DE60015151T2

DE60015151T2 - Neue zusammensetzungen zur kontrollierten freigabe eines biologisch wirksamen mittels sowie die herstellung derselben

Info

Publication number: DE60015151T2
Application number: DE60015151T
Authority: DE
Inventors: Manja Ahola; Eija SÄILYNOJA; Jukka Salonen; Risto Penttinen; Antti Yli-Urpo
Original assignee: Bioxid Oy
Current assignee: Bioxid Oy
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: DE60015151D1; WO2001013924A1; EP1206268A1; ATE279928T1; AU6705400A; ES2230141T3; FI19991806A; DK1206268T3; JP2003507427A; CA2379982A1; EP1206268B1; US7112339B1; WO2001013924A8

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung zur kontrollierten Freisetzung eines biologisch aktiven Agens aus einem Träger und die Herstellung dieser Zusammensetzung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Unter Xerogel versteht man ein getrocknetes Gel. Siliciumdioxidxerogele sind teilweise hydrolysierte Oxide von Silicium. Hydrolysierte Oxidgele können durch ein Sol-Gel-Verfahren produziert werden, welches seit einigen Jahren zur Herstellung von Keramik- und Glasmaterialien eingesetzt wird.
Das Sol-Gel-Verfahren basiert auf einer Hydrolysierung eines Metallalkoxids und einer anschließenden Polymerisation der Metallhydroxide wie folgt: 1) Si(OR)₄ + H₂O ----> HO-Si(OR)₃ + ROH 2) HO-Si(OR)₃ + 3 H₂O + ROH ------> Si(OH)₄ + 4 ROH 3) Si(OH)₄ + Si(OH)₄ -------> (HO)₃Si-O-Si(OH)₃ + H₂O
Wenn die Polymerisationsreaktion fortschreitet, werden zusätzliche Ketten, Ringe und dreidimensionale Netzwerke gebildet und es wird ein Gel, das Wasser, den Alkohol der Alkoxygruppe und das Gel selbst umfasst, gebildet. Das Sol kann auch andere Additive wie Säuren oder Basen, die als Katalysatoren für die Reaktion eingesetzt werden, enthalten. Weitere Additive, wie z.B. Polyethylenglykol (PEG), können ebenfalls zugesetzt werden, um Einfluss auf die Porosität des Gels zu nehmen. Wenn Alkohol und Wasser nun durch Waschen und Verdampfung aus dem Gel extrahiert werden, wird ein Xerogel erhalten.
Die Polymerisation der verbleibenden OH-Gruppen setzt sich während der Trocknung fort. Die Polymerisation setzt sich selbst nach der Gelierung für eine lange Zeit fort. Dies wird als Alterung bezeichnet. Je weiter die Polymerisation fortschreitet, desto stabiler wird das Gel oder Xerogel. Bei Raumtemperatur wird die Polymerisation allerdings nach einer Alterung von wenigen Wochen stoppen und das Xerogel wird nicht vollständig inert werden. Wenn die Temperatur erhöht wird, kann die Polymerisationsreaktion beschleunigt werden, das Gel wird stabiler und es tritt eine Schrumpfung auf und im Xerogel treten in einem erhöhten Ausmaß innere Spannungen auf.
Die kontrollierte Freisetzung von therapeutischen Agenzien aus einer biologisch abbaubaren Matrix wurde infolge ihrer Vorteile bei der Sicherheit, Wirksamkeit und Annehmlichkeit für den Patienten für implantierbare Abgabesysteme in steigendem Maße wichtig. Die Sol-Gel-Technik bietet neue Möglichkeiten zur Einarbeitung biologisch aktiver Agenzien in Siliciumdioxidxerogele mit einem Verfahren bei Raumtemperatur und zur Kontrolle zur Freisetzungsraten aus Siliciumdioxidxerogel-Matrix in zeitabhängiger Weise (Nicoll et al., 1997; Ahola et al., 1998; Böttcher et al., 1998; Kortesuo et al., 1998; Sieminska et al., 1996). Diese Sol-Gel-Technologie ist billig, vielseitig und einfach, und Siliciumdioxidxerogele, die durch diese Technik produziert werden, sind bioverträgliche und nicht-toxische Materialien (Kortesuo et al., 1998; Radin et al., 1998; Kortesuo et al., 1999). Frühere Studien haben gezeigt, dass chemische und physikalische Änderungen in der Siliciumdioxidxerogel-Matrix auf das Freisetzungsverhalten von biologisch aktiven Agenzien Einfluss nehmen, da die Arzneimittelfreisetzung aus Siliciumdioxidxerogel der kombinierte Prozess aus Diffusion und Matrixerosion ist.
Ein Hauptproblem bei der Verwendung künstlicher Organe und biomedizinischer Vorrichtungen sind die ungünstigen Wechselwirkungen von Blut bei Kontakt mit einer fremden Oberfläche. Die offensichtlichsten Komplikationen sind die, die mit dem hämostatischen Mechanismus in Verbindung stehen, die zu Thrombusbildung und verschlechterter Funktion oder Okklusion von medizinischen Vorrichtungen führen können. Intravaskuläres Stenting wird oft nach einer Angioplastie verwendet, um eine Reokklusion des geschädigten Gefäßes nach Dilatation zu verhindern. Ein der Stentimplantation inhärentes Problem ist eine mögliche Restenosierung. Der Restenosierungsprozess wird myointimaler Hyperplasie wie auch Thrombusbildung zugeschrieben (Palmaz, 1993, Van Beusekom et al., 1993). Die Wechselwirkung von Thrombozyten mit der Stentoberfläche kann nicht nur durch ihre Involvierung bei der Thrombusbildung, sondern auch durch die Freisetzung des von Thrombozyten abgeleitetem Wachstumsfaktors, der bei der Stimulierung des Zellwachstums des glatten Muskels involviert sein kann, Bedeutung haben (Palmaz, 1993, Ross, 1986). Heparin wird routinemäßig für die Prophylaxe sowohl chirurgischer als auch medizinischer Thrombose eingesetzt.
Allerdings gibt es keine Offenbarung oder Anregung im Stand der Technik, die anzeigen, dass Zusammensetzungen für die kontrollierte Freisetzung von Heparin durch Einarbeiten von Heparin in ein von Siliciumdioxidxerogel-abgeleitetes Sol-Gel erreicht werden könnte, und dass eine solche Zusammensetzung zur Behandlung und/oder Prävention von Thrombose einsetzbar wäre. Bekannte Heparinpräparate werden als Injektionen verabreicht. Somit gibt es einen großen Bedarf für zweckdienlichere Verabreichungswege für Heparin, speziell für langwirkende Heparin-Dosierungsformen mit kontrollierter Freisetzung.
AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Zusammensetzung zur kontrollierten Freisetzung von Heparin oder eines verwandten, biologisch aktiven, sauren Polysaccharids, wobei die Zusammensetzung zur systemischen oder lokalen Prophylaxe und/oder Behandlung von medizinischer oder chirurgischer Thrombose verwendet werden kann.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Zusammensetzung für die kontrollierte Freisetzung von Heparin oder eines verwandten, biologisch aktiven, sauren Polysaccharids.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung nach einem Aspekt eine Zusammensetzung zur kontrollierten Freisetzung eines biologisch aktiven Agens aus einem Träger, wobei das biologisch aktive Agens Heparin oder ein verwandtes biologisch aktives saures Polysaccharid ist und der Träger ein Sol-Gel ist, das von Siliciumdioxid-Xerogel abgeleitet ist. Das Xerogel ist von einem Tetraalkoxysilan, z.B. Tetraethoxysilan (TEOS) abgeleitet und ein Teil des Tetraalkoxysilans ist durch ein organomodifiziertes Alkoxysilan, vorzugsweise ein Alkyl-substituiertes Alkoxysilan, ersetzt.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung. Das Verfahren ist durch die folgenden Stufen gekennzeichnet:

(a) Hydrolysieren eines Alkoxysilans und eines organomodifizierten Alkoxysilans in Gegenwart eines Katalysators,
(b) gegebenenfalls Einstellen des pHs auf einen Wert, der für das biologisch aktive Agens geeignet ist,
(c) Zugeben des biologisch aktiven Agens,
(d) Polymerisieren lassen des Hydroxysilans und gegebenenfalls
(e) Entfernen von Wasser und Alkohol, die bei der Hydrolyse gebildet wurden, aus dem Gemisch.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt die kumulative Freisetzung von Heparin gegen die Zeit für Formulierungen, die 1 Gew.-% Heparin enthalten, bezogen auf das Sol, für Xerogele, die unter Verwendung von Salpetersäure (offene Quadrate) oder Essigsäure (ausgefüllte Quadrate) als Katalysator hergestellt werden.
2 zeigt die kumulative Freisetzung von Heparin in % gegenüber der Zeit für Formulierungen, die 1, 1,5, 2, 3 und 4 Gew.-% Heparin enthalten, berechnet auf Solbasis, für Xerogele, die unter Verwendung von Essigsäure als Katalysator hergestellt wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Heparin ist ein lineares Polysaccharid, das Repetiereinheiten aus sechs Zuckerresten enthält, die jeweils aus einer alternierenden Sequenz von Sulfatderivaten von N-Acetyl-D-glucosamin und D-Iduronat bestehen (Formel I). Heparin ist ein starkes Antikoagulans und ist auch eine Komponente der extrazellulären Matrix von Blutgefäßen und fördert in vitro das Endothelzellwachstum.
Erfindungsgemäß kann Heparin alternativ durch ein verwandtes, biologisch aktives, saures Polysaccharid ersetzt werden. Als Beispiele für solche sauren Polysaccharide mit antithrombotischen Wirkungen können Heparansulfatproteoglycan, sulfonierte Hyaluronsäure und dergleichen genannt werden.
Heparin oder das verwandte, biologisch aktive, saure Polysaccharid kann entweder natürlichen Ursprungs sein oder biotechnologisch hergestellt sein.
Der Zweck der vorliegenden Studie bestand darin, die Eignung eines Sol-Gels, das aus Siliciumdioxidxerogel hergestellt ist, als Trägermatrix zur kontrollierten Freisetzung von Heparin oder einem verwandten sauren Polysaccharid zu beurteilen. Es wurde der Einfluss von Sol-Gel-Parametern, z.B. Katalysatoren oder verschiedene Alkoxysiloxane, und der Effekt der Heparinkonzentration untersucht. Außerdem wurde die Aufrechterhaltung der biologischen Aktivität des Arzneimittels nach einem Sol-Gel-Prozess getestet. Die Freisetzung von Heparin war entsprechend der Kinetik Nullter Ordnung linear und es wurde festgestellt, dass die Freisetzungsraten unterschiedlicher Matrizes zu der Arzneimittelbeladung der Matrix direkt proportional waren. Die Freisetzungsrate kann durch Auswahl des verwendeten Katalysators im Sol-Gel-Verfahren kontrolliert werden. Andere Parameter, die die Struktur und die Eigenschaften der Siliciumdioxidxerogele, z.B. die Freisetzungsrate des Arzneimittels, beeinträchtigen, sind die Temperatur, pH, Trocknungs- und Erwärmungsbedingungen des Siliciumdioxidsols. Die Freisetzungsrate von Heparin kann auch durch chemische Modifikation des Siliciumdioxidxerogel-Netzwerks kontrolliert werden.
Das Xerogel wird von einem Tetraalkoxysilan, z.B. Tetraethoxysilan (TEOS) abgeleitet. Wenn brüchigere Xerogele gewünscht werden, wird ein Teil des Tetraalkoxysilans (z.B. TEOS) durch ein organomodifiziertes Alkoxysilan, vorzugsweise ein alkylsubstituiertes Alkoxysilan, ersetzt. Als besonders bevorzugte alkylsubstituierte Alkoxysilane können genannt werden: Methyltriethoxysilan MeSi(OEt)₃ (METES), Dimethyldiethoxysilan (Me₂Si(OEt)₂ (DMDES) oder Ethyltriethoxysilan (EtSi(OEt)₃ (ETES). Wenn etwa 25 % der TEOS-Menge durch eines der vorstehend genannten organomodifizierten Alkoxysilane ersetzt sind, kann eine erhöhte Freisetzungsrate des Arzneimittels vorausgesagt werden.
Die Heparinmenge ist vorzugsweise etwa 5 bis 15 Gew.-%, berechnet unter Bezug auf das getrocknete Xerogel.
Als Katalysator wird vorzugsweise Salpetersäure oder Essigsäure verwendet.
Die Zusammensetzung kann zur Behandlung und/oder Prävention von chirurgischer oder medizinischer Thrombose, für eine lokale oder systemische Verwendung eingesetzt werden. Unter den vorteilhaften Verabreichungswegen können subkutane oder intramuskuläre Dosierungsformen genannt werden. Es könnten auch lang wirkende Injektionsformen hergestellt werden, da das mit Heparin beladene Xerogel zu kleinen, injizierbaren Partikeln fertig bearbeitet werden kann. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Formulierung ein Implantat, das in enger Nachbarschaft zu dem Objekt zu platzieren ist, das eine chirurgische Operation durchmacht. Die Formulierung kann auch während der Operation verwendet werden.
Die Erfindung wird nun detaillierter im experimentellen Abschnitt in den folgenden nicht-beschränkenden Beispielen beschrieben.
EXPERIMENTELLER TEIL
HERSTELLUNG VON SILICIUMDIOXID-SOL
Das mit Heparin beladene Siliciumdioxid-Sol wurde durch ein Zweistufen-Sol-Gel-Verfahren unter Verwendung von Säure als Katalysator hergestellt (Ellerby et al., 1992). Es wurden die folgenden Reagenzien verwendet: Tetraethoxysilan (TEOS) (Aldrich), entionisiertes Wasser, Salpetersäure (HNO₃) (Merck), Essigsäure (CH₃COOH) (Merck), Ammoniumhydroxid (NH₄OH) (Merck) und Heparinnatriumsalz (Orion Corporation, Finnland). Die biologische Aktivität des verwendeten Heparins war 84 IE/mg, gemessen durch den Faktor Xa-Assay (HEPRN). Der erste Schritt dieser Reaktionsserie war eine Hydrolysereaktion zwischen Wasser und Alkoxid. Das Molverhältnis des Siliciumdioxid-Sols war TEOS:H₂O:HNO₃ = 1:15:0,0015 bzw. TEOS:H₂O:CH₃COOH = 1:15:0,026. Eine Modifikation des durch Salpetersäure katalysierten Sols wurde durch Co-Hydrolyse von TEOS mit den folgenden organomodifizierten (d.h. alkylsubstituierten) Alkoxysilanen durchgeführt: Dimethyldiethoxysilan Me₂Si(OEt)₂ (DMDES) (Lancaster), Methyltriethoxysilan MeSi(OEt)₃ (METES) (Aldrich) oder Ethyltriethoxysilan EtSi(OEt)₃ (ETES) (Lancaster). Für die partielle Substitution von TEOS wurden 10 oder 20 mol% organomodifiziertes Alkoxysilan verwendet. Nach dem ersten Schritt, d.h. der Hydrolysereaktion, wurde der pH vor einem Heparinzusatz mit Base (0,1 oder 1 M NH₄OH) auf 4,5 bis 4,8 erhöht. Das Heparin-Natriumsalz wurde zuerst im entionisierten Wasser aufgelöst und dann zu der Hydrolyselösung gegeben. Die Heparinkonzentration im Siliciumdioxid-Sol reichte von 1 Gew.-% bis 4 Gew.-%, berechnet auf das Sol, was 6,8 bis 29,2 Gew.-% im luftgetrockneten Siliciumdioxidxerogel entspricht. Das Siliciumdioxid-Sol wurde in Vertiefungen einer Blisterplatte gegossen, bei 40°C und 40 % relativer Feuchtigkeit zur Polykondensation und Alterung gehalten. Die gealterten Siliciumdioxidgele wurden bei 40°C und 40 % relativer Feuchtigkeit zu einem konstanten Gewicht getrocknet, um Siliciumdioxidxerogele zu erhalten, die Heparin eingearbeitet haben. Die hergestellten Formulierungen sind in Tabelle 1 offenbart.
TABELLE 1 In der Studie verwendete Formulierungsparameter
IN VITRO-FREISETZUNGSEXPERIMENTE
Auflösungstest
Die Auflösungsprofile von Heparin und Siliciumdioxid aus den Siliciumdioxidxerogel-Matrizes wurden in einem Schüttelwasserbad mit 37°C untersucht. Es wurde simulierte Körperflüssigkeit (SBF) als Auflösungsmedium verwendet. SBF wurde durch Auflösung von NaCl, NaHCO₃, KCl, K₂HPO₄ × 3H₂O, MgCl₂ × 6H₂O, CaCl₂ × 2H₂O; Na₂SO₄ mit Analysenqualität in entionisiertem Wasser hergestellt (Tabelle 2). Die Lösung wurde mit Tris(hydroxymethyl)aminomethan (TRIZMA) und Salzsäure (HCl) bei physiologischem pH 7,40 gepuffert. Die Zusammensetzung der anorganischen Ionen stellte die von humanem Blutplasma nach.
TABELLE 2
Die Siliciumdioxidxerogel-Probe wurde in 50 ml SBF in einer Polyethylenflasche eingetaucht, und mit einem dichten Deckel verschlossen. Alternativ wurden 5 ml Probe oder das gesamte Medium aus jedem Kolben entnommen und unverzüglich durch frisches Medium ersetzt. Es wurden drei parallele Proben verwendet.
TOLUIDINBLAU-TEST
Die Gesamtmenge an gelöstem Heparin wurde durch ein kolorimetrisches Toluidinblau-Verfahren (Smith et al., 1980), das für unsere Zwecke modifiziert worden war, gemessen. Es wurde eine 0,005 %ige Toluidinblau-Lösung in 0,01 N HCl, enthaltend 0,2 % NaCl, hergestellt. Eine Standard-Heparinlösung wurde mit 20 mg Heparin, das mit SBF-Lösung auf 100 ml verdünnt wurde, hergestellt. Die Standardverdünnungen waren zwischen 5 und 40 μg Heparin in der Probe. Eineinviertel (1,25) ml Toluidinblau-Lösung (0,005 %) und 1,25 mL SBF-Lösung wurden in Teströhrchen pipettiert. Alle Röhrchen wurden für 30 s mit Vortex stark vermischt. Als Nächstes wurden 2,5 ml Hexan zu den Röhrchen gegeben und sie wurden für weitere 30 s geschüttelt, um den gebildeten Heparin-Farbstoff-Komplex abzutrennen. Die wässrigen Schichten der Röhrchen wurden als Proben genommen und bei Bedarf mit SBF verdünnt. Die Extinktion bei 631 nm wurde innerhalb von 30 min mit einem Shimadzu UV-Vis-1601-Spektralphotometer gemessen.
SILICIUMDIOXIDBESTIMMUNG
Der Abbau der Siliciumdioxidxerogel-Matrix wurde bestimmt, indem gelöstes Si(OH)₄ als Molybdänblau-Komplex mit einem UV-Spektralphotometer bei 820 nm gemessen wurde (Koch und Koch-Dedic, 1974).
THROMBIN-ASSAY
Die biologische Aktivität von Heparin gegenüber Thrombinbildung wurde durch das chromogene Verfahren (Hall et al.; 1984, Han et al., 1989) beurteilt. Heparin bildet mit ATIII im Plasma einen Heparin-Antithrombin III (ATIII)-Thrombin (T)-Komplex. Wie in Schema 1 gezeigt ist, kann die biologische Aktivität von Heparin direkt gemessen werden, wenn eine Überschussmenge an Thrombin verwendet wird, um Heparin-ATIII-Komplexe herzustellen; die verwendete Thrombinmenge wird mit Chromozym TH bestimmt. Thrombin wirkt als Katalysator bei der Abspaltung von Paranitroanilin (pNA) von Chromozym TH. Die pNA-Freisetzungsrate wurde bestimmt, indem die Extinktion bei 405 nm gemessen wurde. Die Experimente wurden nach dem in Schema 1 dargestellten Weg durchgeführt, der die folgenden Schritte umfasst:

1. Heparin + ATIII → Heparin/ATIII-Komplex
2. Heparin/ATIII + Thrombin (Überschuss) → Heparin/ATIII/Rhrombin + restliches Thrombin
3. Chromozym TH → Peptid + pNA (gemessen bei 405 nm)

Thrombozyten-armes Plasma (57 μl) wurde mit Tris-Puffer-Lösung (245 μl, pH 8,3) und 150 μl-Probenlösung in einem 5 ml-Teströhrchen verdünnt. Die Teströhrchen wurden gerührt und für 3 min bei 37°C inkubiert. 150 μl Thrombin-Lösung ( 8 IE/ml, Sigma T-7009, St. Louis, MO, USA) wurden zugesetzt, vermischt und für weitere 60 Sekunden bei 37°C inkubiert. Dann wurden 150 μl Chromozym TH-Lösung (1,13 mM, vorher auf 37°C erwärmt, Tos-Gly-Pro-Arg-pNA, Boehringer Mannheim, Mannheim, Deutschland) zugegeben, das Ganze wurde gemischt und für 310 s bei 37°C inkubiert. Die Reaktion wurde durch Zugabe von 450 μl 50%iger Essigsäure gestoppt. Die Proben wurden spektralphotometrisch bei 450 nm unter Verwendung eines Shimadzu UV-1601-Spektralphotometers analysiert. Heparinstandards zwischen 0,2 und 1,0 IE/ml wurden als Proben genommen. Die relative biologische Aktivität wurde errechnet, indem die Thrombinneutralisation von immobilisiertem Heparin mit der von freiem Heparin verglichen wurde. Die Erhöhungsrate der Extinktion bei 405 nm infolge des Auftretens des Chromophors, p-Nitroanilin, ist nach der Standardkurve linear und steht in umgekehrter Beziehung zur effektiven Aktivität.
SCHEMA 1
RESULTATE
Die Testresultate bestimmter hergestellter Formulierungen sind in der Tabelle 3 angegeben.
Eine Heparin-Freisetzung aus den verschiedenen untersuchten Formulierungen erfolgte während der Auflösung der Matrix. Am Ende des Auflösungszeitraums (96 h) waren 10 % der Matrix in den getesteten Formulierungen aufgelöst, was durch den Siliciumdioxidgehalt gemessen wurde, und dieselbe Heparinmenge wurde freigesetzt, was nahegelegt, dass die Heparin-Freisetzung durch Matrixerosion kontrolliert wird. Die Heparin-Freisetzung aus einer Formulierung, die 1 Gew.-% Heparin in dem Sol enthielt, war identisch mit der Rate der Matrixauflösung. Die Heparin-Freisetzung aus der Matrix wurde mit dem Toluidinblau-Verfahren und nach Siliciumdioxidxerogel-Matrix-Erosionsstudien gemessen. Dies beinhaltet, dass eine Arzneimittel-Freisetzung als ein Prozess beschrieben werden kann, der hauptsächlich durch Erosion der Matrix kontrolliert wird. Außerdem hat die Porosität der Matrix keinen merklichen Effekt auf den Auflösungsprozess. Speziell im Fall kleiner Moleküle ist die Arzneimittel-Freisetzung ein kombinierter Prozess aus Diffusion und Matrixerosion.
KATALYSATOREFFEKT
Eine Modellformulierung, die 1 Gew.-% Heparin in dem Sol enthält, wurde verwendet, um den Einfluss des eingesetzten Katalysators im Hydrolyseverfahren auf die Auflösungsrate von Heparin zu untersuchen. Siliciumdioxidxerogel-Monolithe wurden unter Verwendung von Essigsäure- oder Salpetersäurekatalysator hergestellt. Bei pH 2,5 war der Hydrolyseschritt bei Verwendung von Salpetersäure schneller, nämlich 45 bis 60 min, als der, der unter Verwendung von Essigsäure durchgeführt wurde, 5 Stunden. Nach der Literatur (Brinker & Scherer) werden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Hydrolysereaktion durch die Stärke und die Konzentration des Säurekatalysators am meisten beeinflusst. Alle starken Säuren verhielten sich ähnlich, wohingegen eine schwächere Säure längere Reaktionszeiten benötigte, um dasselbe Ausmaß der Reaktion zu erreichen. Die Reaktionsgeschwindigkeit mit einer schwächeren Säure kann durch Erhöhung der angewendeten Reaktionstemperatur beschleunigt werden.
Im vorliegenden Fall wurde der pH des Sols nach dem Hydrolyseschritt mit NH₄OH auf 4,5 bis 4,8 erhöht, um die Heparinpräzipitation zu vermeiden. Die Geschwindigkeit der Gelbildung, d.h. die Geschwindigkeit der Kondensationsreaktionen, wird durch den pH beeinflusst und hat einen beträchtlichen Einfluss auf die dreidimensionale Struktur des Siliciumdioxid-Netzwerks (Brinker & Scherer). Die Gelierzeit ist in der Nähe des isoelektrischen Punkts (IEP) von Siliciumdioxid, pH 2, am längsten und nimmt mit steigendem pH des Sols ab (Iler, 1979). In der Nähe des IEP gibt es keine elektrostatische Partikelabstoßung. Eine langsamere Kinetik produziert lineare Siliciumdioxidaggregate und eine kondensiertere Struktur, wenn allerdings der pH erhöht ist, nimmt die Gelbildungsgeschwindigkeit zu, was in einer poröseren Struktur resultiert.
1 zeigt die kumulative Heparin-Freisetzung gegen die Zeit für Formulierungen, die 1 Gew.-% Heparin, berechnet auf das Sol, enthalten, für Xerogele, die unter Verwendung von Salpetersäure- oder Essigsäure-Katalysatoren hergestellt wurden. Bei Anpassung an ein Modell Nullter Ordnung war die Heparin-Freisetzung mit beiden Katalysatoren linear. Die Auflösungsrate bzw. Auflösungsgeschwindigkeit aus Essigsäure-katalysierten Gelen waren 60 % langsamer als aus Salpetersäure-katalysierten Gelen. Dies kann auf der höheren Dichte des mit Essigsäurekatalysator hergestellten Xerogels (Formulierung Nr. 1, Tabelle 3) im Vergleich zu dem mit Salpetersäurekatalysator hergestellten (Formulierung Nr. 6, Tabelle 3) liegen.
EFFEKT DER HEPARINKONZENTRATION
Der Effekt der Heparinkonzentration wurde sowohl unter Verwendung von Salpetersäure als auch von Essigsäure als Katalysator untersucht. Die Freisetzung von Heparin aus einer Siliciumdioxidxerogel-Matrix, die bei pH 4,8 (mit Essigsäure katalysiert) hergestellt worden war, bei unterschiedlichen Beladungen mit Heparin-Natriumsalz im Siliciumdioxid-Sol (1, 1,5 und 2 Gew.-%, berechnet auf das Sol) war entsprechend der Kinetik Nullter Ordnung linear (2). Es wurde festgestellt, dass die Freisetzungsraten dieser verschiedenen Matrizes zu der Arzneimittelbeladung der Matrix direkt proportional sind. Ähnliche Freisetzungsprofile Nullter Ordnung wurden beobachtet, wenn Salpetersäure verwendet wurde. Eine Korrelation zwischen der Freisetzungsrate und der Arzneimittelbeladung kann eingesetzt werden, um die Freisetzungsrate von Heparin aus der Siliciumdioxidxerogel-Matrix mit derselben Oberfläche vorauszusagen. Die Matrixerosion war auch linear, und die Haparinkonzentration hatte keinen Einfluss auf die Abbaurate bzw. Abbaugeschwindigkeit der Matrix. Diese Feststellungen stehen mit unserem früheren Artikel (Ahola et al., 1999) in Übereinstimmung.
EFFEKT VON ORGANOMODIFIZIERTEN ALKOXYSILANEN
Die Freisetzungsrate von biologisch aktiven Molekülen kann durch chemische Modifikation der Siliciumdioxidxerogel-Matrix beeinflusst werden (Böttcher et al., 1998). Die Einarbeitung von organomodifizierten Alkoxysilanen in den Hydrolyseschritt mit TEOS füthrt zu einer Erhöhung der Hydrophobie der Matrix und zu Änderungen bei der Porosität. Bei dieser Untersuchung wurde eine Modifikation des mit Salpetersäure katalysierten Sols bei gleichzeitiger Hydrolyse mit TEOS durch METES, ETES oder DMDES durchgeführt. Es wurde ein partielles Ersetzen von TEOS mit 10 oder 25 mol-% organomodifizierten Alkoxysilanen angewendet. Diese partielle Substitution führt zu brüchigeren Materialien. Alle Monolithe wurden während des Auflösungszeitraums, dessen Verlauf einen Effekt auf die Freisetzungsrate hat, gebrochen. Der Zu satz von 10 mol-% organomodifiziertem Alkoxysilan zu dem Sol hatte keine signifikante Wirkung auf die Freisetzungsrate des Heparins. Die Freisetzung von Heparin aus allen Formulierungen, die 10 mol % organomodifiziertes Alkoxysilan enthalten, war nach der Kinetik Nullter Ordnung linear. Als die Menge auf 25 mol-% erhöht wurde, war das Freisetzungsverhalten von Heparin besser an eine Kinetik Erster Ordnung angepasst, was einen durch die Diffusion kontrollierten Prozess anzeigt. Die Freisetzungsrate des Arzneimittels war 20 bis 40 % erhöht, wenn 25 mol-% ETES und DMDES verwendet wurden. Ein anderer Grund für die schnelle Freisetzungsrate bzw. Geschwindigkeit kann neben der brüchigen Struktur die verringerte Möglichkeit zur Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen dem Siliciumdioxid-Netzwerk und Heparin sein.
TABELLE 3
LITERATURSTELLEN:

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Claims

Zusammensetzung zur kontrollierten Freisetzung eines biologisch aktiven Agenses aus einem Träger, wobei das biologisch aktive Agens Heparin oder ein verwandtes biologisch aktives saures Polysaccharid ist und der Träger ein Sol-Gel ist, das von Siliciumdioxidxerogel abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Xerogel von einem Tetraalkoxysilan wie zum Beispiel Tetraethoxysilan (TEOS) abgeleitet ist und dass ein Teil des Tetraalkoxysilans durch ein organomodifiziertes Alkoxysilan, vorzugsweise ein alkylsubstituiertes Alkoxysilan, ersetzt ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das alkylsubstituierte Alkoxysilan Methyltriethoxysilan (METES), Dimethyldiethoxysilan (DMDES) oder Ethyltriethoxysilan (ETES) ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das biologisch aktive Agens Heparin in einer Menge von 5 bis 30 Gew.-%, berechnet auf das luftgetrocknete Xerogel, ist.
Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Stufen: a) Hydrolysieren eines Alkoxysilans und eines organomodifizierten Alkoxysilans in Gegenwart eines Katalysators; b) gegebenenfalls Einstellen des pHs auf einen Wert, der für das biologisch aktive Agens geeignet ist, c) Zugeben des biologisch aktiven Agenses, d) Polymerisierenlassen des Hydroxysilans und gegebenenfalls e) Entfernen von Wasser und Alkohol, die bei der Hydrolyse gebildet wurden, aus dem Gemisch.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkoxysilan ein Tetraalkoxysilan wie zum Beispiel Tetraethoxysilan (TEOS) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das organomodifizierte Alkoxysilan ein alkylsubstituiertes Alkoxysilan wie zum Beispiel Methyltriethoxysilan (METES), Dimethyldiethoxysilan (DMDES) oder Ethyltriethoxysilan (ETES) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Salpetersäure oder Essigsäure als Katalysator verwendet wird.