DE69834444T2

DE69834444T2 - Modifizierte Elektroden und deren Herstellung

Info

Publication number: DE69834444T2
Application number: DE69834444T
Authority: DE
Inventors: Christopher John Pickett; Saad Khalil Ibrahim
Original assignee: Plant Bioscience Ltd
Current assignee: Chameleon Biosurfaces Ltd
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: ES2264062T5; EP1438983A1; CA2278814A1; EP1438983B2; DE69825424T2; PT1438983E; EP0959941A1; CA2513344C; CA2278814C; EP1438983B1; US6132752A; EP0959941B1; WO1998033552A1; CA2513344A1; DE69834444D1; GB9702277D0; ES2264062T3; DK1438983T3; DE69834444T3; ATE272424T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft modifizierte Elektroden und ihre Herstellung. Beschrieben werden die Verwendung solcher modifizierten Elektroden, Elektrofreisetzungssysteme, die solche Elektroden zur Elektrofreisetzung von Verbindungen, wie z.B. medizinischen oder veterinären pharmazeutischen Verbindungen, umfassen, und Verfahren zur Elektrofreisetzung. Elektrofreisetzung bedeutet, dass die elektrochemische Freisetzung der Verbindung oder die Hemmung solch einer Freisetzung durch das Anlegen einer geeigneten Vorspannung an eine Elektrode erfolgt. Solch ein System erlaubt eine genaue Kontrolle des Zeitpunkts und/oder der Menge der Freisetzung.
2. Stand der Technik
Eine blanke Elektrode, die in eine leitende Lösung gegeben wird, kann als unendliche Senke oder Quelle von Elektronen betrachtet werden, die sich wie ein abstimmbares Redoxreagens verhält. Die Oxidations- oder Reduktionsgeschwindigkeit von Molekülen, die sich nahe der Elektrode befinden, kann durch Variieren des Grenzflächen-Elektrodenpotenzials gesteuert werden. Auf diese Weise können Reaktionen ein- oder ausgeschaltet werden. Vor etwa zwanzig Jahren wurde erkannt, dass eine chemische Modifikation einer Elektrodenoberfläche mit funktionellen Gruppen eine noch genauere Kontrolle der Elektrochemie ermöglicht. Die Arten von Kontrolle, die erwünscht sind, umfassen: chirale Induktion, wodurch ein prochirales Molekül zu einem einzelnen optischen Isomer reduziert oder oxidiert wird; Elektrokatalyse, wodurch die Elektronentransferchemie durch Bindung von Substratmolekülen an katalytischen Stellen katalysiert wird; Elektrofreisetzung, wodurch elektrodengebundene Moleküle in eine Lösung abgegeben werden, indem das Elektrodenpotenzial geändert wird; und Elektroabtastung, wodurch eine selektive Wechselwirkung eines Ana lyten mit der modifizierten Oberfläche zu einer messbaren Elektrodenreaktion führt. Der Entwurf und die Konstruktion von Vorrichtungen, die auf modifizierten Elektroden basieren, sind eventuell in Bereichen, wie gesteuerter Arzneistofffreisetzung, Bioelektrokatalyse und Bioelektronik, einsetzbar.
Es wurden schon früher einige Vorschläge für ein Elektrofreisetzungssystem veröffentlicht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Details von modifizierten Elektroden in den am Ende der Beschreibung angeführten Publikationen veröffentlicht.
Kwon et al. beschreiben im Journal of Controlled Release 17, 149–156 (1991), ein synthetisiertes vernetztes Polymer [poly (AMPS/BMA)], das sie zur Untersuchung der Auswirkung von elektrischem Strom auf die Freisetzung von gelösten Stoffen einsetzten. Platindrähte wurden in eine halbkreisförmige Stange des Polymergels eingeführt. Eine ionische Verbindung (Edrophoniumchlorid) wurde durch Ionenaustausch geladen, sodass sie an eine Sulfonsäuregruppe band. Die Abgabe der ionischen Verbindung in Wasser wurde erreicht, indem Strom zwischen den Elektroden angelegt wurde.
In der WO-A-91/15260 ist iontophoretische transdermale Arzneistofffreisetzung mithilfe eines zweischichtigen aktiven Elektrodenelements mit einem Hautkontakthydrogel und einer den Arzneistoff tragenden Polymerträgerschicht beschrieben, die durch eine Elektrodenplatte gestützt wird. Das Hydrogel ist ein Ionomer, das die gleiche Ionenladung aufweist wie das Arzneistoffmolekül. Durch Anlegen einer Spannung zwischen dieser Elektrode und einer Gegenelektrode, die mit der Haut in Kontakt ist, wird der Arzneistoff in die Haut oder Schleimhaut transportiert.
Pickett et al. beschreiben im Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions, 2181–2189 (1994), modifizierte Elektroden, die einen Film aus einem derivatisierten Poly(pyrrol) umfassen. Ein mit Aminosäure, einem Peptid oder aktiviertem Pentafluorphenylester funktionalisiertes Pyrrol wurde elektropolymerisiert, um den elektrodengebundenen Film zu bilden. Nach der Polymerisation wurde das Pentafluorphe nylesterderivat mit Ferrocenmethanol umgesetzt, um einen Ferrycenyl-deriviatisierten elektrodengebundenen Poly(pyrrol)film zu bilden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun Elektroden entwickelt, die elektrofreisetzbare Verbindungen tragen, und eine elektrisch stimulierte Freisetzung erreicht.
Der Hintergrund dieser Entwicklung sind frühere Arbeiten, die von den Erfindern und anderen Forschern im Nitrogen Fixation Laboratory, Norwich, England, an Elektroden durchgeführt wurden, die durch Auftragen einer Schicht aus einem polymerisierten Pyrrol- oder Thiophenderivat modifiziert wurden. Die relevanten Publikationen sind am Ende dieser Beschreibung aufgelistet. Für Details zur Herstellung der funktionalisierten Polypyrrol- oder Polythiophenschichten, die in einigen Aspekten der Erfindung verwendet werden, sei auf diese Publikationen (Verweise 1–5) verwiesen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung steht der Inhalt der EP-B-0959941, die ein Elektrofreisetzungssystem mit einer Elektrode, einer elektrofreisetzbaren Verbindung und einer Schichtstruktur auf der Elektrode, welche die elektrofreisetzbare Verbindung freisetzbar hält, aufweist, wobei die Schichtstruktur zumindest eine funktionelle Verbindung umfasst. Diese funktionelle Verbindung oder funktionellen Verbindungen stellen eine erste funktionelle Gruppe, die eine ionische Bindung mit der elektrofreisetzbaren Verbindung bildet, und eine zweite funktionelle Gruppe bereit, die so angepasst ist, dass sie bei Anlegung einer geeigneten Vorspannung an die Elektrode Protonen erzeugt, die sich auf den Zustand der ionischen Bindung auswirken, und so die Freisetzung der elektrofreisetzbaren Verbindung regelt. Dieses System kann beispielsweise für ein transdermales Zufuhrsystem zur transdermalen Zufuhr einer elektrofreisetzbaren Verbindung verwendet werden, die ein medizinisches oder veterinäres Pharmazeutikum darstellt. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind subkutane und intravenöse Zufuhr.
Der Begriff „ionische Bindung" bedeutet, dass die elektrofreisetzbare Verbindung elektrostatisch gebunden ist. Andere Wechselwirkungen mit der elektrofreisetzbaren Verbindung, wie z.B. eine Wasserstoffbindung, können zusätzlich vorkommen, solange sie die gewünschte Freisetzung der Verbindung nicht verhindern.
Sehr viele pharmazeutische Verbindungen oder ihre Salze liegen in ionischer Form vor, weshalb sie zur Verwendung in diesem Elektrofreisetzungssystem geeignet sind. Ein Beispiel für eine anionische Verbindung mit einer Carboxylatgruppe ist Ibuprofen. Beispiele für kationische Verbindungen sind Morphium-, Dopamin- und Alkaloidsalze.
Ionisisierte Polypeptide und Proteine können ebenfalls in der Lage sein, durch solch ein System gebunden und freigesetzt zu werden.
Die Erzeugung von Protonen durch elektrochemische Oxidation an der zweiten funktionellen Gruppe führt zum Bruch der ionischen Bindung, wodurch die elektrofreisetzbare Spezies freigesetzt wird. Die Protonen verbinden sich typischerweise mit dem Anion der ionischen Bindung, um seine Ladung zu neutralisieren. Beispielsweise verbindet sich das Proton mit einer Carboxylatgruppe der ionischen Verbindung. Die elektrofreisetzbaren Spezies können anionisch oder kationisch sein. Wenn sie anionisch sind, z.B. eine Carboxylatgruppe aufweisen, können sie sich mit einem freigesetzten Proton verbinden, um sie zur Carbonsäureform zu überführen, die in einen Elektrolyten freigesetzt wird, der an die Elektrode angrenzt. In diesem Fall ist die erste funktionelle Gruppe, welche die ionische Bindung bildet, kationisch, z.B. quaternäres Ammonium oder Phosphonium. Umgekehrt kann, wenn die elektrofreisetzbare Verbindung kationisch ist, sich das freigesetzte Proton mit dem Anion der ionischen Bindung verbinden, das durch die erste funktionelle Gruppe bereitgestellt wird, z.B. mit einem Carboxylatanion, wodurch das Kation der elektrofreisetzbaren Verbindung freigegeben wird und in den an die Elektrode angrenzenden Elektrolyten wandern kann. Neben Carboxylat können auch andere geeignete anionische Spezies eingesetzt werden, wie z.B. eine Sulfonatgruppe (–SO₃).
Der Elektrolyt kann eine Flüssigkeit sein oder in einem transdermalen Zufuhrsystem, bei dem eine Gegenelektrode an einer anderen Stelle auf der Haut des Patienten angebracht wird, durch die Haut eines Patienten bereitgestellt werden.
Die zweite funktionelle Gruppe, die ein Proton freisetzt, kann beispielsweise eine Cysteingruppe sein, die elektrochemisch in eine Cystingruppe übergeführt wurde, oder eine Hydrochinongruppe.
Der beschriebene Freisetzungsmechanismus, der durch das Anlegen einer Vorspannung an die Elektrode ausgelöst wird, kann reversibel sein, wenn beispielsweise die Vorspannung entfernt wird oder eine Gegenspannung angelegt wird, unter der Voraussetzung, dass die Reaktionen an der ersten und zweiten funktionellen Gruppe reversibel sind. Bei der Freisetzung einer pharmazeutischen Verbindung ist im Allgemeinen keine Umkehrbarkeit erforderlich, aber eine Umkehrbarkeit kann das Wiederaufladen einer teuren Elektrode mit der elektrofreisetzbaren Verbindung ermöglichen.
Die Schichtstruktur, welche die erste und zweite funktionelle Gruppe umfasst, kann eine leitfähige Polymerstruktur sein, die an der Elektrode haftet oder vorzugsweise in situ als gebundene Schicht auf der Elektrode ausgebildet wurde, die so den Träger für die Schichtstruktur bildet. Geeignete leitfähige Polymerstrukturen können auf Pyrrol oder Thiophen basieren, wobei Pyrrol bevorzugt ist. Polypyrrole können leicht durch In-situ-Polymerisation gebildet werden, wie in den nachstehend angeführten Literaturverweisen 1–5 beschrieben ist. Das Monomer kann ein Pyrrolderivat sein, das die gewünschte(n) funktionelle(n) Gruppe(n) trägt. Alternativ dazu kann die gewünschte funktionelle Gruppe nach der Polymerisation eines Pyrrols oder eines polymerisierbaren Pyrrolderivats auf dem Polypyrrol gebildet werden, indem ein geeignetes Reagens mit dem Polypyrrol umgesetzt wird. Bei der Herstellung kann die gewünschte Schichtstruktur durch Ionenaustausch mit der elektrofreisetzbaren Verbindung beladen werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die gewünschte Biofunktionalität der Schichtstruktur auf vorteilhafte Weise erhalten werden kann, wenn zumindest zwei leitfähige Schichten mit jeweils unterschiedlichen Substituenten auf dem Polypyrrol in der Schichtstruktur bereitgestellt werden. Dies stellt das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung dar.
Die vorliegende Erfindung stellt eine modifizierte Elektrodenstruktur mit einer Elektrode und auf der Elektrode mehreren leitfähigen Polymerschichten bereit, worin jede Polymerschicht Polymere mit Monomereinheiten der Form
umfasst, worin P
ist und X eine andere Substituentengruppe ist als N, die an die 1(N)-Position oder die 3-Position gebunden ist, wenn P
ist, und an die 3-Position, wenn P
ist, wobei sich die Substituenten X in den beiden Polymerschichten unterscheiden und so unterschiedliche Funktionen und/oder unterschiedliche Reaktivitäten bereitstellen. Es können mehrere Substituenten X, die gleich oder unterschiedlich sein können, an die Monomereinheit P gebunden sein.
Diese Anordnung aus zwei (oder mehr) Polymerschichten auf Pyrrol- oder Thiophenbasis mit unterschiedlicher Funktionalität ermöglicht die Herstellung von modifizierten Elektroden mit nützlichen Eigenschaften, da die unterschiedlichen Schichten unterschiedliche Wirkungen bereitstellen können. Die Verwendung von Polymeren auf Polypyrrol- oder Polythiophenbasis, die leitfähige Schichten bereitstellen, ermöglicht die Durchführung von elektrochemischen Reaktionen in einer oder mehreren dieser Schichten, und eine oder mehrere der Schichten können Eigenschaften be reitstellen, die an die jeweilige Umgebung angepasst sind, in der die Elektrode eingesetzt werden soll. Beispielsweise kann eine hydrophobe oder hydrophile Schicht vorhanden sein. Eine oder mehrere Schichten können auch den Zugang von Spezies in eine andere der Schichten regeln, beispielsweise die Diffusion der Spezies in eine andere oder aus einer anderen Schicht.
Vorzugsweise werden die elektrodengebundenen Polymerschichten in situ gebildet, und zwar durch einen Elektropolymerisationsschritt mit einem substituierten Pyrrol oder Thiophen für jede Schicht, die gebildet werden soll. Wie oben erwähnt, sind in den Literaturverweisen 1–5 Details über die Produktion von einzelnen Schichten aus Polypyrrolderivaten enthalten. Wenn es die Beschaffenheit des Substituenten X erlaubt, kann das Polymerisationsmonomer mit X substituiertes Pyrrol oder Thiophen sein. Alternativ dazu kann eine Schicht gebildet werden, indem ein substituiertes Pyrrol oder Thiophen in situ polymerisiert wird, das dann in situ modifiziert wird, um den gewünschten Substituenten X zu inkorporieren. Solch eine Modifikation kann, je nach Fall, vor oder nach der Bildung einer nachfolgenden Polymerschicht erfolgen.
Es wurde gezeigt, dass die chemische Modifikation eines derivatisierten Polypyrrols oder Polythiophens nicht zu einer Polymeroberflächenmodifikation führt, sondern zu einer Transformation des gesamten Films (Literaturverweis 4). Polymerüberführungen, wie z.B. eine Quaternisierung und die Spaltung einer Disulfidbindung (bei der Bildung von Cysteinylgruppen aus Polycystinylpyrrolen), wurden gezeigt; Überführungen, die eine aktivierende Estergruppe (z.B. Pentafluorphenyl- oder 2,4-Dinitrophenylester) umfassen, wurden entwickelt, um andere Ester, Amide und Aminosäurederivate herzustellen, und zur Verwendung bei der Polymervernetzung. Der Vorteil der Funktionalisierung nach einer Polymerisation ist, dass Gruppen, die gegenüber den oxidativen Bedingungen des Polymerwachstums empfindlich sind oder welche die Polymerisation stören, leicht eingeführt werden können; außerdem sind die Transformationen wirtschaftlich, da minimale Menge Reaktionsmittel erforderlich sind. Die Bildung von Methionin-derivatisierten Pyrrolen veranschaulicht einen dieser Punkte. Methioninmethylester reagiert rasch und quantitativ mit einem Polymer, das die aktivierenden Estergruppen enthält, und ergibt den gewünschten funktionalisierten Film.
Es ist beispielsweise möglich, ein substituiertes Pyrrol oder Thiophen, das eine photolabile Gruppe aufweist, in situ zu polymerisieren. Eine Photospaltung („Photoclearage") der photolabilen Gruppe kann danach durchgeführt werden, um eine Modifikation des Polypyrrols zu erlauben. Dies kann selektiv ausgeführt werden, indem Licht für die Photospaltung („Photoclearage") gemustert wird.
Bei der Verwendung der zweilagigen oder mehrlagigen Strukturen in modifizierten Elektroden der Erfindung kann elektrische Ladung an die gewünschte Stelle geleitet werden, um beispielsweise Redoxreaktionen durch das leitfähige Polymerrückgrat auszulösen oder durch Elektronensprünge zwischen Redoxgruppen.
Die in den Elektrodensystemen dieser Erfindung verwendete Elektrode kann beispielsweise eine Platinelektrode oder eine Glaskohleelektrode sein. In-situ-Wachstum von Polypyrrolfilmen auf diesen beiden Elektroden wurde schon demonstriert. Andere auf Kohlenstoff basierende Elektroden, wie z.B. Kohlefilz, können ebenfalls als Elektrode verwendet werden, wie auch leitfähige Tinte oder leitfähige Paste, die auf ein Substrat aufgetragen wird.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung der modifizierten Elektrodenstruktur, wie es in Anspruch 5 dargelegt ist.
Eine Basisschicht aus unsubstituiertem Polypyrrol oder Polythiophen kann auf die Elektrode aufgebracht werden, um die Haftung der Polymerschichten zu verbessern, aber die Erfinder sind der Ansicht, dass dies nicht notwendig ist.
Beispiele für modifizierte Elektroden gemäß der Erfindung werden nachstehend angeführt. Die Begriffe „innere" und „äußere" beziehen sich auf Schichten, die näher bei der Elektrode sind bzw. weiter von ihr entfernt sind.

I. Eine Elektrodenstruktur mit einer inneren hydrophoben Polymerschicht, die einen funktionellen Substituenten X trägt, der an einer elektrochemischen Reaktion teilnehmen soll, wie beispielsweise einer Elektrofreisetzung, wie sie oben beschrieben ist, oder einer Reaktion mit einer Spezies, die von außen in die Schichtstruktur eintritt, und einer äußeren hydrophilen Schicht, welche die Elektrodenstruktur mit einem wässrigen Medium benetzbar macht, sodass Spezies in die innere Schicht eindringen oder aus ihr austreten können.
II. Eine Elektrodenstruktur mit einer elektrofreisetzbaren Verbindung, die ionisch an eine innere Polymerschicht gebunden ist, wie oben beschrieben ist, und einer äußeren Schicht, die Biokompatibilität der Elektrodenstruktur bereitstellt, z.B. eine äußere Schicht mit einer Gruppe vom Zuckertyp.
III. Eine Elektrodenstruktur, worin zwei Schichten zwei jeweils unterschiedliche funktionelle Gruppen tragen, die zusammenwirken, um eine elektrochemische Reaktion bereitzustellen, wie z.B. die erste und zweite funktionelle Gruppe des oben beschriebenen Elektrofreisetzungssystems. Alternativ dazu können zwei oder mehr der oben beschriebenen Elektrofreisetzungssysteme als separate Schichten aufgetragen werden, was eine kontrollierte selektive Freisetzung von unterschiedlichen elektrofreisetzbaren Verbindungen ermöglicht.
IV. Eine Elektrodenstruktur, worin eine äußere Schicht eine funktionelle Gruppe, wie z.B. Phosphocholin, trägt, die Zellhaftung hemmt, wenn sich die Elektrodenstruktur in einer biologischen Umgebung befindet.

Es können leicht mehrere Schicht aufgebaut werden, z.B. zwei oder mehr Schichtarten in einem sich wiederholenden Muster (z.B. Schicht A - Schicht B - Schicht A - Schicht B ... usw., oder Schicht A - Schicht B - Schicht C - Schicht A ... usw.).
Jede Schicht kann eine Dicke im Bereich von 100–5000 nm, z.B. von etwa 1000 nm, aufweisen.
Funktionelle Gruppen, die in Polymerschichten einer solchen Elektrodenstruktur der Erfindung bereitgestellt werden können, umfassen Peptidgruppen, welche die Zusammenstellung von elektroaktiven bioanorganischen Strukturen ermöglichen. Beispielsweise ermöglicht die Elektropolymerisation der eine Cystinbindung aufweisenden Verbindung I:
und ihre Reduktion zum Cysteinylzustand die Bindung eines elektroaktiven Ferredoxinzentrums:
Details zur Bindung eines Ferredoxinzentrums auf diese Weise in einer einzelnen Polypyrrolschicht finden sich in den Literaturverweisen 1, 2 und 3. Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine Konzentration von etwa 1 M Ferredoxinzentren im Polymerfilm erreicht werden kann. Diese Zentren sind in Redoxkommunikation zueinander und mit der Elektrode.
Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung solcher Peptidgruppen ist die Bindung eines Cofaktors eines Proteins, wie z.B. des „FeMoco"-Cofaktors von Nitrogenase, durch N-Histidin-Bindung am Mo-Atom und S-Cysteinbindung am distalen Fe-Atom. Solch eine Struktur kann zu Elektrokatalysatoren unter Verwendung solch eines Cofaktors führen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind Darstellungen von zwei Zuständen (Cysteinyl und Cystinyl) einer modifizierten Elektrode eines Elektrofreisetzungssystems der Erfindung, die Beispiele der obigen Beschreibung (keine Ausführungsformen) darstellen.
2A und 2B sind Darstellungen von zwei Zuständen einer zweischichtigen modifizierten Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung.
3A und 3B zeigen Stufen der Bildung einer zweischichtigen modifizierten Elektrode gemäß der Erfindung.
4A, 4B, 4C und 4D zeigen Stufen der Bildung einer weiteren zweischichtigen modifizierten Elektrode gemäß der Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Elektrofreisetzung einer ionischen Verbindung ist in den beiliegenden 1A und 1B dargestellt. Diese Figuren zeigen eine Pyrrolpolymerschicht, die auf einer Platinelektrode ausgebildet ist und eine Cysteinyl/Cystinyl-Substituentengruppe aufweist. Im Cysteinylzustand (1A) ist ein 4-Cyanobenzoatcarboxylatanion ionisch gebunden. Eine Elektrooxidation durch Anlegen einer Vorspannung an die Elektrode bildet die Disulfidbindung (Cystinylzustand, 1B), wodurch Protonen abgegeben werden, welche die freie Carbonsäure in die Lösung freisetzen. Anionen (BF₄ ^– in diesem Fall) wandern von der Lösung (in diesem Fall wird eine nichtwässrige Lösung verwendet) in die Polymerschicht, um die Ladung auszugleichen. Diese Frei setzung kann durch die angelegte Spannung geregelt werden, sowohl in Bezug auf die Dauer als auch auf die Menge, und ist für pharmazeutische Verbindungen mit Carboxylatgruppen anwendbar. 4-Cyanobenzoat wurde für dieses Beispiel gewählt, weil es leicht spektroskopisch detektierbar ist. FTIR- (Fourier-Transformations-Infrarot-) Diffusreflexionsspektren des Polymerfilms zeigen die Bindung des 4-Cyanobenzoat und ihren Ersatz durch BF₄ ^–-Anionen bei einer Elektrooxidation des Polymers.
2A und 2B zeigen die Verwendung von zweischichtigen Pyrrolpolymer-Elektrodenstrukturen zur Durchführung einer ein- und ausschaltbaren Freisetzung von Arzneistoffen.
Ein Polypyrrol, das mit reaktiven Gruppen funktionalisiert wurde, wird elektrochemisch auf einem leitenden Material bis zu einer gewünschten Dicke wachsen gelassen, um die innere Polymerschicht aus 2A und 2B auszubilden. Auf dieser Schicht wird ein zweites funktionalisiertes Polypyrrol bis zur gewünschten Dicke elektrochemisch wachsen gelassen, um die äußere Polymerschicht zu bilden. Diese äußere Schicht besitzt entweder eine Carbonsäuregruppe zur Bindung von kationischen Arzneistoffen, wie z.B. Metoclopramid- oder Morphinderivaten (Typ I), oder eine kationische Gruppe, wie z.B. NMe₃ ⁺, zur Bindung von Carboxylat-Arzneistoffen, wie z.B. Ibuprofen (Typ II). Typ I ist in den 2A und 2B dargestellt.
Die innere Polymerschicht wird selektiv mit einer Gruppe umgesetzt, die an ein elektrooxidierbares QH_n-Zentrum gebunden ist, um dieses Zentrum in der inneren Schicht unterzubringen. QH_n kann beispielsweise eine Hydrochinon- oder Thiolgruppierung sein. Hydrochinon ist in den 2A und 2B dargestellt.
Das Beladen der Elektrode mit kationischen Arzneistoffen erfolgt durch Carboxylatsalzbildung mit der äußeren Schicht vom Typ I. Das Beladen der Elektrode mit einem anionischen Carboxylat-Arzneistoff erfolgt durch Salzbildung mit der äußeren kationischen Schicht vom Typ II. 2A und 2B zeigen Typ I, wobei der ionisch gebundene Arzneistoff kationisches Metoclopramid ist, das eine ionische Bindung mit einer Carboxylatgruppe in der äußeren Schicht bildet. Wie schon erwähnt weist die innere Schicht eine Hydrochinongruppe auf, die Protonen freisetzt. Der gebundene Zustand ist in 2A dargestellt.
Der Arzneistoff wird durch elektrochemisches Einstellen des Potenzials der Elektrode auf einen Wert freigesetzt, der dazu führt, dass QH_n zu Q + nH⁺ oxidiert. Dies ist in 2A durch die Migration von e und H⁺ dargestellt. Die Dosis wird durch die Dauer und die Stärke des Stromflusses geregelt. Protonen, die in der inneren Polymerschicht gebildet werden, neutralisieren die Carboxylatgruppen der äußeren Schicht vom Typ I, wodurch der kationische Arzneistoff in das umliegende Medium freigesetzt wird, das eine wässrige Lösung oder ein anderes geeignetes Medium, wie z.B. menschliches oder tierisches Gewebe, sein kann. Dieser Zustand ist in 2B dargestellt.
3A und 3B zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer modifizierten Elektrode mit einer Doppelschicht mit einer gewünschten derivatisierten inneren Schicht. Eine Doppelschicht, wie sie in 3A dargestellt ist, wird durch Polymerisation von Pyrrol, das an der 1(N)-Position mit einer 2,4-Dinitrophenylpropansäureestergruppe substituiert ist, als erste Schicht auf der Elektrode und einer 3-Nitrophenylpropansäureestergruppe als zweite Schicht gebildet. Solche Filme können durch Elektropolymerisation des monomeren Pyrrols auf Pt-Scheiben in einer CH₃CN-Lösung mit [N(C₄H₉][BF₄] (0,1 M) wachsen gelassen werden. Die Monomerkonzentration beträgt typischerweise 8 bis 10 mM. Die Elektroden wurden vorher unter Verwendung von Diamantenpaste poliert und dann mit Wasser und CH₃CN gewaschen. Wenn diese Doppelschicht mit einer Methanollösung in Kontakt gebracht wird, dringt das Methanol in die innere Schicht ein, um den Methylester bereitzustellen, wie in 3B dargestellt ist. Die äußere Schicht bleibt unverändert. Diese Veränderung wird spektroskopisch detektiert.
4A–4D zeigen ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer modifizierten Elektrode mit einer Polymerdoppelschicht. 4A zeigt eine erste Schicht, die durch Polymerisation des 2,4-Dinitrophenylpropansäureesterpyrrolderivats gebildet wurde. 4B zeigt die Überführung davon in ein Amid durch Umsetzung mit Histidinmethylester. Dann wird eine zweite Polymerschicht aus dem 2,4-Dinitrophenylpropansäureesterpyrrolderivat gebildet (4C) und dann durch Umsetzung mit Glucosamin übergeführt (4D), um eine hydrophile äußere Schicht zu erhalten, wodurch eine bifunktionelle Doppelschichtstruktur auf der Elektrode ausgebildet wird.
Die in den Doppelschichten aus 3 und 4 verwendeten Monomere wurden wie folgt hergestellt:
2,4-Dinitrophenyl-3-(1H-1-pyrrolyl)propanoat
Festes Dicyclohexylcarbodiimid (1,5 g, 7,3 mmol) wurde zu einer kalten gerührten Lösung von 3-(Pyrrol-1-yl)propansäure (1 g, 7,2 mmol), die wie im Literaturverweis 4 beschrieben synthetisiert worden war, und 2,4-Dinitrophenol (1 g, 7,2 mmol) in Ethylacetat (35 ml) zugesetzt. Nach einer Stunde Rühren wurde ausgefallener Dicyclohexylharnstoff (DCU) aus der Lösung abfiltriert. Das Filtrat wurde weitere 15 Stunden lang bei Raumtemperatur gerührt, und die Lösung wurde erneut filtriert, um weiteren DCU zu entfernen. Das Filtrat wurde unter Vakuum eingedampft, um ein rohes Öl zu erhalten. Dieses wurde in Acetonitril gelöst, und die Lösung wurde 3 Stunden lang bei –15 °C stehen gelassen. Weiterer DCU wurde abfiltriert, und das resultierende Filtrat wurde unter Vakuum eingedampft. Das ölige Produkt wurde mit Hexan pulverisiert, wodurch sich ein blassgelber Feststoff bildete. Der Feststoff wurde aus Diethylether/Hexan umkristallisiert. Ausbeute 70 % (2,30 g), Fp. 86 °C.
Mikroanalyse
Gefunden (%): C, 51,7; H, 4,1; N, 12,3. Ber. für C₁₃H₁₁N₃O₆: C, 51,2; H, 3,6; N, 13,7.
3-Nitrophenyl-3-(1H-1-pyrrolyl)propanoat
Diese Verbindung wurde aus 3-Nitrophenol hergestellt, wobei das gleiche Verfahren wie oben für die 2,4-Dinitrophenylverbindung verwendet wurde. Ausbeute 65 % (1,20 g), Fp. 68–69 °C.
Mikroanalyse
Gefunden (%): C, 59,8; H, 4,6; N, 10,7. Ber. für C₁₃H₁₂N₂O₄: C, 60,0; H, 4,7; N, 10,8.
Literaturverzeichnis

1. J.-C. Moutet and C.J. Picket, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 188, "Ironsulphur clusters in ionic polymers on electrodes" (1989)
2. C.J. Pickett, K.S. Ryder and J.-C. Moutet, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 694, "Synthesis and Anodic Polymerisation of an L-Cystine derivatised Pyrrole; Copolymerisation with a Tetraalkylammonium Pyrrole allows Reduction of the Cystinyl Film to a Cysteinyl State that Binds Electroactive {Fe₄S₄}²⁺ Centres" (1992)
3. C.J. Pickett, K.S. Ryder and J.-C. Moutet, J. Chem Soc. Dalton Trans., 3695, "Iron-sulphur clusters in ionic polymers on electrodes" (1993)
4. C.J. Pickett and K.S. Ryder, J. Chem. Soc. Dalton Trans., 2181, "Bioinorganic Reaction Centres on Electrodes. Modified Electrodes possessing Amino Acid, Peptide and Ferredoxin-type Groups on a Poly(pyrrole) Backbone" (1994)
5. S.K. Ibrahim, C.J. Pickett and C. Sudbrake, J. Electroanalytical 387, 139, "Peptide derivatised poly(pyrrole) modified electrodes with built-in ion-exchange functions" (1995)

Claims

Modifizierte Elektrodenstruktur mit einer Elektrode und auf der Elektrode zumindest zwei Polymerschichten, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Polymerschichten ein Polymer mit Monomereinheiten der Form
umfasst, worin P aus
ausgewählt ist und X eine andere Substituentengruppe ist als H, die H an der 1(N)-Position oder der 3-Position ersetzt, wenn P
ist, und an der 3-Position, wenn P
ist, wobei sich die Substituenten X in den beiden Polymerschichten unterscheiden und so zumindest unterschiedliche Funktionen oder unterschiedliche Reaktivitäten bereitstellen.
Modifizierte Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, worin eine erste der Polymerschichten eine elektrofreisetzbare Verbindung enthält, die ionisch an den Substituenten X davon gebunden ist.
Modifizierte Elektrodenstruktur nach Anspruch 2, worin eine zweite der Polymerschichten einen Substituenten X aufweist, der zur Freisetzung von Protonen bei Anlegung einer geeigneten Vorspannung an die Elektrode angepasst ist, wobei die Protonen die Freisetzung der elektrofreisetzbaren Verbindung beeinflussen.
Modifizierte Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, worin der Substituent X in einer der Schichten der Struktur Biokompatibilität verleiht.
Verfahren zur Herstellung einer modifizierten Elektrodenstruktur, die Bildung von zumindest zwei Polymerschichten nacheinander auf einer Elektrode umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Polymerschichten ein Polymer mit Monomereinheiten der Form
umfasst, worin P aus
ausgewählt ist und X eine andere Substituentengruppe ist als H, die H an der 1(N)-Position oder der 3-Position ersetzt, wenn P
ist, und an der 3-Position, wenn P
ist, wobei sich die Substituenten X in den beiden Polymerschichten unterscheiden und so zumindest unterschiedliche Funktionen oder unterschiedliche Reaktivitäten bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 5, worin zumindest eine der Polymerschichten durch die Herstellung einer Vorläuferschicht durch Polymerisieren eines unsubstituierten oder substituierten Pyrrols oder Thiophens und der darauf folgenden Bildung des Substituenten X daraus gebildet wird.