allgemein als ein geeignetes Material z. B. für Elektroden z. B. insbesondere neuronalen Elektroden, wie im Cochlea-Bereich, bekannt. Auf anderen Gebieten, z. B. im Bereich von Knochenimplantaten, sind andere Edelmetalle oder Titan geeignet, insbesondere Titan. Titan weist auf der Oberfläche eine oxidische Schicht auf. Durch das kontrollierte Aufbringen einer solchen Titandioxidschicht ist es möglich die Leistungsfähigkeit (z.B. Einwachsverhalten oder Wirkstoffeinlagerung und -freisetzung) des Implantats zu verbessern.
Allgemein eignen sich als entsprechende poröse Strukturen solche Materialien, wie sie bisher zur Implantation in den Körper eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dabei die beschichteten nanoporösen Nanopartikel im Schritt c) mehrlagig auf der Oberfläche aufgebracht und liegen entsprechend mehrlagig nach Aufbringen des Edelmetalls, wie einer elektrochemischen Abscheidung, in dem Hybridsystem vor.
Die nanoporösen Nanopartikel werden mit dem Polymer mindestens teilweise beschichtet. Die Nanopartikel können entsprechend vollständig ummantelt oder nur teilweise ummantelt sein. Die Beschichtung bzw. Ummantelung kann dabei auch derart erfolgen, dass mehrere Kerne umhüllt sind.
Als Polymere zu Beschichtung der nanoporösen Nanopartikel können eine Vielzahl von organischen Polymeren eingesetzt werden. Geeignete Polymere sind solche, die in dem späteren Schritt der Kalzination oder der Extraktion mit einem Lösungsmittel entfernbar sind. Geeignete Polymere sind z.B. Polystyrol, Polyethylen oder Polymethylmethacrylat. Geeignete organische Polymere schließen insbesondere ein: Polystyrole oder Co-Polymere mit Polystyrolen wie z. B. eine Mischung aus Polystyrol mit N-Vinylformamid. Dem Fachmann sind geeignete Polymere, insbesondere organische Polymere bekannt, die durch Kalzination oder Extraktion mit einem Lösungsmittel entsprechend entfernt werden können.
Vorliegend werden unter dem Ausdruck „Nanopartikel“ Partikel mit Durchmessern von bis zu 500 Nanometern im Durchschnitt verstanden. Die Nanopartikel können dabei solche sein mit den Durchmessern von im Durchschnitt bis zu 200 Nanometern, wie bis zu 100 Nanometern, z. B. bis zu 80 Nanometern, wie bis zu 70 Nanometern. Alternativ können die Nanopartikel solche sein, die Durchmesser von bis zu 50 Nanometer aufweisen, wie mindestens einen Durchmesser von 10 Nanometern.
Unter nanoporösen Nanopartikeln wird im Folgenden verstanden, dass die Nanopartikel entsprechend porös ausgebildet sind geeignet zur Aufnahme von Wirkstoffen. Z. B. wird die Herstellung von geeigneten nanoporösen Nanopartikeln in Form von nanoporösen Silica-Nanopartikeln beschrieben in Williams S et al, J. Mater. Sci. Mater. Med. 2015, 26, 125. Die Porengröße ist z. B. einstellbar zwischen 3 und 15 Nanometer durch die Wahl eines Additivs bei der Synthese der Nanopartikel.
Die Beschichtung der Partikel erfolgt mit bekannten Verfahren, geeignete Beschichtungsverfahren sind beispielhaft in den Beispielen dargestellt. Diese Beschichtungsverfahren eignen sich insbesondere auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von mit Polymer zumindest teilweise beschichteten nanoporösen Silica-Nanopartikeln (NPSNP).
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung nämlich ein Verfahren zur Herstellung von mit Polymer teilweise beschichteten, nanoporösen Silica-Nanopartikeln, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen von nanoporösen Silica-Nanopartikeln,
b) Aufbringen einer Polymerschicht auf der Oberfläche dieser nanoporösen Silica-Nanopartikel derart, dass diese zumindest teilweise von dieser Polymerschicht umgeben sind.

Ein geeignetes Polymer hierfür ist z. B. Polystyrol oder Mischungen von Polystyrol mit N-Vinylformamid.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen oben ausgeführten Verfahren liegen die beschichteten nanoporösen Nanopartikel, wie die nanoporösen Silica-Nanopartikel, dabei als Kern-Schale-Nanopartikel vor. Dieser dem Fachmann bekannte Begriff beschreibt entsprechende Partikel mit dem Nanopartikelkern und der durch das Polymer ausgebildeten Schale. In einer Ausführungsform umschließt die Schale dabei vollständig den Kern, gebildet aus den nanoporösen Nanopartikeln, wie den nanoporösen Silica-Nanopartikeln.
In einer Ausführungsform weisen die nanoporösen Nanopartikel, wie die nanoporösen Silica-Nanopartikel einen Durchmesser von 10 Nanometer bis 100 Nanometer auf. Die Angaben der Durchmesser beziehen sich dabei auf die durchschnittlichen Durchmesser der Partikel. Dem Fachmann sind geeignete Verfahren bekannt, die entsprechenden durchschnittlichen Durchmesser mit entsprechenden Bestimmungsverfahren zur Bestimmung der Durchmesser dieser Partikel zu bestimmen.
In einer Ausführungsform ist die Polymerbeschichtung vollständig, in anderen Ausführungsformen ist die Polymerbeschichtung teilweise. Die Polymerschicht weist dabei üblicherweise eine Dicke von 5 nm bis 100 nm auf, wie 10 nm bis 50 nm und z. B. 10 nm bis 30 nm.
Ein Aufbringen dieser beschichteten nanoporösen Nanopartikel, wie den beschichteten nanoporösen Silica-Nanopartikeln, auf die Oberfläche erfolgt gemäß bekannten Verfahren, wie ausgeführt können dabei diese Nanopartikel mehrlagig auf der Oberfläche vorliegen. Ein Verfahren zum Aufbringen ist z. B. beschrieben in Kim O.-H. et al, Nat. Commun. DOI:10.1038/NCOMMS3473). Hier werden Polystyrol-Kügelchen durch kontrolliertes Eintrocknen als kolloidales Template aufgebracht. Andere Verfahren schließen ein: Vertikale Deposition, Spin-Coating und Dip-Coating.
Die Oberfläche kann dabei irgendeine geeignete Oberfläche sein, wie z. B. eine Implantatoberfläche oder eine entsprechend mit dem Edelmetall oder Titandioxid beschichtete Struktur, wie ein Wafer. Für die nachfolgende Abscheidung eines Edelmetalls oder von Titandioxid sollte die Oberfläche eine hinreichende Leitfähigkeit aufweisen. In einer Ausführungsform ordnen sich dabei diese Partikel, z. B. Kern- oder Kern-Schale-Partikel der nanoporösen Nanostruktur, wie die nanoporösen Silica-Nanopartikel, in einer opalartigen Struktur an.
In dieser opalartigen Struktur kann das erfindungsgemäße Hybridsystem besonders gut ausgebildet werden, wenn das entsprechende Edelmetall oder das Titandioxid elektrochemisch abgeschieden wird.
Die elektrochemische Abscheidung des Edelmetalls oder das Aufbringen des Titandioxids erfolgt dabei derart, dass die Oberfläche nach dem Entfernen des Templats ein interkonnektiertes Porensystem aufweist und somit ein Eindringen von Molekülen erlaubt.
Nach Abscheidung des Edelmetalls, wie Platin, oder des Titandioxids, in die Zwischenräume der auf der Oberfläche angeordneten polymerbeschichteten nanoporösen Nanopartikel, wie polymerbeschichtete nanoporöse Silica-Nanopartikel, insbesondere angeordnet in einer opalartigen Struktur, erfolgt in einem nächsten Schritt die Kalzination dieses so ausgebildeten Hybridsystems. Dem Fachmann sind geeignete Kalzinationsverfahren bekannt derart, dass das beschichtende ausbildende Polymer oxidiert wird und entsprechend einen Hohlraum hinterlässt. Die Kalzination kann z. B. bei 350 °C z. B. mit einer Aufheizrate von mindestens 1 °C pro Minute erfolgen. Dem Fachmann sind geeignete Kalzinationsverfahren bekannt. Die Kalzination erfolgt derart, dass zumindest teilweise das Polymer der Beschichtung oxidiert wird und dadurch entsprechend poröse Bereiche in der Edelmetallstruktur oder Titandioxidstruktur ausgebildet werden, wobei in diesen „Poren“ die nanoporösen Nanopartikel liegen. Alternativ zur Kalzination ist es, wie oben beschrieben, auch möglich, das Polymer, wenn keine kovalente Bindungen zwischen Polymer und nanoporösen Nanopartikeln vorliegen, durch Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel zu entfernen. Im Fall von Polystyrol kann dies mit Toluol geschehen. Dieses ist insbesondere das Verfahren der Wahl wenn die Substrate wärmesensitiv sind und eine Kalzination nicht möglich ist.
Das erfindungsgemäße Hybridsystem weist somit verbleibende nanoporöse Nanopartikel, insbesondere nanoporöse Silica-Nanopartikel, in den Poren einer inversen Opalstruktur, gebildet aus dem Edelmetall oder aus Titandioxid, auf.
Im Anschluss an die Kalzination oder den alternativen Reinigungsschritt (Extraktion) kann dann eine chemische Modifikation der nanoporösen Nanopartikel, insbesondere der nanoporösen Silica-Nanopartikel erfolgen. Dies dient der Verbesserung der Aufnahme von Wirkstoffen und der Kontrolle der Freisetzung dieser Wirkstoffe.
D. h. in einer Ausführungsform erfolgt im Anschluss an die Kalzination oder das alternative Reinigen des so erhaltenen Hybridsystems mit einer porösen Edelmetall- oder Titandioxidstruktur, insbesondere mit einer Platinstruktur, eine chemische Modifikation der nanoporösen Nanopartikel zur Verbesserung der Aufnahme von Wirkstoffen oder anderen in dieser Struktur einzubringenden Komponenten und zur verbesserten Kontrolle von deren Freisetzung.
Die chemische Modifikation erfolgt dabei üblicherweise über entsprechende Gruppen an der Oberfläche der nanoporösen Nanopartikel, wie OH-Gruppen, über die eine kovalente oder nicht-kovalente Bindung erfolgen kann, um Wirkstoffe oder andere gewünschte Verbindungen aufzunehmen und ggf. kontrolliert wieder freizusetzen. Dem Fachmann sind geeignete Verfahren insbesondere über Silane usw. bekannt. Im Besonderen sind hier Silane vom Trimethoxy- bzw. Triethoxy-Typ gemeint, die Alkylreste oder aromatische Reste tragen. Diese Alkylreste können des Weiteren funktionelle Gruppen wie Amin, Sulfonsäure, Carbonsäure, Thiol oder andere tragen. Diese beeinflussen die Oberflächenchemie der Nanopartikel und dadurch die Aufnahme von Wirkstoffen bzw. deren Freisetzung.
In einer Ausführungsform werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend beschichtete poröse Nanopartikel, wie sie erfindungsgemäß hergestellt wurden, nämlich nanoporöse Silica-Nanopartikel, beschichtet mit einer Polymerschicht, verwendet.
Bei Verwendung von Platin erfolgt die Abscheidung in einer Ausführungsform mittels elektrochemischer Methoden. Dabei wird als geeigneter Platinpräkursor z.B. Hexachloroplatinsäure-Hexahydrat oder Platin(IV)chlorid eingesetzt. Dieser Platinpräkursor liegt im Wasser gelöst vor und wird durch Anlegen einer Spannung zu elementarem Platin reduziert.
Erfindungsgemäß ist so ein Hybridsystem erhältlich, umfassend nanoporöse Nanopartikel in einer porösen Edelmetall- oder Titandioxidstruktur. In einer Ausführungsform ist diese Edelmetallstruktur dabei eine Platinstruktur.
Es zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Hybridsystem mit seinen porösen Strukturen und dem Vorliegen der nanoporösen Nanopartikel besonders gut geeignet ist, einerseits als Elektrodenmaterial eingesetzt zu werden und andererseits die Aufnahme und Freisetzung von Wirkstoffen oder anderen Bestandteilen erlaubt.
Diese Wirkstoffe oder anderen Bestandteile sind z. B. solche, die ein verbessertes Integrieren dieses Hybridsystems in das Gewebe erlauben, z. B. als Elektrode in Cochlea-Implantaten.
Allgemein können diese erfindungsgemäßen Hybridsysteme als pharmazeutische Produkte eingesetzt werden. Diese können entsprechend als Drug Delivery-Systeme in den Körper implantiert werden. In einer anderen Ausführungsform kann die poröse Edelmetallstruktur bzw. Titandioxidstruktur selbst eine Funktion übernehmen, z. B. als Elektrodenmaterial für ein Cochlea-Implantat im Falle einer Platinstruktur. Eine Titandioxidstruktur kann Einsatz finden im Bereich als Knochenimplantat oder ähnliches (als Beschichtung für ein Titanimplantat). Das Implantat kann dabei im Körper verbleiben oder ggf. wieder aus dem Körper entnommen werden.
Zur Beschichtung der Elektrode sind verschiedene Methoden möglich. Eine Möglichkeit ist Platinfolien zu beschichten aus denen anschließend die Elektrodenkontakte gestanzt werden und vom Hersteller des Implantates im Rahmen des normalen Herstellungsprozesses verarbeitet werden. Das Platin ist sowohl gegen die Extraktion als auch gegen die Kalzination unempfindlich. So dass die vorliegend beschriebenen Methoden zur Herstellung des Hybridsystems eingesetzt werden können.
Eine weitere Möglichkeit sind Elektrodenkontakte, die bereits gestanzt und mit einem Platindraht verbunden wurden, zu beschichten. Bei dieser Möglichkeit kann ein Problem auftreten, dass die Pt-Drähte standardmäßig bereits mit Teflon beschichtet sind. Diese Teflonbeschichtung ist unempfindlich gegen die Extraktion, jedoch empfindlicher gegen die Kalzination. Das bedeutet, dass man auf eine Extraktion bevorzugen würde, oder der Prozess dahingehend geändert werden müsste, dass die Drähte nach dem Aufbringen des Hybridsystems auf die Elektrodenkontakte mit Teflon ummantelt werden. Die fertigen Elektrodenkontakte würden dann wie gewohnt im Implantat verarbeitet werden.
In einer Ausführungsform ist das pharmazeutische Produkt eines, das weiterhin Wirkstoffe, vorliegend in den Nanoporen und/oder auf der Oberfläche der nanoporösen Nanopartikel umfasst. In einer Ausführungsform ist das pharmazeutische Produkt Teil eines Implantates, wie einem neuronalen Implantat, insbesondere ein Elektrodenmaterial für ein Cochlea-Implantat. Z. B. wenn das Hybridsystem bzw. das pharmazeutische Produkt eine poröse Platinstruktur mit nanoporösen Nanopartikeln, insbesondere NPSNPs betrifft, kann dieses als Teil des Cochlea-Implantates implantiert werden, dieses pharmazeutische Produkt umfasst dabei zusätzlich z. B. Wachstumsfaktoren oder andere Wirkstoffe, die einerseits die Integration des Cochlea-Implantates in das Gewebe fördern und z. B. das Wachstum von Neuriten in Richtung auf die Elektrode verbessern, um eine gesteigerte Funktion des Implantates zu erhalten.
Grundsätzlich kommen viele Wirkstoffe in Frage. Für die Anwendung im Cochlea-Implantat sind dies beispielsweise:

- Entzündungshemmende und immunmodulierend-wirkende Wirkstoffe, wie Dexamethason
- Neuroprotektiv wirkende Wirkstoffe, wie Rolipram oder BDNF (brain-derived neurotrophic factor)
- Vasodilatierende Wirkstoffe wie Stickstoffmonoxid oder dessen Vorläufer
- Neurotrophine wie BDNF, der Nervenwachstumsfaktor NGF, oder NT-3 bzw. NT-4/5
- Wirkstoffe, die reaktiven Sauerstoff-Spezies entgegenwirken.

Die entsprechenden mit Wirkstoffen beladenen Hybridsysteme einzelner pharmazeutischer Produkte stellen entsprechend geeignete Elektrodenmaterialien mit Wirkstofffreisetzung, sogenannte Implantat-assoziierte Drug-Delivery-Systeme, dar.
In einer Ausführungsform findet das erfindungsgemäße Hybridsystem bzw. das erfindungsgemäße pharmazeutische Produkt Anwendung als Drug Delivery-System und/oder als Langzeitwirkstoffdepot. Diese Drug Delivery-Systeme oder Langzeitwirkstoffdepots, eingebracht in ein Subjekt, erlauben eine gezielte lokale Dosierung und Freisetzung von Wirkstoffen in dem Subjekt. In einer Ausführungsform ist dabei die Verwendung des Hybridsystems derart, dass es mindestens ein Teil eines Implantates, wie einem neuronalen Implantat, insbesondere ein Cochlea-Implantat ist.
Ein Dendritenwachstum erlaubt, die nötigen Feldstärken zur Übertragung der Signale kleiner zu gestalten und somit den Überlapp der Signale zu verringern. Die Signale würden von Dendriten abgenommen, der Zellkörper bliebe von dem elektrischen Feld verschont. So wäre eine höhere Anzahl von aktiven Elektrodenkontakten bei solchen Implantaten realisierbar und damit einher geht im Endeffekt ein besseres Hören für Träger solcher Implantate.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Speicherung und kontinuierlichen Wirkstofffreisetzung, insbesondere Langzeitabgabe von Wirkstoffen, umfassend das erfindungsgemäße Hybridsystem oder ein pharmazeutisches Produkt gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Vorliegenden wird die Erfindung mit Hilfe von Beispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Beispiel 1:
Synthese und Modifizierung von nanoporösen Silica-Nanopartikeln
Die nanoporösen Nanopartikel werden erhalten durch Einbringen von 0,4 g CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid), 120 ml deionisiertem Wasser, 78 ml n-Octan, 84 µL-Styrol, 84 mg L-Lysin, 168 mg AIBA (2,2'-Azobis(2-methylpropionamidin)dihydrochlorid) und 4.14 ml TEOS (Triethoxysilan) in einen 500- ml-Kolben mit anschließendem Erwärmen unter Rückfluss für drei Stunden bei 60°C unter Rühren, siehe A. B. D. Nandiyanto, et al., Microporous Mesoporous Mater. 2009, 120, 447-453.
Die erhaltenen Nanopartikel werden durch Zentrifugation (20 min, 16000 G) abgetrennt, durch Ultraschallbehandlung in deionisiertem Wasser dispergiert und anschließend erneut durch Zentrifugation abgetrennt. Die Zentrifugation unter Ultraschallbehandlung wird mit Wasser und Ethanol jeweils einmal wiederholt.
Anschließend werden die Partikel über Nacht im Trockenschrank bei 60°C getrocknet, gemörsert und können so bis zur weiteren Verwendung gelagert werden.
Synthese der beschichteten NPSNPs
100 mg der unter 1) erhaltenen Nanopartikel werden mit 3,3 ml Styrol und 90 µl n-Octan in einem Glas-Kolben für 30 min im Ultraschallbad dispergiert. Währenddessen werden Lösungen von NaHCO₃ und AIBA (2,2'-Azobis(2-methylpropionamidin)dihydrochlorid) mit einer Konzentration von 50 mg/ml angesetzt. Darüber hinaus wird eine CTAB-Lösung (Cetyltrimethylammoniumbromid) mit einer Konzentration von 100 mg/ml angesetzt. Um ein vollständiges Lösen des Tensids zu gewährleisten, wird diese Lösung für 30 min bei 60 °C in einem Ölbad gerührt.
Nach vollständigem Lösen werden zu der Dispersion der NPSNPs jeweils 100 µl der NaHCO₃- und der AIBA-Lösung sowie 1,5 ml der CTAB-Lösung zugefügt. Die Mischung wird nun für 30 min gerührt, anschließend für 20 min mit einem Ultraschalldesintegrator (550 W, 55%, t_on=2s, t_off=2s) unter Eiskühlung dispergiert und daraufhin weitere 15 min mit N₂ entgast. Das Reaktionsgemisch wird für 1,5 Stunden bei 65 °C unter Rückfluss in einer Stickstoff-Atmosphäre gerührt.
Nach Umsetzung werden die Partikel durch Zentrifugation (10 min, 16000 G) abgetrennt und dreimal in deionisiertem Wasser gewaschen und entsprechend durch Zentrifugation abgetrennt. Anschließend wird die Dispersion dreimal für eine Minute mit 500 G zentrifugiert um Aggregate und Agglomerate zu entfernen. Die Lagerung dieser so erhaltenen Partikel erfolgte in wässriger Dispersion.
Beispiel 2: Alternatives Verfahren zur Herstellung beschichteter NPSNPs
NPSNPs:

Es wurden 0.23 g Diethanolamin, 75 mL Reinstwasser, 13.4 mL absolutes Ethanol und 3.16 g CTAB (Cetyltrimethyliammoniumbromid) in einen 250 mL Zweihalskolben gegeben und unter Rühren auf 40 °C erhitzt. Nach dem Erreichen der Temperatur wurden 8.56 mL TEOS (Tetraethoxysilan) hinzugegeben. Die Temperatur wurde für zwei Stunden konstant gehalten und die Lösung gerührt. Die Nanopartikel wurden durch Zentrifugation (30 min, 18000 rpm) abgetrennt, durch eine 10 minütige Behandlung im Ultraschallbad in Wasser dispergiert und anschließend wieder durch Zentrifugation abgetrennt. Diese Schritte wurden mit Wasser und mit Ethanol wiederholt, siehe A. Neumann, A. Christel, C. Kasper, P. Behrens, RSC Adv. 2013, 3, 24222-24232. Die Partikel wurden bei 60 °C getrocknet und anschließend für 5 Stunden bei 550 °C (Aufheizrate 1 °C/min) kalziniert

Modifizierung der NPSNPs:

Es wurden 1 g der NPSNPs zusammen mit 40 mL Toluol, 150 µL DBU (1,8 Diazobicyclo[5.4.0]undec-7-en) und 260 µL MAPTMS (Methacryloxypropyltrimethoxysilan) in einen Einhalskolben gegeben, auf 80 °C erhitzt und unter Rückfluss für zwei Stunden gerührt. Im Anschluss wurden die Partikel durch Zentrifugation (30 min, 6000 rpm) abgetrennt und dreimal durch dispergieren in Ethanol und erneutes zentrifugieren gereinigt. Die Partikel wurden über Nacht bei 60 °C getrocknet, gemörsert und bis zur Weiterverwendung aufbewahrt.

Beschichtung der modifizierten NPSNPs:

100 mg modifizierte NPSNP wurden mit 3,3 mL Styrol, 90 µL Octan und 550 µL N-Vinylformamid in einen Glaskolben gegeben und für 30 Minuten im Ultraschallbad dispergiert. Es wurden 2,75 mL CTAB-Lösung (100 mg/mL), sowie 9,05 mL Wasser und jeweils 100 µL einer AIBA- und Natriumhydrogencarbonat-Lösung (jeweils 50 mg/mL) zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 20 Minuten mit dem Ultraschallfinger (550 W, 55%, t_on=2s, t_off=2s) dispergiert. Das Gemisch wurde für 15 min mit Stickstoff entgast und anschließend unter Stickstoff auf 65 °C erhitzt und unter Rückfluss bei dieser Temperatur für 3 Stunden gerührt. Nach Umsetzung werden die Partikel durch Zentrifugation (10 min, 16000 G) abgetrennt und dreimal in deionisiertem Wasser gewaschen und entsprechend durch Zentrifugation abgetrennt. Anschließend wird die Dispersion dreimal für eine Minute mit 500 G zentrifugiert um Aggregate und Agglomerate zu entfernen. Die Lagerung dieser so erhaltenen Partikel erfolgte in wässriger Dispersion.

Aufbringen der Template
Als Substrate dienen Platinoberflächen. Diese werden vor dem Aufbringen der Template gereinigt (Abspülen mit Aceton), gefolgt von einem Spülen mit Wasser und Isopropanol und anschließender Trocknung im Stickstoff.
Die Substrate wurden anschließend auf einer Teflonhalterung fixiert und in ein Becherglas gebracht. Danach wurden die Substrate für 30 min in Piranhasäure (20 ml einer 30%igen Wasserstoffperoxid-Lösung und 40 ml konzentrierte Schwefelsäure) behandelt. Die anschließende Spülung erfolgte dann mit Wasser, Isopropanol und Trocknung im Stickstoffstrom.
Die Substrate wurden in eine eigens angefertigte Teflonhalterung eingespannt. zeigt eine Trocknungszelle im Querschnitt, zum kontrollierten Eintrocknen der Templatdispersion auf eine Platinoberfläche. Die Trocknungszelle ist zweiteilig. Zwischen die beiden Hälften wird das Substrat gespannt. Die beiden Hälften werden durch vier Schrauben aneinander fixiert. Durch einen O-Ring wird sichergestellt, dass das obere Stück dicht mit der Platinoberfläche abschließt. Die Öffnung weist einen Durchmesser von 10 mm auf. In diese Öffnung wurde die Dispersion mit den Kern-Schale-Nanopartikeln gegeben. Die Halterung weißt zu der Platinoberfläche eine Runde Öffnung mit einem Durchmesser von 10 mm auf. In diese Öffnung wurden 150 µl einer wässrigen Partikeldispersion, enthaltend die oben angegebenen beschichteten NPSNPs (1 mg/ml) gegeben. Zur Herstellung dieser Dispersion wurde das entsprechende Volumen der Dispersion aus der Synthese mit Wasser verdünnt. Die so vorliegenden Substrate wurden im Exsikkator bei hoher Luftfeuchtigkeit (90%) für 3 Tage gelagert und anschließend bei Raumluft getrocknet (3 Tage).
Elektrochemische Abscheidung von Platin
Für die Herstellung der porösen Schichten wird Hexachloroplatinsäure-Hexahydrat als Präkursor verwendet. Dazu wird 1,507 g dieser Substanz in 60 ml deionisiertem Wasser gelöst. Das Gemisch wurde hierzu bei 50 °C für etwa 1 h gerührt, bis eine vollständige Lösung des Salzes eingetreten war. Die Abscheidung des Platins erfolgte mittels eines Potentiostaten (VersaStat4, AMATEK). Dabei wird eine Drei-Elektroden-Anordnung mit dem mit Partikeln beschichteten Platinsubstrat als Arbeitselektrode, ein Platinnetz als Gegenelektrode und eine Ag/AgCI-Elektrode als Referenzelektrode eingesetzt. Die Abscheidung erfolgte durch das Anlegen entsprechender elektrischer Pulse (0.1 s mit 0 V, 0.3 s mit 2 V, relativ zur Referenzelektrode). Nach Abschluss der Abscheidung wurden die Substrate mit deionisiertem Wasser und anschließend mit Isopropanol abgespült und dann im Stickstoffstrom getrocknet.
Kalzination
Zur Entfernung der organischen Polymerbeschichtungen wurden die oben erhaltenen Hybridsysteme aus NPSNPs und Platin, vorliegend auf einer Platinoberfläche, für 4 Stunden bei 350 °C kalziniert. Die Aufheizrate betrug 1 °C min^-1.
Charakterisierung des erhaltenen Hybridsystems
Das Hybridsystem wurde mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie und der elektrochemischen Impedanzspektroskopie charakterisiert.
Eine REM-Aufnahme ist in gezeigt. Es ist die 100 nm dicke Struktur der vor der Synthese bereits vorhandenen Platin-Schicht erkennbar (unterer Doppelpfeil). Auf dieser befindet sich die poröse Platinstruktur (oberer Doppelpfeil). In den Poren dieser Struktur sind die porösen, sphärischen Silica-Nanopartikel erkennbar (Beispiel durch den Kreis markiert).
Die ursprüngliche, nicht-poröse Platinschicht des Substrates ist durch den unteren, gepunkteten Doppelpfeil gekennzeichnet. Oberhalb dieser Schicht ist das Hybridsystem, durch den oberen, durchgezogenen Doppelpfeil markiert, erkennbar. Das Platin weist eine poröse Struktur auf. In den Poren lassen sich die porösen, sphärischen NPSNPs ausmachen, ein Beispiel ist durch den weißen Kreis markiert. Die REM-Aufnahme zeigt, dass es möglich war das beschriebene Hybridsystem erfolgreich zu synthetisieren.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie wird genutzt um den frequenzabhängigen Wechselstromwiderstand aufzuzeichnen. In sind die Impedanzspektren der nicht porösen, ursprünglichen Platinoberfläche (in schwarz, Kreise) und des porösen Hybridsystems (in grau, Dreiecke) abgebildet. zeigt die Impedanzspektren des Hybridsystems in rot und der ursprünglichen, dichten Platinoberfläche in blau. Das Hybridsystem weist vor Allem unterhalb von 100 Hz verringerte Impedanzen als eine Platinoberfläche ohne poröse Beschichtung auf.
Das poröse System weist vor Allem im Bereich kleiner Frequenz geringere Impedanzen auf. Dies ist auf eine vergrößerte Oberfläche im porösen System zurückzuführen. Bei hohen Frequenzen bleibt die Impedanz unverändert. Geringere Impedanzen sind für die Anwendung wünschenswert, da geringere Potentiale notwendig sind um die gleichen Stromstärken zu erzeugen. Cochlea-Implantate arbeiten häufig im Frequenzbereich von 10⁴ bis 10⁵ Hz. Der Aufbau des Hybridsystems erfolgt unter Erhalt der elektrochemischen Eigenschaften in Bezug auf die Anwendung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/165725 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridsystems umfassend nanoporöse Nanopartikel in einer porösen Edelmetall- oder Titandioxidstruktur, wobei das Verfahren die vorliegenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen von nanoporösen Nanopartikeln; b) Beschichten dieser nanoporösen Nanopartikel mit einem Polymer zur Ausbildung einer Polymerschicht auf diesen nanoporösen Nanopartikeln; c) Aufbringen dieser im Schritt b) erhaltenen beschichteten nanoporösen Nanopartikel auf eine Oberfläche; d) Elektrochemische Abscheidung von Edelmetall oder Titandioxid in die Zwischenräume der sich auf der Oberfläche befindenden polymerbeschichteten nanoporösen Nanopartikeln unter Ausbildung eines Hybridsystems und/oder e1) Kalzination dieses so ausgebildeten Hybridsystemsl; und/oder e2) Extraktion dieses so ausgebildeten Hybridadapters mit einem Lösungsmittel zum zumindest teilweise Entfernen des Polymers und/oder f) chemische Modifikation der nanoporösen Nanopartikel zur Verbesserung der Aufnahme von Wirkstoffen und zur Kontrolle von deren Freisetzung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalzination bei mindestens 350°C, insbesondere mit einer Aufheizrate von mindestens 1 °C·min^-1 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten nanoporösen Nanopartikel mehrlagig auf der Oberfläche vorliegen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall ausgewählt ist aus Gold, Platin oder Silber, insbesondere Platin.
Verfahren zur Herstellung von mit Polymer zumindest teilweise beschichteten, nanoporösen Silica-Nanopartikeln (NPSNPs) umfassend die Schritte: a) Bereitstellung von nanoporösen Silica-Nanopartikeln, b) Aufbringen einer Polymerschicht auf der Oberfläche dieser nanoporösen Silica-Nanopartikeln, derart, dass diese zumindest teilweise von dieser Polymerschicht umgeben sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer, welches auf die Oberfläche der nanoporösen Silica-Nanopartikel aufgebracht wird, ein Polystyrol-basiertes Polymer ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Nanopartikel Kern-Schale-Nanopartikel sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoporösen Nanopartikel, wie die nanoporösen Silica-Nanopartikel einen Durchmesser von 10 nm bis 100 nm aufweisen und die Polymerschicht eine Dicke von 5 nm bis 100 nm aufweist.
Beschichtete nanoporöse Silica-Nanopartikel erhältlich nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten nanoporösen Nanopartikel beschichtete nanoporöse Nanopartikel nach Anspruch 9 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 5 bis 8 sind.
Hybridsystem erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 10.
Pharmazeutisches Produkt umfassend ein Hybridsystem nach Anspruch 11.
Pharmazeutisches Produkt nach Anspruch 12 weiterhin umfassend Wirkstoffe vorliegend in den Nanoporen und/oder auf der Oberfläche der nanoporösen Nanopartikel.
Pharmazeutisches Produkt nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es Teil eines Implantats, wie einem neuronalen Implantat, insbesondere eines Cochlea-Implantats ist.
Pharmazeutisches Produkt nach Anspruch 12, wobei im Hybridsystem das Edelmetall Platin ist.
Verwendung des Hybridsystems nach Anspruch 11 als Drug-Delivery-System und/oder als Langzeitwirkstoffdepot, insbesondere in der Dosierung und Freisetzung von Wirkstoffen von Implantaten, wie neuronalen Implantaten, insbesondere Cochlea-Implantaten.
Verfahren zur Speicherung und kontinuierlicher insbesondere Langzeitabgabe von Wirkstoffen umfassend die Verwendung eines Hybridsystems nach Anspruch 11 oder einem pharmazeutischen Produkt nach einem der Ansprüche 12 bis 15.