DE4021050A1

DE4021050A1 - Verfahren zur herstellung von mikrokapseln

Info

Publication number: DE4021050A1
Application number: DE19904021050
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Dautzenberg; Brigitte Dr Lukanoff; Gabriele Holzapfel; Brigitte Tiersch; Werner Dr Jaeger; Alfred Prof Schellenberger; Michael Foerster
Original assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Current assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1992-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln, die aus flüssigem Kern und semipermeabler Kapselwand bestehen. Sie dienen vorzugsweise zum Einschließen von empfindlichen biologischen Materialien, wie z. B. von lebenden Zellen. Die hierbei erhaltenen Produkte können für Trenn- und Stoffwandlungsprozesse in der präparativen und analytischen Chemie und Biochemie, der Pharmazie und Medizin eingesetzt werden.

Zur Herstellung von Mikrokapseln werden in zunehmendem Maße Verfahren beschrieben, die im Prinzip darin bestehen, daß man einen Flüssigkeitstropfen mit einer semipermeablen Membran umhüllt. Zu Kapseln mit besonders guten physikalischen Kennwerten gelangt man, wenn man die semipermeable Kapselwand aus einem Polyelektrolytkomplex (PEC) aufbaut und zu dessen Bildung eine Stoffkombination, bestehend aus homogen hergestelltem Natriumcellulosesulfat (NaCS) und Poly-dimethyl-diallylammoniumchlorid (Poly-DMDAAC) verwendet (DD-PS 1 60 393). Das Prinzip der Kapselbildung beruht darauf, daß die wäßrige NaCS-Lösung in Form vorgebildeter kugelförmiger Teilchen in die wäßrige Lösung von Poly-DMDAAC als Fällbad eingetragen wird. An der Berührungsfläche beider Lösungen entsteht spontan eine unlösliche Membran, die die Kernflüssigkeit mit dem nicht bei der Membranbildung umgesetzten Cellulosesulfat umschließt. Wesentlich für die Beschaffenheit der gebildeten Kapselhülle sind die Natur der verwendeten Polyelektrolyte, die Fällbedingungen und die Viskosität der verwendeten Polyelektrolytlösungen. So wurden mit den im Handel angebotenen, heterogen hergestellten Cellulosesulfaten, deren DS-Werte praktisch ausnahmsweise über 1 liegen, keine handhabbaren Mikrokapseln erhalten. Als Arbeitskonzentrationen wird für beide Polyelektrolyte ein Bereich zwischen 0,5 und 20% empfohlen. Gute Kapseleigenschaften werden erzielt, wenn das im Fällbad als kationische Komponente fungierende Poly-DMDAAC eine mittlere Molmasse zwischen 20 000 und 40 000 aufweist und das Cellulosesulfat einen mittleren Polymerisationsgrad zwischen 300 und 1000 sowie einen Substitutionsgrad zwischen 0,3 und 0,6 besitzt (Makromol. Chem. Suppl. 9 (1985), S. 203-205). Bei der bisher beschriebenen Arbeitsweise lassen sich Wandstärken zwischen 1 und 50 µm erreichen, wobei die höheren Wandstärken in Gegenwart von Kochsalz erhalten werden.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß je nach Beschaffenheit der Kapselungskomponenten und nach den gewählten Reaktionsbedingungen die Membran bei einer bestimmten Dicke zu einer Diffusionsbarriere für die kationische Fällbadkomponente wird und damit deren Dickenwachstum abbricht. Das hat zur Folge, daß einerseits ein großer Anteil des Cellulosesulfats als Restpolymergehalt im Kapselinneren verbleibt und andererseits die in die Kapselwand einbaubare Feststoffmenge vergleichsweise niedrig bleibt. Um bei vergleichbarer Kapselgröße einen möglichst hohen Feststoffanteil in die Kapselwand einzubringen, wäre bei möglichst hoher Ausgangskonzentration an NaCS, ein vollständiger Umsatz zum Polyelektrolytkomplex anzustreben.

Ziel der Erfindung ist es, ein ökonomisch und ökologisch günstiges Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln zu entwickeln, das zu mechanisch sehr stabilen Mikrokapseln führt und eine Variation des Porenvolumens der Membran in weiten Grenzen zuläßt.

Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln, die aus flüssigem Kern und semipermeabler Kapselwand bestehen, zu entwickeln, wobei das Membranmaterial der Kapselwand ein aus Natriumcellulosesulfat und Polydimethyldiallylammonium-Kation gebildeter Polyelektrolytkomplex ist und, bezogen auf die Kapseloberfläche, in möglichst großer Menge vorliegt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für die Herstellung der Mikrokapseln als kationische Fällbadkomponente Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse <=20 000 mit Anteilen <=75% der Molmasse <=10 000 Verwendung findet, in der zur Tropfenformung dienenden NaCS-Lösung eine Ausgangskonzentration <=1,5% vorliegt und die Verweilzeiten der Kapseln im Fällbad <=10 min bis 24 h betragen. Unter den angegebenen Bedingungen ist die an der Tropfenoberfläche entstehende Membran so beschaffen, daß es zu keinem Abbruch der Komplexbildungsreaktion zwischen den beiden entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten kommt. So kann bei hinreichend langen Verweilzeiten das im Kapselinneren vorhandene Cellulosesulfat weitestgehend für den Aufbau der Kapselwand genutzt werden. Die Membranmasse ist dann proportional der Ausgangscellulosesulfatkonzentration. Um möglichst hohe Membranmassen zu erzielen, sind also möglichst hohe Ausgangskonzentrationen an Cellulosesulfat zu realisieren.

Überraschenderweise ergaben heterogen hergestellte Cellulosesulfate mit DS-Werten zwischen 0,3 und 0,8 bei Lösungsviskositäten ihrer 1%igen wäßrigen Lösungen oberhalb 10 mPa · s handhabbare und oberhalb 15 mPa · s sogar mechanisch sehr stabile Kapseln. Mit derart niedrigviskosen Produkten lassen sich die gewünschten hohen CS-Ausgangskonzentrationen bis etwa 10% realisieren, ohne daß eine Tropfenformung unmöglich wird. Arbeitet man mit Produkten im Viskositätsbereich (1%ig) von 15 bis 50 mPa · s, so können bei Verwendung von Poly-DMDAAC der genannten Beschaffenheit und einem damit erreichbaren CS-Umsatz von <90% und Ausgangscellulosesulfatkonzentrationen in der zur Kapselbildung verwendeten Lösung zwischen 1,5 und 10% entsprechend der stark erhöhten Membranmasse ohne Schwierigkeiten Kapselwandstärken zwischen 100 und 250 µm erhalten werden. Naturgemäß hängt dabei die Wanddicke von der Porosität der gebildeten Membran ab und liegt um so höher, je größer das Porenvolumen in der Membran ist.

Das NaCS kann hergestellt werden, indem hochmolekulare Ausgangscellulose unter Verwendung eines Propanol/Schwefelsäuregemisches, gegebenenfalls in Gegenwart von Toluol als Dispersionsmittel, bei einem Molverhältnis Propanol zu Schwefelsäure von 1 : 1,75 bis 1 : 2, einem Flottenverhältnis Sulfatiergemisch zu Cellulose von 1 : 20 bis 1 : 35 und einer Reaktionstemperatur von -10 bis +10°C während 90 bis 150 min heterogen sulfatiert, anschließend in ein Alkalisalz überführt und daraus der wasserlösliche Anteil isoliert wird.

Der große Vorteil des geschilderter Verfahrens besteht auch darin, daß für die Herstellung der Kapseln mit der Verwendbarkeit heterogen hergestellter Cellulosesulfate auf ein Kapselmaterial zurückgegriffen werden kann, das entsprechende ökonomische und unter Berücksichtigung der jeweiligen Synthesewege auch ökologische Vorteile bietet.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu genutzt werden, Kapseln mit weniger dicken Kapselwänden zu erzeugen, die dann in ähnlicher Weise Verwendung finden können, wie die mit höhermolekularen Cellulosesulfaten gewonnenen Kapseln. Da die verwendeten, durch heterogene Synthese hergestellten Cellulosesulfate in hoher Reinheit erhältlich sind und keine Cytotoxizität aufweisen, ist das Verfahren u. a. vor allem auch für den Einschluß empfindlicher biologischer Objekte, wie z. B. von lebenden Zellen geeignet.

Zur Einstellung der Kapselwandstärke gibt es die verschiedensten Steuermöglichkeiten. Sie reichen von der Auswahl der Produktkombination über die Variation der Konzentrationen von CS und Poly-DMDAAC, die Verweilzeit im Fällbad bis hin zum Arbeiten mit Elektrolytzusätzen.

Das Verfahren soll nachstehend näher erläutert werden. Zur Erzeugung von Mikrokapseln wird eine <=1,5%ige wäßrige, gegebenenfalls niedermolekulare Elektrolyte oder auch andere Zusätze enthaltende Lösung der auf heterogenem Weg synthetisierten Natriumcellulosesulfate hergestellt, wobei der DS der eingesetzten NaCS zwischen 0,3 bis 0,8 liegen sollte.

Mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung wird diese Cellulosesulfatlösung zu Tropfen verformt, z. B. durch Abtropfenlassen aus einer Kapillare oder Abblasen der sich bildenden Tröpfchen mit Luft oder einem Inertgas, und in das wäßrige, die kationische Komponente Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse <=10 000 oder Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse <20 000 mit Anteilen <=75% an Poly-DMDAAC der Molmasse <10 000 enthaltende Fällbad der Konzentration von 0,5 bis 20% Masseanteilen eingetragen. Dabei wird das Fällbad zweckmäßigerweise gerührt. Die Bildung der Außenschicht der Kapselmembran erfolgt sofort bei gegenseitiger Berührung der entgegengesetzt geladenen Polyelektrolytlösungen. Aus diesem Grunde kann die Abtrennung der gebildeten Mikrokapseln bereits unmittelbar nach dem Eintragen vorgenommen werden. Jedoch kann die Entnahme der Mikrokapseln aus dem Fällbad auch nach definierten Verweilzeiten von 10 min bis 24 h erfolgen.

Anschließend werden die Mikrokapseln durch Waschen, z. B. mit Wasser oder physiologischer NaCl-Lösung, vom Fällbadrest befreit und in das zur Anwendung oder Aufbewahrung vorgesehene Medium überführt.

Beispiel 1 Heterogene Herstellung des NaCS

In einem Kolben werden 140 g vorgekühltes Propanol (-10°C) unter Rühren in 460 g konzentrierte vorgekühlte Schwefelsäure eingetropft. In das Reaktionsgemisch, das eine Temperatur von -5°C aufweist, werden 30 g Baumwollinters (DP ca. 1400) eingetragen und 120 min sulfatiert. Danach wird das Sulfatiergemisch vom Reaktionsprodukt abgetrennt, die Säureform des Cellulosesulfats durch Zugabe von Natronlauge in die Natriumform überführt, das NaCS abgetrennt salzfrei gewaschen und getrocknet.

Beispiel 2

6 g NaCS nach Beispiel 1 (1%ige wäßrige Lösung 15 mPa · s) mit DS=0,45 werden in 100 ml Wasser gelöst. Die erhaltene Lösung wird, wie in Beispiel 1, in ein Fällbad aus 2 g Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse 8000 und 100 ml Wasser eingetragen. Nach 60 Minuten werden die erhaltenen Mikrokapseln vom Fällbad abgetrennt und durch Waschen mit Wasser vom Fällbadrest befreit. Die Masse des Cellulosesulfatausgangstropfens beträgt 15 mg. Die Mikrokapseln weisen eine Membranwandstärke von 30 µm und eine PEC-Membranmasse 0,41 mg auf.

Beispiel 3

8 g NaCS nach Beispiel 1 (1%ige wäßrige Lösung 12 mPa · s) mit DS=0,45 werden in 100 ml Wasser gelöst. Die erhaltene Lösung wird, wie in Beispiel 1, in ein Fällbad aus 2 g Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse 4000 und 100 ml Wasser eingetropft. Nach 30 Minuten werden die erhaltenen Mikrokapseln vom Fällbad abgetrennt und durch Waschen mit Wasser vom Fällbadrest befreit. Der Cellulosesulfatausgangstropfen besitzt eine Masse von 15 mg. Die Mikrokapseln weisen eine Membranwandstärke von 286 µm und eine PEC-Membranmasse von 0,81 mg auf.

Beispiel 4

4 g NaCS nach Beispiel 1 (1%ige wäßrige Lösung 25 mPa · s) mit DS=0,41 werden in 100 ml Wasser gelöst. Die erhaltene Lösung wird in ein Fällbad, bestehend aus 1,5 g Poly-DMDAAC der Molmasse 4000, 0,5 g Poly-DMDAAC der Molmasse 20 000 und 100 ml Wasser eingetragen. Nach 60 Minuten werden die erhaltenen Mikrokapseln vom Fällbadrest befreit. Die Masse des Cellulosesulfatausgangstropfens beträgt 15 mg. Die Mikrokapseln weisen eine Membranwandstärke von 20 µm und eine PEC-Membranmasse von 0,15 mg auf.

Beispiel 5

4 g NaCS nach Beispiel 1 (1%ige wäßrige Lösung 25 mPa · s) mit DS=0,41 werden in 100 ml Wasser gelöst. Die erhaltene Lösung wird, wie in Beispiel 3, in ein Fällbad, bestehend aus 1,8 g Poly-DMDAAC der Molmasse 4000, 0,2 g Poly-DMDAAC der Molmasse 20 000 und 100 ml Wasser eingetragen. Nach 60 Minuten werden die erhaltenen Mikrokapseln vom Fällbad abgetrennt und durch Waschen mit Wasser vom Fällbadrest befreit. Die Masse des Cellulosesulfatausgangstropfens beträgt 15 mg. Die Mikrokapseln weisen eine Membranstärke von 55 µm und eine PEC-Membranmasse von 0,35 mg auf.

Beispiel 6

Eine Lösung, bestehend aus 4% NaCS nach Beispiel 1 (1%ige wäßrige Lösung 30 mPa · s) mit DS=0,42 und 1% NaCl, werden in das kationische Fällbad, das 2% Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse 4000 und 1% NaCl enthält, mit Hilfe einer Kapillare eingetropft. Nach einer Verweilzeit von 60 Minuten werden die erhaltenen Mikrokapseln vom Fällbad abgetrennt und durch Waschen mit Wasser vom Fällbadrest befreit. Der Cellulosesulfatausgangstropfen hat eine Masse von 15 mg. Die Mikrokapseln weisen eine Membranwandstärke von 203 µm und eine PEC-Membranmasse von 0,71 mg auf.

Beispiel 7

Gewebeschnitte der Nebenniere werden mit einem Kulturmedium (TCM -199), das 2% NaCS nach Beispiel 1 enthält (DS 0,45, relative Molmasse 50 000), vermischt. Anschließend werden 1 ml dieser Mischung in ein Fällbad getropft, das durch Auflösen von 2 g Poly-DMDAAC (Molmasse 4000) in 100 ml Kulturmedium hergestellt wurde. Die gebildeten Mikrokapseln werden nach 120 min durch Dekantieren vom Fällbad abgetrennt und mehrmals mit dem Kulturmedium gewaschen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln durch Eintragen vorgebildeter Tröpfchen aus einer wäßrige, gegebenenfalls Zusätze, wie einzuschließende Substanzen oder Objekte enthaltende, Natriumcellulosesulfatlösung in ein wäßriges 0,5 bis 20% Masseanteile Poly-dimethyldiallyl-ammoniumchlorid (Poly-DMDAAC) enthaltendes Fällbad, anschließendes Abtrennen der Mikrokapseln und Auswaschen der Fällbadreste, gekennzeichnet dadurch, daß heterogen hergestelltes Natriumcellulosesulfat mit 1,5 bis 10% Masseanteilen in der Lösung und DS-Werten zwischen 0,3 und 0,8, das als 1%ige wäßrige Lösung Viskositäten zwischen 10 und 150 mPa · s aufweist, in Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse <=20 000 mit Anteilen <=75% der Molmasse <=10 000 verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Poly-DMDAAC der mittleren Molmasse <=10 000 verwendet wird.