WO2005097672A2 - Method for the production of carbon nanotubes that are ferromagnetically filled in part and carry biomolecules, and use thereof in diagnosis and therapy - Google Patents

Method for the production of carbon nanotubes that are ferromagnetically filled in part and carry biomolecules, and use thereof in diagnosis and therapy Download PDF

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carbon nanotubes
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Axel Meye
Albrecht Leonhardt
Gerd Hammermann
Manfred P. Wirth
Bernd BÜCHNER
Kai KRÄMER
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Technische Universität Dresden
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Definitions

  • the invention relates to a process for the production of partially ferromagnetically filled single or multi-walled carbon nanotubes (carbon nanotubes, CNTs) which are filled with iron, cobalt, nickel or an alloy thereof or an alloy of these elements with platinum and carry biomolecules where - with the biomolecules enclosed in the tube and / or with the outer
  • the nanotubes according to the invention can contain two or more different active substances in the tube, which are released one after the other when used in the body.
  • the invention also relates to the use of the partially ferromagnetically filled materials according to the invention
  • Carbon nanotubes in diagnosis and therapy especially tumor diagnosis and therapy.
  • Nanoparticles for use in diagnostics and therapy are already known from the literature. So z. B. in the patent EP 0625055 (DE 69328550 T2) fullerene-like compounds with magnetic molecules, ions, etc. and used in particular for diagnostic imaging methods. The aim here is to realize particles that are as small as possible and thus superparamagnetic, which is useful for the contrast agents sought in diagnostic imaging methods. Due to the superparamagic state, however, an energy conversion and thus, in addition to the diagnosis, a therapeutic application, eg. B. in hyperthermia, only possible to a limited extent.
  • Diagnostic and therapeutic agents also strive for a very tight tolerance in the geometric dimensions and the diagnostic / therapeutic volume of the active phase. These requirements cannot be met with the geometrically irregular nanoparticles.
  • the object of the invention was therefore to provide magnetic compounds which can be used universally as diagnostic and therapeutic agents and which can advantageously simultaneously serve both as diagnostic agents and as therapeutic agents for the same disease and, if appropriate, can carry several therapeutic agents or can be implemented as a depot form.
  • the object of the invention was, in particular, to specify a method for producing such connections with their geometric dimensions and their magnetic properties can be produced in a stable and defined manner.
  • the metal filling is monocrystalline or polycrystalline to a high degree by volume and has a length-width ratio greater than 1.
  • the metal filling in the nanotubes is preferably only partially formed in order to to have the remaining volume available for diagnostically and / or therapeutically active compounds.
  • a 10 percent ferromagnetic filling, for example, is already sufficient to use the carbon nanotubes according to the invention in imaging processes, e.g. B. the MRI to use.
  • the ferromagnetic filling in the carbon nanotube has a higher coercive force than the same ferromagnetic material in the bulk material.
  • the carbon nanotubes according to the invention can be multi-walled but also single-walled.
  • the single-wall carbon nanotubes are preferred for the use according to the invention and were produced for the first time using the method according to the invention.
  • the partially ferromagnetically filled carbon nanotubes according to the invention are produced by providing a substrate over the entire surface with a layer on which the ferromagnetically filled carbon nanotubes do not grow, for example a gold layer, the thickness of which is selected depending on the desired length of the nanotubes. subsequently a photoresist layer is applied to this layer, subsequently a dot pattern in the form of holes, preferably cylindrical holes, of the same size is introduced by means of lithographic methods, the diameter of which is selected as a function of the desired outer diameter of the resulting nanotubes, now after exposure and resist development by a directional etching process at an angle of approx.
  • the layer on which the ferromagnetic carbon nanotubes do not grow is thinned at the points not covered with photoresist so that holes i n the depth are formed, which correspond • ren the desired length of Nanoröh-, then the bottom of the holes is coated with a catalytically active metal layer, hereinafter referred to primarily in the holes by means of chemical vapor deposition (by pyrolysis of metallor- ganic compounds and / or hydrocarbons) carbon nanotubes partially filled with the ferromagnetic materials are deposited, then superficial protrusions are removed by a directional etching process, then those partially with the ferromagnetic Materials filled nanotubes optionally a thermal treatment ⁇ lung are subjected, and then the nanotubes a) on the open side with diagnostically and / or therapeutically active compounds, sealed with a biocompatible and degradable in the body or disclose polymer or gel which detached from the substrate and optionally biofunctionalized on the surface by means of a carrier compound or b
  • Metal locenes of the elements iron, cobalt, nickel or their mixtures, carbonyls of these metals or their mixtures or other organometallic compounds of these elements are used individually or as mixtures, optionally in a mixture with readily thermally decomposable platinum compounds, as starting materials for chemical vapor deposition.
  • the nanotubes that can be produced with the method according to the invention have outer diameters between 10 and 100 nm and preferably a maximum
  • ferromagnetic carbon nanotubes can be produced by chemical vapor deposition (Chemical Vapon Deposition, CVD) (A. Leonhardt et al. In “Diamond and Related Materials 3-7: 790-793 (2002)")
  • CVD chemical Vapon Deposition
  • the nanotubes of the invention should contain sufficient ferromagnetic filling, for example, to also be used in hyperthermia, be associable.
  • the growth of the nanotubes as partially filled tubes can be carried out according to the invention using a Two-zone furnaces can be realized, the sublimation of the metal-containing compound used being implemented in the first low-temperature zone and the thermal decomposition of the sublimed compound and the hydrocarbon used being carried out in the high-temperature zone.
  • the temperature ranges are advantageously realized spatially separated.
  • the temperature for the decomposition of the individual starting materials can also be advantageous to control the temperature for the decomposition of the individual starting materials separately and thus to switch from a two-zone furnace to a multi-zone furnace.
  • the composition of the individual ferromagnetic components in the carbon nanotubes can then also be controlled in a simple manner by the temperature for the decomposition of the individual components.
  • the sublimed metallocenes Fe, Co, Ni
  • carbonyls of these metals or organometallic compounds see individually or as a mixture over a metal-coated
  • Substrate (preferably Fe) transported.
  • a hydrocarbon can optionally be added to the gas.
  • the location of the nanotube growth is determined by the location of the catalytic metal particles on the precoated substrate.
  • the length of the filled tubes is determined by the duration of the CVD process, the sublimation temperature and thus the concentration of the precursors, the reaction temperature and the flow conditions in the reactor.
  • the growth of an empty carbon tube can first be achieved by introducing only the hydrocarbon (eg acetylene) and thereby the tubes into the
  • Holes which are coated with the catalyst grow unfilled and then the tubes continue to grow filled by changing the gas phase (introduction of an organometallic compound and termination of the hydrocarbon supply).
  • This change in the gas phase e.g. metallocene / acetylene Change
  • two- or multi-component alloys are used as the catalytic metal coating on the bottoms of the etched holes in the process described
  • Single-walled nanotubes can also be produced by strongly shifting the ratio of metal component to carbon component to the side of the metal component in the gas phase in such a way that the carbon component is completely converted in the gas phase.
  • the nanotubes produced can be thermally treated before the biofunctionalization so that the carbon shell is stable enough for biofunctionalization or for the connection of carrier molecules which are intended to bring the nanotubes to the site of action. This would require approx. 3,000 ° C to 4,000 ° C.
  • this thermal treatment is carried out as a plasma chemical treatment in an argon or argon / hydrogen atmosphere (at approx. 800 ° C. to 900 ° C.), as a result of which any structural defects in the carbon shell can be effectively healed and thereby a high one Degree of crystalline perfection is achieved.
  • the ferromagnetic filling which may also be carbide or paramagnetic
  • Components can contain, subsequently (but before the biofunctionalization) thermally treated and converted in such a way that the filling consists exclusively of the ferromagnetic modifications (usually the ⁇ -modifications) of the elements iron, cobalt or nickel.
  • the subsequent thermal conversion can take place, for example, by annealing, in the case of an iron filling at approx. 650 ° C., just below the Curie temperature.
  • the annealing temperature for nickel fillings is 350 ° C Cobalt filling at 1000 ° C.
  • alloy fillings e.g. Ni / Co
  • Annealing temperature can be selected, which, depending on the composition of the alloy, lies between the Curie temperatures of the individual components (here between 350 and 1000 ° C).
  • thermal treatment therefore means a plasma-chemical treatment for healing structural defects in the carbon shell and / or a thermal treatment of the filling in order to achieve an exclusively ferromagnetic filling.
  • the directional etching with ions is preferably carried out by means of IBE (Ion Beam Etching), RIBE (Reactive Ion Beam Etching) or CAIBE (Chemical Assisted Ion Beam Etching).
  • the biocompatible and biodegradable polymer with which the nanotubes produced can be closed is, for example, polyethylene glycol, a copolymer of lactic acid and glycolic acid, a copolymer of lactic acid, glycolic acid and PEG or other structurally related polymers.
  • the release of an active ingredient from the nanotubes depends on the type of polymer or gel used. Hydrogels which contain water as a solvent have proven to be particularly favorable. These hydrogels are harmless to health and have favorable thermosensitive swelling behavior. For example, hydroxypropyl
  • thermo-reversible connection can be achieved by further crosslinking with divinyl sulfone, but this entails high toxicity.
  • This problem can be solved by crosslinking on an isocyanate basis, since a urethane bond is formed in the course of the reaction.
  • such polymers / gels are used to close the nanotubes, the swelling and shrinking behavior of which can be influenced in a defined manner by varying the degree of crosslinking.
  • a reversibly adjustable degree of swelling between 100% and> 1,500% can be achieved. With this type of release is above the
  • Such gels are e.g. Block copolymers based on PNIPAAm (poly (N-isopropylacrylamide)).
  • the block copolymers should be produced with a modified poly (ethylene oxide) PEO macroinitiator by ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization).
  • ATRP Atom Transfer Radical Polymerization
  • the temperature of the volume increase can be in sufficiently wide temperature ranges, e.g. can be set to 47 ° C and the opening of the nanotubes can be achieved by increasing the volume of the polymer.
  • variants F1 or F2 are known.
  • the solubility properties of the gels used can vary according to the expected environmental conditions, e.g. Tissue, blood or other body fluids can be adjusted and thus the opening of the nanotubes in the body can be controlled.
  • Filling the unilaterally opened nanotube with a diagnostically and / or therapeutically active compound can e.g. by separating this compound from the gas phase.
  • a diagnostically and / or therapeutically active compound can e.g. by separating this compound from the gas phase.
  • These can also be fullerenes containing metal ions, for example.
  • the nanotubes produced and partially filled with ferromagnetic materials which are still open at one end, are alternately filled with therapeutically / diagnostically active compounds and biocompatible polymers, the biocompatible polymers being selected such that each is different from the other Conditions, preferably at a different temperature in the body is degradable.
  • partially ferromagnetically filled carbon nanotubes of basic type 1 (FIG. 6) and basic type 2 (FIG. 7) are produced.
  • the nanotubes are first filled and then unfilled to such a length that in process step a), after filling with a first active ingredient and sealing with a first polymer / gel (polymer 1), another active ingredient or the same Active ingredient can be introduced again and with a second, for example degradable in the body at a lower temperature, polymer / gel (polymer 2) is closed.
  • a first polymer / gel polymer 1
  • another active ingredient or the same Active ingredient can be introduced again and with a second, for example degradable in the body at a lower temperature
  • polymer / gel polymer 2
  • the active ingredient concentration can be kept constant over a longer period of time.
  • the nanotubes are manufactured as described above in such a way that the ferromagnetic filling is included in the center and the same or different active substances are enclosed on both sides by polymers / gels that are degradable in the body at different temperatures. Since nanotubes are closed on one side during the manufacturing process, they have to be opened on the closed side. This is preferably achieved with an argon / oxygen low-pressure plasma.
  • the closing of the nanotubes filled with active ingredient is preferably by means of
  • bio-functionalization of the nanotubes according to the invention on the outer surface is carried out using known methods. These are described in detail in EP 0625055, for example.
  • the biofunctionalization can be carried out, for example, via a covalent substitution on the carbon shell or, as described above, a closable polymer cap.
  • Functional group means a chemical group that can bind to a specific component and thus associates the nanocontainer with a specific component. Examples include monoclonal or polyclonal antibodies, Fab fragments of polyclonal and Fab2 fragments of monoclonal antibodies, fused and unfused single and multi-chain recognition motifs.
  • the biofunctionalization of the outer surface of the carbon nanotubes is carried out in such a way that the nanotubes are partially provided with a metal on the outside, which enables the targeted connection of the diagnostically and / or therapeutically active compounds at this point.
  • Holes in the gold layer according to embodiment 1 are not first deposited as a metal which acts catalytically for the growth of the nanotubes, but rather a metal which is preferred for binding the biomolecules, e.g. Niobium and only in the subsequent coating step the catalytically active metal. After removal of the photoresist, this is also done here
  • Embodiment 1 the growth of the ferromagnetic partially filled carbon nanotubes.
  • growth takes place starting from the metal layer and implementing these metal parts.
  • the niobium is not removed from the ferromagnetic and possibly agent-filled nanotubes and is therefore available for binding the biomolecules.
  • the partially coated portion is located opposite the nanotube opening that is closed by the biocompatible polymer.
  • nanotubes are subjected to the necessary cleaning and rinsing processes, the nanotubes being held to the vessel wall by permanent magnets. After that, they are ready for use according to pharmaceutical formulation for diagnosis and / or therapy.
  • the manufacturing process cedures, preparation, functionalization and galenical formulation are always carried out under sterile conditions as are customary for the production of pharmaceutical agents.
  • Carbon nanotubes are decisively determined or co-determined by the diameter of the structure etching, the length of the biofunctionalized carbon nanotubes by the depth of this etching in the gold layer. This is the only way - in contrast to other manufacturing methods - that close tolerances in the end product can be maintained.
  • the use of substrates can in principle be dispensed with and the ferromagnetically filled carbon nanotubes can be represented as "powder" in the CVD reactor.
  • the biofunctionalization takes place in an analogous manner after the additional chemical cleaning steps then required.
  • diagnostic units are understood to be biomolecules, elements with atomic numbers above 50, chromophores or fluorophores.
  • therapeutically active units are molecules which represent chemically or genetically engineered pharmaceutical active substances, e.g. B. Chemotherapy drugs.
  • biomolecules are preferably peptides, proteins, nucleic acids, antibodies, their fragments, enzymes, hormones or polysaccharides.
  • the diagnostically effective biomolecules are affinity molecules for specific recognition and binding to one or more target molecules.
  • These can be, for example, peptides or proteins (e.g. antibodies, receptors, antigens, lectins, avidine oligopeptides, lipoproteins, glycoproteins, peptide hormones), nucleic acids, carbohydrates or ligands with a low molecular weight.
  • the nanotubes according to the invention can be used on the outer surface exclusively or in addition to the diagnostic or therapeutic inputs.
  • Carrier molecules such as cationic lipids or antibodies, carry the
  • biomolecules and / or carrier molecules associated on the outer surface of the tube can be conjugated or bound directly or via a linker.
  • the invention also relates to the carbon nanotubes produced in this way.
  • the carbon nanotubes according to the invention can advantageously be used for therapy.
  • the biomolecules on the surface of the nanotube allow, for example, the nanotubes to be transported to a specific biological unit (cell, tissue or organ) in the body.
  • a nanotube coated with antibodies is transported in the body to the corresponding antigen.
  • the carbon nanotubes according to the invention can contain an active ingredient, e.g.
  • an antitumor agent doxorubicin (trade name Adriamycin), paclitaxel and its derivatives (taxol, taxanes, etc.), vincristine, carboplatin, cisplatin, epirubicin, fluorouracil, ifosfamide, methotrexate, mitomycin, vinblastine, irinotecan, or containing mitoxantruide, in the desired target region, e.g. the tumor can be transported.
  • the carbon nanotubes according to the invention can also function as depot forms, which release the drug with a defined delay, the depot function being realized by various sections of the tube containing the active substance, the boundaries of which are gradually broken down and the active substance is thus released at different times and in doses. The gradual dismantling can e.g. depending on the temperature.
  • the carbon nanotubes according to the invention to enclose a nucleic acid-based vector which carries the therapeutic gene or parts thereof, and to bring this into contact with the tissue at the desired site of action in order to increase the efficiency of the To increase gene transfection and expression. It is also possible to bring the viral vector that carries the therapeutic gene onto the surface of the carbon nanotubes. Due to external magnetic fields This carrier can then be kept at the destination to keep the virus in for extended periods
  • nanotubes according to the invention are excited by a magnetic field or thermally to absorb heat, which they then transmit to the focus of the disease, e.g. the tumor.
  • nanotubes with a length between approximately 10-20 ⁇ m into malignant tissue, so that local concentration and the release of active substance or thermal excitation can take place there.
  • the nanotubes are additionally provided with diagnostic units, tumor diagnosis (primary tumor, recurrence and / or metastasis) can be carried out pretherapeutically.
  • tumor diagnosis primary tumor, recurrence and / or metastasis
  • the nanotubes can also be biofunctionalized in such a way that they are increasingly taken up by tumor cells (cf. Example 2).
  • An alternative therapeutic approach uses a magnetically-based in vivo movement of nanotubes of minimal dimensions, the length of which does not exceed 100 nm: with miniaturized super magnets that are implemented in a targeted manner, individually or multiple, temporarily peritumoral, biofunctionalized nanotubes can be used systemically or in close proximity to the focus of the tumor into a body fluid, concentrated at the focus of the tumor.
  • the efficiency of this transfer can be directly influenced by various parameters (e.g. strength of the magnetic field and degree of filling of the nanotubes).
  • the miniaturized super magnets are explanted again.
  • nanotubes are irradiated ex vivo, whereby the iron, which is the partial filling of the nanotubes, is converted to radioactive iron. These radionuclides can then be used as a therapeutic agent, packaged in the form of a nanotube.
  • the ferromagnetic carbon nanotubes according to the invention are also very suitable for diagnosis even without enclosed or associated biomolecules in the outer surface, since they can be excited magnetically and / or thermally by the ferromagnetic properties.
  • the biomolecules associated on the carbon surface have the advantage that additional binding to and transport to the target molecule can take place.
  • the invention also relates to the use of the carbon nanotubes produced according to the invention as a diagnostic and / or therapeutic agent, in particular for tumor diagnosis and therapy.
  • the diagnostic and / or therapeutic agent is provided by formulating the physiologically compatible carbon nanotubes produced according to the invention with pharmaceutically compatible adjuvants.
  • auxiliaries in the sense of the invention are formulation auxiliaries, such as e.g. Carriers, antioxidants, stabilizers or buffers.
  • the pharmaceutical compositions are intended for i.v. application.
  • the appropriate infusion or injection solutions are preferably provided with physiological saline.
  • the diagnostic or therapeutic agents can also i.m., i.p. or administered orally.
  • the CNTs are peri- or intratumoral, i.e. injected into the adjacent tumor tissue or directly into the tumor.
  • the invention thus also relates to a method for diagnosing and / or treating a tumor disease, in particular bladder and prostate cancer, in which the subject has an effective amount, preferably 10 mg to. 500 mg per target lesion depending on the size of the tumor which is administered according to the invention carbon nanotubes.
  • the ferromagnetically filled and biofunctionalized carbon nanotubes produced by the method according to the invention have a number of significant advantages over the prior art. They are especially special in their geometrical dimensions and their magnetic properties can be produced in a defined manner and can also be specifically filled through the possibility of controlled opening and closing. Through the process control in the representation of the carbon nanotubes according to the invention, it is also possible to influence the number of carbon shells around the core and thus to adapt the chemical resistance to the desired conditions of use. Single-wall ferromagnetic carbon nanotubes are being produced for the first time.
  • the CNTs produced according to the invention are extremely stable. In contrast to any other manufacturing method previously described for nanoparticles, the nanotubes can be partially provided with another metal on the outside, which enables the targeted connection of biomolecules at these locations.
  • Agent-filled nanotubes can advantageously be realized by growth and manipulation of the nanomaterials on substrates.
  • Figures 1 to 4 show the basic sketch for the production.
  • Fig. 1 shows a substrate with a 5 nm thick Fe layer on Au and on photoresist.
  • Fig. 2 shows the substrate with partially filled nanotube after the CVD
  • Fig. 3 shows the substrate after shortening, filling and sealing the nanotubes.
  • Fig. 4 shows the end product after etching the Au layer and processing the functionalized nanotubes.
  • a thermally oxidized silicon wafer with an oxide layer thickness of 1 ⁇ m serves as the substrate.
  • suitable coating methods - e.g. thermal Evaporation - a 200 nm thick gold layer is applied to the entire surface of this substrate.
  • a 1 ⁇ m thick photoresist layer is applied.
  • a regular dot pattern is realized using lithographic methods, for example electron beam lithography.
  • the individual structures have a diameter of 80nm at a distance of 400nm. The later outer diameter of the carbon nanotubes can be significantly determined by the size of these structures.
  • the substrates are rinsed in ultrapure water and dried.
  • Argon ion beam etching at an angle of 90 ° relative to the sample surface partially thinned the 200nm thick gold layer - at the locations that are not covered with photoresist - so that holes about 150nm deep were created in the Au layer.
  • the later length of the biofunctionalized nanotubes is determined by this etching depth.
  • This etching process is carried out under the following conditions: etching gas: argon, pressure: 6x10 "4 mbar, acceleration voltage: 400V, microwave power: 170 W.
  • the etched substrates are subjected to a further coating with the photoresist still present.
  • An approximately 5 nm thick iron layer is deposited by electron beam evaporation and the coated substrate is subsequently treated in acetone (15 min).
  • the photoresist is detached and the Fe layer portions deposited on the photoresist are lifted off.
  • the catalytic Fe components are now only in the deeper etched Au areas. Before the actual production of the nanotubes begins, it is advantageous to clean the pre-structured substrate in a hydrogen plasma.
  • the pre-structured substrate is then heated to 900 ° C. in the reaction zone of a chemical vapor deposition (CVD) reactor.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the CVD reactor used allows the temperature in several zones to be set independently of one another and the growth process to be carried out under inert gas or vacuum conditions.
  • Ferocenes 0.3 g in a crucible
  • This precursor is sublimed at a temperature of 180 ° C outside the actual reaction zone.
  • argon is used as a carrier gas, which sublimates the precursor into the actual reaction zone transported.
  • the metallocene used here is both
  • Source of ferromagnetic material as well as source of carbon for the shell under the realized conditions, completely Fe-filled carbon tubes are deposited within the first 3 minutes, preferably within 1 minute, about 50 nm long.
  • the temperature of the metal precursors is now very quickly reduced from 180 ° C to a temperature ⁇ 100 ° C and a gaseous hydrocarbon (acetylene) is introduced into the reactor. This ensures that after a short time only the hydrocarbon is in the gas phase and the nanotubes only continue to grow unfilled, since no further filler material from the gas phase is offered.
  • acetylene acetylene
  • the carbon nanotubes produced can have a variation in length.
  • they are subjected to a directional etching process in the subsequent technology step.
  • the portions above the unetched Au surface are removed by argon ion beam etching at an angle of 8 ° relative to the sample surface.
  • This etching process is carried out under the following conditions: etching gas: argon, pressure: 6x10 "4 mbar, acceleration voltage: 400V, microwave power: 170 W.
  • the partially ferromagnetically filled carbon nanotubes are thus open on the side facing away from the substrate and can be treated with a first agent, e.g. a therapeutic agent can be partially filled.
  • a first agent e.g. a therapeutic agent can be partially filled.
  • the length of the agent filling is e.g. 20nm.
  • the still unfilled part of the carbon nanotube is filled with a biocompatible polymer that is degradable in the body at a certain temperature.
  • This biocompatible polymer is e.g. Degradable at 42.5 ° C. If necessary, additional sections with alternating proportions of agent and biocompatible polymer can be realized.
  • the release of the therapeutic agent can be controlled by changing the temperature in the later therapeutic application.
  • the change in temperature can can be easily controlled via the energy converted in the ferromagnetic filling.
  • the biocompatible polymers must therefore be selected so that the polymer that closes the tube is first broken down at the lowest temperature and then the further polymers are gradually broken down as the temperature increases gradually, so that one active ingredient is released after the other. If the same active ingredient is found in the individual sections of the tube, a delayed release (depot form, sustained release) can be achieved in this way.
  • the functionalized carbon nanotubes are separated from the substrate. For this, the gold on the substrate is treated in a solution (consisting of 0.06 mol / l KJ, 0.09 mol / l J 2 and 0.005 mol / l alcohol) for 10 min.
  • the gold located under the functionalized nanotubes is removed, thereby removing the hold from the nanotubes.
  • the nanotubes are now in the etching solution. Since the partially filled nanotubes have ferromagnetic properties, they can easily be held on the vessel wall by a permanent magnet. In this state, rinsing with water to remove the etchant residues is possible.
  • the use of permanent or electromagnets simultaneously separates the ferromagnetically filled from the insufficiently ferromagnetically filled nanotubes.
  • the insufficiently filled tubes are removed with the water.
  • the etchant residues can also be removed by flushing using ultrasound. It is advantageous to add a volume fraction of at least 1% alcohol to the water.
  • the outer surface of the tubes is biofunctionalized in solution. Analogous to the possibilities described in the literature for the functionalization of carbon nanotubes (Zheng et al. (2003), Nature Materials 2: 338-342), individual carbon
  • Nanotubes for example, are bound with single-stranded (ssDNA) and therapeutically active DNA molecules via " ⁇ -stacking".
  • the binding of an ssDNA molecule is achieved via various mechanisms and can take place partially or over the full length of this structure, whereby Examples include a helical packaging with left and right turns and a simple surface adsorption.
  • Such a dispersion functionalizes the carbon nanotube per se, since the hybrids are negatively charged due to the phosphate group of the ssDNA molecule.
  • This dispersion can also be used, for example short double-stranded DNA molecules (dsDNA), siRNA constructs or RNA molecules.
  • the carbon nanotube serves as a combined carrier-shuttle functional unit for the transport of therapeutically active substances to a site of action in the body of a living being.
  • a structural unit can also be encased and moved using an additional carrier, for example a cationic lipid.
  • PCa Advanced prostate cancer
  • the nanotubes can be labeled with choline, which leads to a relatively increased uptake by the tumor cells (in comparison to the surrounding, non-malignant cells)
  • the metastatic foci can be represented in this way from a size of a few millimeters, and can be treated immediately afterwards.
  • Fig. 5 shows the clinically local therapy against superficial tumors of the human urinary bladder (bladder carcinoma, BCa) using the carbon nanotubes produced according to Example 1, which are coated with antisense DNA constructs.
  • the tumor is removed using electroresection.
  • the resection margins (sediment margins after removal of the tumor mass) become corresponding
  • the carbon nanotubes produced in accordance with Example 1 are excited after application and targeting to a bladder carcinoma (BCa) by external radiation to absorb heat. Their localization requires a local heating of the tumor tissue and thus a therapy-efficient and selective destruction of tumor cells.
  • the carbon nanotubes according to the invention can be used to diagnose (locate) this tumor if they carry appropriate diagnostic units. This enables a timely and metered combination of tumor diagnosis and tumor treatment.
  • Carbon nanotube in an EJ28 tumor cell (before hyperthermia treatment).
  • a CNT solution (without cells, left) can be characterized using FACS (presentation of the overall result for 2x10E4 cells examined), whereby the detectable particles have a wide range of granularity, which indicates a significant adhesion or clustering of the CNT. If untreated cells (middle) are compared with the same cells, which are incubated for 2 h with a CNT solution and treated as in Example 5 (trypsinization and centrifugation) (right side), you can see a clear one
  • Figure 8 shows magnetization curves of Fe-filled carbon nanotubes, transferred into tumor cells, whereby these cells were recovered from treated tissue.
  • the magnetization curves show a typical ferromagnetic behavior of the Fe-filled carbon nanotubes taken up in the cells. A pronounced anisotropy cannot be demonstrated by the measurements. This is not to be expected due to the lack of preferential orientation in cells.
  • the level of saturation magnetization is clearly dependent on the transferred amount of ⁇ -iron in the filled carbon nanotubes.
  • a correlation of the detected elementary magnetic units (emu) which is directly related to the mass of the ⁇ -iron absorbed into the cells, proves that enough iron was absorbed into the cells for successful hyperthermia.
  • PC3 cells PCa xenograft tumor of human origin
  • PC3 cells PCa xenograft tumor of human origin
  • rough tissue sections with a thickness of 5 mm were obtained and transferred to the solution of the measuring chamber.
  • an intratumoral injection of a CNT solution 100 ⁇ g CNT in total, at 6 different injection sites, distributed over the tissue section area
  • the marked injection sites (marked and coupled with heat sensors by contact-free heating of the CNTs to a temperature of 44 ° C (average temperature in a 3 mm radius around the injection site or sensor location) were then heated by applying an external magnetic field. When this temperature was reached There was a change in conformity of polymer / gel 1 with subsequent release / exposure of carboplatin
  • the local antitumor effect of the therapeutic agent was determined by comparative studies with a placebo (filling with a non-toxic polymer) using a histological (TUNEL assay for late apoptosis detection) and Pathomorphological detection of apoptosis / necrosis in the tissue section in the period 24-96 h after release of the therapeutic agent or by FACS analysis (Annexin-V-PI analysis to detect early and late apoptosis and necrosis). Furthermore, some cuts were half
  • CNT-based heated tissue sample Hours after the release of carboplatin and non-contact heating heated to 48 ° C, the melting point of the second polymer (hereinafter referred to as CNT-based heated tissue sample).
  • the detection of the release of nucleic acid fragments was carried out by specific PCR detection of the non-human fragment (luciferase gene fragment), two different tissue samples serving as controls, which on the one hand filled with the same amount of CNT, but had not been heated (negative control 1) and, on the other hand, tissue samples without CNT injection, but with magnetic field treatment like CNT-injected sample (negative control 2). It could be clearly and exclusively for the double, CNT-based heated tissue sample that after the carboplatin release also at a locally detected temperature of 48 ° C, luciferase DNA fragments were released into the injected tissue.
  • An anesthetized nude mouse which had carried a PCa xenograft tumor (PC3 cells, as in Example 8) of 1 cm maximum diameter subcutaneously, is fixed in the measuring chamber according to Fig. 9.
  • CNT according to Example 8 total dose 200 ⁇ g
  • an external magnetic field is applied after 2 h.
  • a frequency of 40 kHz was realized in a magnetic field of 15 kA / m.
  • Tissue removal Tissue removal. TEM examinations of the outer tumor edges of the tumor confirmed the accumulation of CNT in and between tumor cells. Under histological control (H&E staining), therapy-induced antiproliferative effects (apoptosis induction) were also detected in the outer tissue areas.
  • H&E staining histological control
  • therapy-induced antiproliferative effects apoptosis induction
  • a second mouse was like above the. A second mouse was treated identically as described above, only after reaching target temperature 1 (44 ° C) was treatment continued in the magnetic field until target temperature 2 (48 ° C) was reached. The nucleic acid fragments released in this way could be made visible via a non-radioactive label in the tissue association.

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Abstract

The invention relates to a method for producing single-wall or multiple-wall carbon nanotubes (CNTs) that are ferromagnetically filled in part with iron, cobalt, nickel, an alloy thereof, or an alloy of said elements and platinum while carrying biomolecules which are enclosed within the tube and/or are associated with the outer surface of the tube. In a preferred embodiment of the invention, the disclosed nanotubes can contain two or several active substances in the tube which are released one after another when used in the body. The invention further relates to the use of the inventive carbon nanotubes that are ferromagnetically filled in part for diagnostic and therapeutic purposes, especially for the diagnosis and treatment of tumors.

Description

Verfahren zur Herstellung von partiell ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff- Nanoröhren, die Biomoleküle tragen, und deren Verwendung in Diagnose und Therapie Process for the production of partially ferromagnetic carbon nanotubes carrying biomolecules and their use in diagnosis and therapy
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von partiell ferromagnetisch gefüllten ein- oder mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nanotubes, CNTs), die mit Eisen, Kobalt, Nickel oder einer Legierung daraus oder einer Legierung dieser Elemente mit Platin gefüllt sind und Biomoleküle tragen, wo- bei die Biomoleküle in der Röhre eingeschlossen und/oder mit der äußerenThe invention relates to a process for the production of partially ferromagnetically filled single or multi-walled carbon nanotubes (carbon nanotubes, CNTs) which are filled with iron, cobalt, nickel or an alloy thereof or an alloy of these elements with platinum and carry biomolecules where - with the biomolecules enclosed in the tube and / or with the outer
Oberfläche der Röhre assoziiert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die erfindungsgemäßen Nanorohren in der Röhre zwei oder mehrere unterschiedliche Wirkstoffe beinhalten, die bei der Anwendung im Körper nacheinander freigesetzt werden. Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen partiell ferromagnetisch gefülltenSurface of the tube are associated. In a preferred embodiment of the invention, the nanotubes according to the invention can contain two or more different active substances in the tube, which are released one after the other when used in the body. The invention also relates to the use of the partially ferromagnetically filled materials according to the invention
Kohlenstoff-Nanoröhren in Diagnose und Therapie, insbesondere der Tumordiagnose und -therapie.Carbon nanotubes in diagnosis and therapy, especially tumor diagnosis and therapy.
Es besteht nach wie vor ein Bedarf an diagnostischen und therapeutischen Mitteln, die in der Human- oder in der Veterinärmedizin verwendet werden können.There is still a need for diagnostic and therapeutic agents that can be used in human or veterinary medicine.
Aus der Literatur sind bereits Nanopartikel zur Anwendung in Diagnostik und Therapie bekannt. So werden z. B. in der Patentschrift EP 0625055 (DE 69328550 T2) fullerenartige Verbindungen mit magnetischen Molekülen, Ionen usw. versehen und insbesondere für diagnostische Bildgebungsverfahren eingesetzt. Ziel ist hierbei die Realisierung möglichst kleiner und damit su- perparamag netischer Teilchen, was für die angestrebten Kontrastmittel in diagnostischen Bildgebungsverfahren sinnvoll ist. Aufgrund des superparamag netischen Zustandes ist aber eine Energieumsetzung und damit neben der Dia- gnostik eine therapeutische Anwendung, z. B. in der Hyperthermie, nur eingeschränkt möglich.Nanoparticles for use in diagnostics and therapy are already known from the literature. So z. B. in the patent EP 0625055 (DE 69328550 T2) fullerene-like compounds with magnetic molecules, ions, etc. and used in particular for diagnostic imaging methods. The aim here is to realize particles that are as small as possible and thus superparamagnetic, which is useful for the contrast agents sought in diagnostic imaging methods. Due to the superparamagic state, however, an energy conversion and thus, in addition to the diagnosis, a therapeutic application, eg. B. in hyperthermia, only possible to a limited extent.
Aus der Literatur sind auch magnetische Nanopartikel zur Anwendung in Diagnose und Therapie bekannt (vergleiche z.B. Q. A. Pankhurst et al., J. Phys. D.: Appl. Phys. 36 (2003), R161-R181 ). Sie zeigen aber eine unregelmäßigeMagnetic nanoparticles for use in diagnosis and therapy are also known from the literature (compare, for example, QA Pankhurst et al., J. Phys. D .: Appl. Phys. 36 (2003), R161-R181). But they show an irregular
Geometrie und weisen in ihrer Struktur einen erheblichen Anteil von nanokri- stalliner oder amorpher Phase auf. Das beeinflusst die magnetischen Eigenschaften ungünstig. Für einen hohen Energieumsatz, z. B. für die Anwendung in der Hyperthermie wird eine möglichst große Fläche unter der Magnetisie- rungskurve angestrebt. Die bekannten magnetischen Nanopartikel sind für diese Anwendung nicht optimal und erlauben daneben auch keine gleichzeitige Beladung mit mehreren Therapeutika und/oder Diagnostika.Geometry and have a considerable proportion of nanocrystalline or amorphous phase in their structure. This adversely affects the magnetic properties. For a high energy turnover, e.g. B. For use in hyperthermia, the largest possible area under the magnetization curve is sought. The known magnetic nanoparticles are not optimal for this application and also do not allow simultaneous loading with several therapeutic agents and / or diagnostic agents.
In diagnostischen und therapeutischen Mitteln wird darüber hinaus eine sehr enge Toleranz in den geometrischen Abmessungen und dem diagnostisch/therapeutischen Volumen der Wirkphase angestrebt. Diese Forderungen können mit den geometrisch unregelmäßigen Nanopartikeln nicht erreicht werden.Diagnostic and therapeutic agents also strive for a very tight tolerance in the geometric dimensions and the diagnostic / therapeutic volume of the active phase. These requirements cannot be met with the geometrically irregular nanoparticles.
Aufgabe der Erfindung war es deshalb, universell als diagnostische und therapeutische Mittel nutzbare magnetische Verbindungen bereitzustellen, die vorteilhafterweise gleichzeitig sowohl als Diagnostika als auch als Therapeutika für die gleiche Krankheit dienen können und gegebenenfalls mehrere therapeutische Wirkstoffe tragen können oder als Depotform realisierbar sind. Aufgabe der Erfindung war es insbesondere, ein Verfahren zur Herstellung anzugeben, mit dem solche Verbindungen in ihren geometrischen Abmessungen und ihren magnetischen Eigenschaften stabil und definiert herstellbar sind.The object of the invention was therefore to provide magnetic compounds which can be used universally as diagnostic and therapeutic agents and which can advantageously simultaneously serve both as diagnostic agents and as therapeutic agents for the same disease and, if appropriate, can carry several therapeutic agents or can be implemented as a depot form. The object of the invention was, in particular, to specify a method for producing such connections with their geometric dimensions and their magnetic properties can be produced in a stable and defined manner.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen dar.The object of the invention is achieved according to the independent claims. The subclaims represent preferred embodiments.
Es wurde gefunden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren partiell ferromagnetisch, mit Eisen, Kobalt, Nickel oder einer Legierung daraus oder einer Legierung von Eisen, Kobalt, Nickel mit Platin, gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhren, gezielt und reproduzierbar hergestellt werden können und in gewünschter Weise biochemisch funktionalisiert werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Metallfüllung zu einem hohen Volumenanteil ein- oder polykristallin und weist ein Längen-Breiten-Verhältnis größer 1 auf. Bevorzugt ist die Metallfüllung in den Nanorohren nur partiell ausgebildet, um das verbleibende Volumen für diagnostisch und/oder therapeutisch wirksame Verbindungen zur Verfügung zu haben. Eine 10 prozentige ferromagnetische Füllung ist beispielsweise schon ausreichend, um die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanoröhren in Bildgebungsverfahren, z. B. der MRI, zu verwenden. Erfindungsgemäß besitzt die ferromagnetische Füllung in der Kohlenstoff- Nanoröhre eine höhere Koerzitivfeldstärke als das gleiche ferromagnetische Material im bulk material.It has been found that with the method according to the invention, partially ferromagnetic, with iron, cobalt, nickel or an alloy thereof or an alloy of iron, cobalt, nickel with platinum, filled carbon nanotubes can be produced in a targeted and reproducible manner and in the desired manner biochemically can be functionalized. In a preferred embodiment of the invention, the metal filling is monocrystalline or polycrystalline to a high degree by volume and has a length-width ratio greater than 1. The metal filling in the nanotubes is preferably only partially formed in order to to have the remaining volume available for diagnostically and / or therapeutically active compounds. A 10 percent ferromagnetic filling, for example, is already sufficient to use the carbon nanotubes according to the invention in imaging processes, e.g. B. the MRI to use. According to the invention, the ferromagnetic filling in the carbon nanotube has a higher coercive force than the same ferromagnetic material in the bulk material.
Die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanoröhren können mehrwandig, aber auch einwandig sein. Die einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren sind für die er- findungsgemäße Verwendung bevorzugt und wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmalig hergestellt.The carbon nanotubes according to the invention can be multi-walled but also single-walled. The single-wall carbon nanotubes are preferred for the use according to the invention and were produced for the first time using the method according to the invention.
Die erfindungsgemäßen partiell ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff- Nanoröhren werden hergestellt, indem ein Substrat ganzflächig mit einer Schicht versehen wird, auf der die ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff- Nanoröhren nicht wachsen, z.B. einer Goldschicht, wobei deren Dicke in Abhängigkeit von der gewünschten Länge der Nanorohren ausgewählt ist, anschließend auf diese Schicht eine Fotolackschicht aufgebracht wird, nachfolgend mittels lithographischer Methoden ein Dotmuster in Form von Löchern, vorzugsweise zylindrischen Löchern, gleicher Größe eingebracht wird, wobei deren Durchmesser in Abhängigkeit von dem gewünschten Außendurchmesser der resultierenden Nanorohren ausgewählt ist, nun nach Belichtung und Resi- stentwicklung durch ein gerichtetes Ätzverfahren unter einem Winkel von ca. 90 ° die Schicht, auf der die ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren nicht wachsen, an den nicht mit Fotolack bedeckten Stellen so abgedünnt wird, dass Löcher in der Tiefe entstehen, die der gewünschten Länge der Nanoröh- ren entsprechen, anschließend der Boden der Löcher mit einer katalytisch wirkenden Metallschicht beschichtet wird, nachfolgend in den Löchern mittels chemischer Gasphasenabscheidung vorwiegend (durch Pyrolyse von metallor- ganischen Verbindungen und/oder Kohlenwasserstoffen) partiell mit den ferro- magnetischen Materialien gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhren abgeschieden werden, danach oberflächlich überstehende Anteile durch ein gerichtetes Ätzverfahren entfernt werden, anschließend die partiell mit den ferromagnetischen Materialien gefüllten Nanorohren gegebenenfalls einer thermischen Behand- lung unterzogen werden und danach die Nanorohren a) über die geöffnete Seite mit diagnostisch und/oder therapeutisch wirksamen Verbindungen befüllt, mit einem bioverträglichen und im Körper abbaubaren bzw. offenbaren Polymer oder Gel verschlossen, vom Substrat gelöst und gegegebenenfalls auf der Oberfläche mittels einer Carrier- Verbindung biofunktionalisiert werden oder b) mit einem bioverträglichen Polymer oder Gel verschlossen, vom Substrat gelöst und auf der Oberfläche mit diagnostisch und/oder therapeutisch wirksamen Verbindungen und gegebenenfalls zusätzlich mittels einer Car- rier-Verbindung biofunktionalisiert werden.The partially ferromagnetically filled carbon nanotubes according to the invention are produced by providing a substrate over the entire surface with a layer on which the ferromagnetically filled carbon nanotubes do not grow, for example a gold layer, the thickness of which is selected depending on the desired length of the nanotubes. subsequently a photoresist layer is applied to this layer, subsequently a dot pattern in the form of holes, preferably cylindrical holes, of the same size is introduced by means of lithographic methods, the diameter of which is selected as a function of the desired outer diameter of the resulting nanotubes, now after exposure and resist development by a directional etching process at an angle of approx. 90 °, the layer on which the ferromagnetic carbon nanotubes do not grow is thinned at the points not covered with photoresist so that holes i n the depth are formed, which correspond ren the desired length of Nanoröh-, then the bottom of the holes is coated with a catalytically active metal layer, hereinafter referred to primarily in the holes by means of chemical vapor deposition (by pyrolysis of metallor- ganic compounds and / or hydrocarbons) carbon nanotubes partially filled with the ferromagnetic materials are deposited, then superficial protrusions are removed by a directional etching process, then those partially with the ferromagnetic Materials filled nanotubes optionally a thermal treatment lung are subjected, and then the nanotubes a) on the open side with diagnostically and / or therapeutically active compounds, sealed with a biocompatible and degradable in the body or disclose polymer or gel which detached from the substrate and optionally biofunctionalized on the surface by means of a carrier compound or b) sealed with a biocompatible polymer or gel, detached from the substrate and biofunctionalized on the surface with diagnostically and / or therapeutically active compounds and optionally additionally by means of a carrier compound ,
Als Ausgangsstoffe werden für die chemische Gasphasenabscheidung Metal- locene der Elemente Eisen, Kobalt, Nickel oder deren Gemische, Carbonyle dieser Metalle oder deren Gemische oder andere metallorganische Verbindungen dieser Elemente einzeln oder als Gemische, gegebenenfalls im Gemisch mit thermisch leicht zersetzbaren Platinverbindungen, eingesetzt.Metal locenes of the elements iron, cobalt, nickel or their mixtures, carbonyls of these metals or their mixtures or other organometallic compounds of these elements are used individually or as mixtures, optionally in a mixture with readily thermally decomposable platinum compounds, as starting materials for chemical vapor deposition.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Nanorohren weisen äußere Durchmesser zwischen 10 und 100 nm und bevorzugt eine maximaleThe nanotubes that can be produced with the method according to the invention have outer diameters between 10 and 100 nm and preferably a maximum
Länge von 500 nm auf.Length of 500 nm.
Es ist prinzipiell bekannt, dass ferromagnetische Kohlenstoff-Nanoröhren mittels chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapon Deposition, CVD) hergestellt werden können (A. Leonhardt et al. in „Diamond and Related Materials 3-7:790-793 (2002)"). Noch nicht beschrieben und nicht trivial ist jedoch die Herstellung von partiell ferromagnetisch gefüllten Nanorohren. Die Nanorohren der Erfindung sollen einerseits genügend ferromagnetische Füllung enthalten, um z.B. auch in der Hyperthermie eingesetzt werden zu können, ande- rerseits müssen auch die Wirkstoffe in genügender Menge einschließbar bzw. assoziierbar sein.It is known in principle that ferromagnetic carbon nanotubes can be produced by chemical vapor deposition (Chemical Vapon Deposition, CVD) (A. Leonhardt et al. In "Diamond and Related Materials 3-7: 790-793 (2002)") However, the production of partially ferromagnetically filled nanotubes is not described and is not trivial. On the one hand, the nanotubes of the invention should contain sufficient ferromagnetic filling, for example, to also be used in hyperthermia, be associable.
Bei der chemischen Gasphasenabscheidung kann das Wachstum der Nanorohren als partiell gefüllte Röhren erfindungsgemäß unter Anwendung eines Zwei-Zonenofens realisiert werden, wobei in der ersten Niedertemperaturbereichszone die Sublimation der eingesetzten metallbeinhaltenden Verbindung realisiert wird und in der Hochtemperaturbereichszone die thermische Zersetzung der sublimierten Verbindung und des eingesetzten Kohlenwasserstoffes durchgeführt wird. Dabei werden vorteilhafterweise die Temperaturbereiche räumlich getrennt realisiert.In chemical vapor deposition, the growth of the nanotubes as partially filled tubes can be carried out according to the invention using a Two-zone furnaces can be realized, the sublimation of the metal-containing compound used being implemented in the first low-temperature zone and the thermal decomposition of the sublimed compound and the hydrocarbon used being carried out in the high-temperature zone. The temperature ranges are advantageously realized spatially separated.
Bei der Verwendung von mehreren Precursoren mit sich deutlich unterscheidenden Sublimationstemperaturen kann es auch vorteilhaft sein, die Temperatur zur Zersetzung der einzelnen Ausgangsstoffe getrennt zu steuern und so von einem Zwei-Zonenofen auf einen Mehr-Zonenofen überzugehen. Die Zusammensetzung der einzelnen ferromagnetischen Komponenten in den Kohlenstoff-Nanoröhren kann dann in einfacher Weise auch durch die Temperatur zur Zersetzung der Einzelkomponenten gesteuert werden.When using several precursors with clearly differing sublimation temperatures, it can also be advantageous to control the temperature for the decomposition of the individual starting materials separately and thus to switch from a two-zone furnace to a multi-zone furnace. The composition of the individual ferromagnetic components in the carbon nanotubes can then also be controlled in a simple manner by the temperature for the decomposition of the individual components.
Es ist vorteilhaft, die Subliamtion der metallbeinhaltenden Ausgangsverbindungen im Temperaturbereich von 100 °C bis 175 °C durchzuführen. Das eigentliche Wachstum der metallgefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren erfolgt vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 850 °C bis 1.050 °C. Hierfür werden die sublimierten Metallocene (Fe, Co, Ni), Carbonyle dieser Metalle oder metallorgani- sehe Verbindungen einzeln oder als Gemisch über ein metallbeschichtetesIt is advantageous to carry out the sublimation of the metal-containing starting compounds in the temperature range from 100 ° C. to 175 ° C. The actual growth of the metal-filled carbon nanotubes advantageously takes place in a temperature range from 850 ° C to 1,050 ° C. For this purpose, the sublimed metallocenes (Fe, Co, Ni), carbonyls of these metals or organometallic compounds see individually or as a mixture over a metal-coated
Substrat (vorzugsweise Fe) transportiert.Substrate (preferably Fe) transported.
Dem Gas kann wahlweise ein Kohlenwasserstoff zugegeben werden. Der Ort des Nanoröhren-Wachstums wird durch den Ort der katalytischen Metallpartikel auf dem vorbeschichteten Substrat bestimmt. Die Länge der gefüllten Röhren wird durch die Zeitdauer des CVD-Prozesses, der Sublimationstemperatur und damit der Konzentration der Precursoren, der Reaktionstemperatur sowie den Strömungsverhältnissen im Reaktor bestimmt. So kann z.B. zunächst das Wachstum einer leeren Kohlenstoffröhre erreicht werden, indem nur der Koh- lenwasserstoff (z. B. Acetylen) eingeleitet wird und dadurch die Röhren in denA hydrocarbon can optionally be added to the gas. The location of the nanotube growth is determined by the location of the catalytic metal particles on the precoated substrate. The length of the filled tubes is determined by the duration of the CVD process, the sublimation temperature and thus the concentration of the precursors, the reaction temperature and the flow conditions in the reactor. For example, The growth of an empty carbon tube can first be achieved by introducing only the hydrocarbon (eg acetylene) and thereby the tubes into the
Löchern, die mit dem Katalysator (z.B. Fe) beschichtet sind, ungefüllt wachsen und danach durch Ändern der Gasphase (Einleiten einer metallorganischen Verbindung und Beendigung der Kohlenwasserstoffzufuhr) die Röhren gefüllt weiter wachsen. Dieser Wechsel der Gasphase (z.B. Metallocen/Acetylen- Wechsel) kann mehrfach erfolgen, so dass alternierend gefüllte und ungefüllteHoles which are coated with the catalyst (eg Fe) grow unfilled and then the tubes continue to grow filled by changing the gas phase (introduction of an organometallic compound and termination of the hydrocarbon supply). This change in the gas phase (e.g. metallocene / acetylene Change) can be done several times, so that alternately filled and unfilled
Bereiche in den Nanorohren entstehen.Areas are created in the nanotubes.
Um einwandige Nanorohren herzustellen, die erfindungsgemäß bevorzugt sind, werden im beschriebenen Verfahren als katalytische Metallbeschichtung auf den Böden der geätzten Löcher zwei- oder mehrkomponentige LegierungenIn order to produce single-walled nanotubes, which are preferred according to the invention, two- or multi-component alloys are used as the catalytic metal coating on the bottoms of the etched holes in the process described
(vorzugsweise Fe/Mo) aufgebracht, um genügend kleine aktive Katalysatorpartikel, vorzugsweise Fe, die in der Legierung eingebettet sind, zu stabilisieren. Einwandige Nanorohren können auch hergestellt werden, indem in der Gasphase das Verhältnis von Metallkomponente zu Kohlenstoffkomponente in der Weise stark zur Seite der Metallkomponente verschoben wird, dass eine vollständige Umsetzung der Kohlenstoffkomponente in der Gasphase erfolgt.(preferably Fe / Mo) applied in order to stabilize sufficiently small active catalyst particles, preferably Fe, which are embedded in the alloy. Single-walled nanotubes can also be produced by strongly shifting the ratio of metal component to carbon component to the side of the metal component in the gas phase in such a way that the carbon component is completely converted in the gas phase.
Es hat sich weiter gezeigt, dass die hergestellten Nanorohren vor der Biofunktionalisierung thermisch behandelt werden können, damit die Kohlenstoffhülle für eine Biofunktionalisierung bzw. für die Anbindung von Carriermolekulen, die die Nanorohren zum Wirkort bringen sollen, stabil genug ist. Dazu wären ca. 3.000 °C bis 4.000 °C notwendig. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese thermische Behandlung jedoch als plasmachemische Behandlung in Argon oder Argon/Wasserstoff-Atmosphäre (bei ca. 800 °C bis 900 °C) durchgeführt, wodurch in der Kohlenstoffhülle eventuelle Strukturdefekte wirksam ausgeheilt werden können und dadurch ein hoher Grad an kristalliner Perfektion erreicht wird.It has further been shown that the nanotubes produced can be thermally treated before the biofunctionalization so that the carbon shell is stable enough for biofunctionalization or for the connection of carrier molecules which are intended to bring the nanotubes to the site of action. This would require approx. 3,000 ° C to 4,000 ° C. In a preferred embodiment of the invention, however, this thermal treatment is carried out as a plasma chemical treatment in an argon or argon / hydrogen atmosphere (at approx. 800 ° C. to 900 ° C.), as a result of which any structural defects in the carbon shell can be effectively healed and thereby a high one Degree of crystalline perfection is achieved.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die ferro- magnetische Füllung, die gegebenenfalls noch Carbide oder paramagnetischeIn a further preferred embodiment of the invention, the ferromagnetic filling, which may also be carbide or paramagnetic
Bestandteile enthalten kann, nachträglich (aber vor der Biofunktionalisierung) thermisch behandelt und dabei derart umgewandelt, dass die Füllung ausschließlich aus den ferromagnetischen Modifikationen (in der Regel die α- Modifikationen) der Elemente Eisen, Kobalt oder Nickel besteht. Dadurch wird 20% weniger Füllung und weniger Energie für die Verwendung in diagnostischen oder/und therapeutischen Verfahren mit den erfindungsgemäßen Nanorohren benötigt. Die nachträgliche thermische Umwandlung kann z.B. durch Glühen erfolgen, im Falle einer Eisenfüllung bei ca. 650 °C,kurz unterhalb der Curietemperatur. Für Nickel-Füllungen liegt die Glühtemperatur bei 350° C, bei Kobalt-Füllung bei 1000° C. Für Legierungsfüllungen (z.B. Ni/Co) muß eineComponents can contain, subsequently (but before the biofunctionalization) thermally treated and converted in such a way that the filling consists exclusively of the ferromagnetic modifications (usually the α-modifications) of the elements iron, cobalt or nickel. As a result, 20% less filling and less energy is required for use in diagnostic or / and therapeutic methods with the nanotubes according to the invention. The subsequent thermal conversion can take place, for example, by annealing, in the case of an iron filling at approx. 650 ° C., just below the Curie temperature. The annealing temperature for nickel fillings is 350 ° C Cobalt filling at 1000 ° C. For alloy fillings (e.g. Ni / Co) one must
Glühtemperatur gewählt werden, die entsprechend der Zusammensetzung der Legierung zwischen den Curietemperaturen der Einzelkomponenten liegt (hier zwischen 350 und 1000° C).Annealing temperature can be selected, which, depending on the composition of the alloy, lies between the Curie temperatures of the individual components (here between 350 and 1000 ° C).
Thermische Behandlung bedeutet also im Sinne der Erfindung eine plasmachemische Behandlung zur Ausheilung von Strukturdefekten in der Kohlenstoffhülle und/oder eine thermische Behandlung der Füllung zum Erreichen einer ausschließlich ferromagnetischen Füllung.For the purposes of the invention, thermal treatment therefore means a plasma-chemical treatment for healing structural defects in the carbon shell and / or a thermal treatment of the filling in order to achieve an exclusively ferromagnetic filling.
Es ist weiterhin erfindungsgemäß bevorzugt, das gerichtete Ätzverfahren zumIt is further preferred according to the invention to use the directional etching method
Entfernen der oberflächlich überstehenden Anteile unter einem Winkel von 2 bis 45° zur Oberfläche des Substrates durchzuführen, vorzugsweise von 5 bis 15°. Vorzugsweise wird das gerichtete Ätzen mit Ionen mittels IBE (Ion Beam Etching), RIBE (Reactive Ion Beam Etching) oder CAIBE (Chemical Assisted Ion Beam Etching) durchgeführt.Removing the superficially protruding portions at an angle of 2 to 45 ° to the surface of the substrate, preferably from 5 to 15 °. The directional etching with ions is preferably carried out by means of IBE (Ion Beam Etching), RIBE (Reactive Ion Beam Etching) or CAIBE (Chemical Assisted Ion Beam Etching).
Als bioverträgliches und im Körper abbaubares Polymer, mit dem die hergestellten Nanorohren verschlossen werden können, kommt beispielsweise Po- lyethylenglycol, ein Copolymer aus Milchsäure und Glycolsaure, ein Copolymer aus Milchsäure, Glycolsaure und PEG oder andere strukturverwandte Polymere zum Einsatz. Die Freisetzung eines Wirkstoffes aus den Nanorohren ist von der Art des verwendeten Polymers oder Gels abhängig. Als besonders günstig haben sich dabei Hydrogele erwiesen, die Wasser als Lösungsmittel enthalten. Diese Hydrogele sind gesundheitlich unbedenklich und weisen ein günstiges thermosensitives Quellverhalten auf. So besitzt z.B. HydroxypropylcelluloseThe biocompatible and biodegradable polymer with which the nanotubes produced can be closed is, for example, polyethylene glycol, a copolymer of lactic acid and glycolic acid, a copolymer of lactic acid, glycolic acid and PEG or other structurally related polymers. The release of an active ingredient from the nanotubes depends on the type of polymer or gel used. Hydrogels which contain water as a solvent have proven to be particularly favorable. These hydrogels are harmless to health and have favorable thermosensitive swelling behavior. For example, hydroxypropyl
(HPC) eine UKLT (Untere kritische Lösungstemperatur) von 44°C +/- 2°C und ist damit für den angestrebten Effekt besonders geeignet. Eine thermorever- sible Verbindung kann durch eine weitere Vernetzung mit Divinylsulfon realisiert werden, bedingt aber eine hohe Toxizität. Dieses Problem ist durch Vernetzung auf Isocyanatbasis lösbar, da im Verlaufe der Reaktion eine Urethanbindung entsteht. Erfindungsgemäß werden solche Polymere/Gele zum Verschluss der Nanorohren eingesetzt, deren Quell- und Schrumpfverhalten durch Variation des Vernetzungsgrades definiert beeinflusst werden kann. In Abhängigkeit von der Temperatur kann ein reversibel einstellbarer Quellungsgrad zwischen 100% und >1.500% erreicht werden. Bei dieser Art der Freisetzung wird oberhalb der(HPC) has a UKLT (lower critical solution temperature) of 44 ° C +/- 2 ° C and is therefore particularly suitable for the desired effect. A thermo-reversible connection can be achieved by further crosslinking with divinyl sulfone, but this entails high toxicity. This problem can be solved by crosslinking on an isocyanate basis, since a urethane bond is formed in the course of the reaction. According to the invention, such polymers / gels are used to close the nanotubes, the swelling and shrinking behavior of which can be influenced in a defined manner by varying the degree of crosslinking. Depending on the temperature, a reversibly adjustable degree of swelling between 100% and> 1,500% can be achieved. With this type of release is above the
UKLT das Volumen des Gels stark verkleinert, so dass eine Freisetzung des Agens durch Diffusionsvorgänge(Variante F1 ) erfolgt.UKLT greatly reduces the volume of the gel, so that the agent is released by diffusion processes (variant F1).
Bei Verwendung von Gelen, die oberhalb einer kritischen Temperatur das Vo- lumen extrem vergrößern, wird die Nanoröhre durch die Volumenvergrößerung irreversibel zerstört (Variante F2) und dadurch das Agens freigesetzt. Solche Gele sind z.B. Blockcopolymere auf Basis von PNIPAAm (Poly(N- isopropylacrylamide)). Die Blockcopolymere sollten mit einem modifizierten Poly(ethylenoxid) PEO-Makroinitiator durch ATRP (Atom Transfer Radical Po- lymerization) hergestellt werden. Durch geeignete Wahl der Polymerzusammensetzung und des Vernetzungsgrades kann die Temperatur der Volumenvergrößerung in ausreichend weiten Temperaturbereichen, z.B. auf 47° C eingestellt werden und so die Öffnung der Nanorohren durch die Volumenvergrößerung des Polymers erreicht werden. Weitere mögliche Materialien für die Va- rianten F1 oder F2 sind bekannt. Die Löslichkeitseigenschaften der verwendeten Gele können den zu erwartenden Umgebungsbedingungen, z.B. Gewebe, Blut oder andere Körperflüssigkeiten angepasst werden und damit die Öffnung der Nanorohren im Körper gesteuert werden.When using gels that increase the volume extremely above a critical temperature, the nanotube is irreversibly destroyed by the volume increase (variant F2) and the agent is thereby released. Such gels are e.g. Block copolymers based on PNIPAAm (poly (N-isopropylacrylamide)). The block copolymers should be produced with a modified poly (ethylene oxide) PEO macroinitiator by ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization). By a suitable choice of the polymer composition and the degree of crosslinking, the temperature of the volume increase can be in sufficiently wide temperature ranges, e.g. can be set to 47 ° C and the opening of the nanotubes can be achieved by increasing the volume of the polymer. Other possible materials for variants F1 or F2 are known. The solubility properties of the gels used can vary according to the expected environmental conditions, e.g. Tissue, blood or other body fluids can be adjusted and thus the opening of the nanotubes in the body can be controlled.
Die Befüllung der einseitig geöffneten Nanoröhre mit einer diagnostisch und/oder therapeutisch wirksamen Verbindung kann z.B. durch die Abscheidung dieser Verbindung aus der Gasphase erfolgen. Hierbei kann es sich beispielsweise auch um Metallionen enthaltende Fullerene handeln.Filling the unilaterally opened nanotube with a diagnostically and / or therapeutically active compound can e.g. by separating this compound from the gas phase. These can also be fullerenes containing metal ions, for example.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die hergestellten und partiell mit ferromagnetischen Materialien befüllten Nanorohren, die an einem Ende noch offen sind, alternierend mit therapeutisch/diagnostisch wirksamen Verbindungen und bioverträglichen Polymeren befüllt, wobei die bioverträglichen Polymere so ausgewählt sind, dass jedes bei anderen Be- dingungen, vorzugsweise be einer anderen Temperatur im Körper abbaubar ist.In a particularly preferred embodiment of the invention, the nanotubes produced and partially filled with ferromagnetic materials, which are still open at one end, are alternately filled with therapeutically / diagnostically active compounds and biocompatible polymers, the biocompatible polymers being selected such that each is different from the other Conditions, preferably at a different temperature in the body is degradable.
Dadurch können intrinsische Depotformen realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden partiell ferromagnetisch befüllte Kohlstoff-Nanoröhren des Grundtyps 1 (Abb. 6) und des Grundtyps 2 (Abb. 7) hergestellt.As a result, intrinsic forms of custody account can be realized. In a preferred embodiment of the invention, partially ferromagnetically filled carbon nanotubes of basic type 1 (FIG. 6) and basic type 2 (FIG. 7) are produced.
Zur Herstellung des Grundtyps 1 lässt man die Nanorohren zunächst gefüllt und dann ungefüllt bis zu einer solchen Länge wachsen, dass im Verfahrensschritt a) nach Befüllung mit einem ersten Wirkstoff und Verschluss mit einem ersten Polymer/Gel (Polymer 1 ) ein weiterer Wirkstoff oder der gleiche Wirkstoff nochmals eingebracht werden kann und mit einem zweiten, z.B. bei einer niedrigeren Temperatur im Körper abbaubaren, Polymer/Gel (Polymer 2) verschlos- sen wird. Bei der therapeutischen Anwendung wird nun beispielsweise beiTo produce the basic type 1, the nanotubes are first filled and then unfilled to such a length that in process step a), after filling with a first active ingredient and sealing with a first polymer / gel (polymer 1), another active ingredient or the same Active ingredient can be introduced again and with a second, for example degradable in the body at a lower temperature, polymer / gel (polymer 2) is closed. In the therapeutic application, for example
42 °C das Polymer 2 entfernt und damit der Wirkstoff freigesetzt, der auf zellulärer Ebene reagieren kann. Zu einem späteren Zeitpunkt wird die Temperatur auf 47 °C erhöht und der Wirkstoff der zweiten Kammer wird freigesetzt. Handelt es sich um den gleichen Wirkstoff (z.B. um cis-Platin), so kann damit die Wirkstoffkonzentration über längere Zeit konstant gehalten werden.42 ° C removes the polymer 2 and thus releases the active ingredient, which can react at the cellular level. At a later time, the temperature is raised to 47 ° C. and the active ingredient in the second chamber is released. If it is the same active ingredient (e.g. cis-platinum), the active ingredient concentration can be kept constant over a longer period of time.
Beim Grundtyp 2 (vergleiche Abb. 7) werden die Nanorohren wie oben beschrieben so hergestellt, dass die ferromagnetische Füllung mittig beinhaltet ist und beidseitig gleiche oder unterschiedliche Wirkstoffe durch Polymere/Gele, die bei unterschiedlicher Temperatur im Körper abbaubar sind, eingeschlossen sind. Da im Herstellungsprozess einseitig geschlossene Nanorohren entstehen, müssen diese an der geschlossenen Seite geöffnet werden. Vorzugsweise wird dies mit einem Argon-/Sauerstoff-Niederdruckplasma erreicht.In basic type 2 (see Fig. 7), the nanotubes are manufactured as described above in such a way that the ferromagnetic filling is included in the center and the same or different active substances are enclosed on both sides by polymers / gels that are degradable in the body at different temperatures. Since nanotubes are closed on one side during the manufacturing process, they have to be opened on the closed side. This is preferably achieved with an argon / oxygen low-pressure plasma.
Das Verschließen der mit Wirkstoff befüllten Nanorohren wird bevorzugt mittelsThe closing of the nanotubes filled with active ingredient is preferably by means of
Argon-Plasmapolymerisation von Monomeren, die temperaturempfindlich sind, vorgenommen.Argon plasma polymerization of monomers that are temperature sensitive.
Die Biofunktionalisierung der erfindungsgemäßen Nanorohren an der äußeren Oberfläche wird mit bekannten Verfahren vorgenommen. Diese sind beispielsweise in EP 0625055 ausführlich beschrieben.The bio-functionalization of the nanotubes according to the invention on the outer surface is carried out using known methods. These are described in detail in EP 0625055, for example.
Die Biofunktionalisierung kann beispielsweise über eine kovalente Substitution an die Carbonhülle bzw., wie oben beschrieben, eine verschliessbare Polymer- kappe erfolgen. Funktionelle Gruppe bedeutet eine chemische Gruppe, die an eine spezifische Komponente binden kann und somit den Nanocontainer mit einer spezifischen Komponente assoziiert. Beispiel dafür sind monoklonale oder polyklonale Antikörper, Fab-Fragmente polyklonaler und Fab2-Fragmente monoklonaler Antikörper, fusionierte und nichtfusionierte Einzel- und Mehrket- ten-Erkennungsmotive.The biofunctionalization can be carried out, for example, via a covalent substitution on the carbon shell or, as described above, a closable polymer cap. Functional group means a chemical group that can bind to a specific component and thus associates the nanocontainer with a specific component. Examples include monoclonal or polyclonal antibodies, Fab fragments of polyclonal and Fab2 fragments of monoclonal antibodies, fused and unfused single and multi-chain recognition motifs.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Biofunktionalisierung der äußeren Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren derart vorgenommen, dass die Nanorohren außen partiell mit einem Metall versehen werden, das die gezielte Anbindung der diagnostisch und/oder therapeutisch wirksamen Verbindungen an dieser Stelle ermöglicht.In a particularly preferred embodiment, the biofunctionalization of the outer surface of the carbon nanotubes is carried out in such a way that the nanotubes are partially provided with a metal on the outside, which enables the targeted connection of the diagnostically and / or therapeutically active compounds at this point.
Prinzipiell ist es möglich, die ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren definiert mit zusätzlichen „Andockstellen" für Biomoleküle zu versehen. Das wird beispielsweise dadurch erreicht, dass nach Erzeugung der zylindrischenIn principle, it is possible to provide the ferromagnetically filled carbon nanotubes with additional “docking points” for biomolecules. This is achieved, for example, by generating the cylindrical ones
Löcher in der Goldschicht gemäß Ausführungsbeispiel 1 als erstes nicht eine für das Wachstum der Nanorohren katalytisch wirkendes Metall abgeschieden wird, sondern ein für die Anbindung der Biomoleküle bevorzugtes Metall, z.B. Niob und erst in dem darauf folgenden Beschichtungsschritt das katalytisch wirkende Metall. Nach Entfernung des Fotolackes erfolgt auch hier gemäßHoles in the gold layer according to embodiment 1 are not first deposited as a metal which acts catalytically for the growth of the nanotubes, but rather a metal which is preferred for binding the biomolecules, e.g. Niobium and only in the subsequent coating step the catalytically active metal. After removal of the photoresist, this is also done here
Ausführungsbeispiel 1 das Wachstum der ferromagnetisch teilgefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren. Im Darstellungsprozess erfolgt das Wachstum ausgehend von der Metallschicht unter Umsetzung dieser Metallanteile. Im späteren Ver- einzelungsprozess durch Ätzung der Goldschicht wird das Niob nicht von den ferromagnetisch und ggf. agens-gefüllten Nanorohren entfernt und steht somit zur Anbindung der Biomoleküle zur Verfügung. Bei dieser Herstellungsvariante befindet sich der partiell beschichtete Anteil gegenüber der durch das bioverträgliche Polymer verschlossenen Nanoröhrenöffnung.Embodiment 1 the growth of the ferromagnetic partially filled carbon nanotubes. In the display process, growth takes place starting from the metal layer and implementing these metal parts. In the later separation process by etching the gold layer, the niobium is not removed from the ferromagnetic and possibly agent-filled nanotubes and is therefore available for binding the biomolecules. In this production variant, the partially coated portion is located opposite the nanotube opening that is closed by the biocompatible polymer.
Die erfindungsgemäß hergestellten und biofunktionalisierten Kohlenstoff-The biofunctionalized carbon
Nanoröhren werden nach der Herstellung notwendigen Reinigungs- und Spülprozessen unterzogen, wobei die Nanorohren durch Permanentmagneten an der Gefäßwand gehalten werden. Danach sind sie nach galenischer Formulierung für eine Diagnostik und/oder Therapie einsatzbereit. Die Herstellungspro- zeduren, die Aufbereitung, Funktionalisierung und galenische Formulierung erfolgen dabei stets unter sterilen Bedingungen, wie sie zur Herstellung pharmazeutischer Mittel üblich sind.After production, nanotubes are subjected to the necessary cleaning and rinsing processes, the nanotubes being held to the vessel wall by permanent magnets. After that, they are ready for use according to pharmaceutical formulation for diagnosis and / or therapy. The manufacturing process cedures, preparation, functionalization and galenical formulation are always carried out under sterile conditions as are customary for the production of pharmaceutical agents.
Ein wesentlicher Vorteil der Nutzung von Substraten im Herstellungsprozess der Nanorohren besteht darin, dass der Durchmesser der biofunktionalisiertenA major advantage of using substrates in the manufacturing process of nanotubes is that the diameter of the biofunctionalized
Kohlenstoff-Nanoröhren entscheidend durch den Durchmesser der Strukturätzung, die Länge der biofunktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhren dagegen durch die Tiefe dieser Ätzung in die Goldschicht bestimmt bzw. mitbestimmt wird. Nur dadurch ist - im Gegensatz zu anderen Herstellungsmethoden - die Einhaltung enger Toleranzen im Endprodukt möglich.Carbon nanotubes are decisively determined or co-determined by the diameter of the structure etching, the length of the biofunctionalized carbon nanotubes by the depth of this etching in the gold layer. This is the only way - in contrast to other manufacturing methods - that close tolerances in the end product can be maintained.
Bei Verzicht auf eine Agens-Füllung kann prinzipiell auch auf die Verwendung von Substraten verzichtet werden und die Darstellung der ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren als „Pulver" im CVD-Reaktor erfolgen. Die Biofunktionalisierung erfolgt nach den dann zusätzlich erforderlichen chemischen Reinigungsschritten in analoger Weise.If an agent is not filled, the use of substrates can in principle be dispensed with and the ferromagnetically filled carbon nanotubes can be represented as "powder" in the CVD reactor. The biofunctionalization takes place in an analogous manner after the additional chemical cleaning steps then required.
Als diagnostische Einheiten sind im Sinne der Erfindung Biomoleküle, Elemente mit Ordnungszahlen über 50, Chromophore oder Fluorophore zu verstehen. Therapeutisch wirksame Einheiten sind gemäß der Erfindung Moleküle, die chemisch oder gentechnisch hergestellte pharmazeutische Wirkstoffe darstellen, z. B. Chemotherapeutika. Biomoleküle sind im Sinne der Erfindung vorzugsweise Peptide, Proteine, Nucleinsäuren, Antikörper, deren Fragmente, Enzyme, Hormone oder Polysaccharide.For the purposes of the invention, diagnostic units are understood to be biomolecules, elements with atomic numbers above 50, chromophores or fluorophores. According to the invention, therapeutically active units are molecules which represent chemically or genetically engineered pharmaceutical active substances, e.g. B. Chemotherapy drugs. For the purposes of the invention, biomolecules are preferably peptides, proteins, nucleic acids, antibodies, their fragments, enzymes, hormones or polysaccharides.
Bei den diagnostisch wirksamen Biomolekülen handelt es sich um Affinitätsmoleküle zur spezifischen Erkennung und Bindung an ein oder mehrere Zielmoleküle. Dies können beispielsweise Peptide oder Proteine (z.B. Antikörper, Rezeptoren, Antigene, Lektine, Avidine Oligopeptide, Lipoproteine, Glycopro- teine, Peptidhormone), Nucleinsäuren, Kohlenhydrate oder Liganden mit nied- rigem Molekulargewicht sein.The diagnostically effective biomolecules are affinity molecules for specific recognition and binding to one or more target molecules. These can be, for example, peptides or proteins (e.g. antibodies, receptors, antigens, lectins, avidine oligopeptides, lipoproteins, glycoproteins, peptide hormones), nucleic acids, carbohydrates or ligands with a low molecular weight.
Die erfindungsgemäßen Nanorohren können an der äußeren Oberfläche ausschließlich oder zusätzlich zu den diagnostischen oder therapeutischen Ein- heiten Carriermoleküle, z.B. kationische Lipide oder Antikörper, tragen, die denThe nanotubes according to the invention can be used on the outer surface exclusively or in addition to the diagnostic or therapeutic inputs. Carrier molecules, such as cationic lipids or antibodies, carry the
Transport zur Targetzelle bzw. zum bevorzugten Wirkort vermitteln.Arrange transport to the target cell or the preferred site of action.
Die an der äußeren Oberfläche der Röhre assoziierten Biomoleküle und/oder Carriermoleküle können konjugiert oder direkt oder über einen Linker gebunden sein.The biomolecules and / or carrier molecules associated on the outer surface of the tube can be conjugated or bound directly or via a linker.
Gegenstand der Erfindung sind neben dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auch die so hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren.In addition to the production method according to the invention, the invention also relates to the carbon nanotubes produced in this way.
Die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanoröhren können vorteilhaft zur Therapie eingesetzt werden. Die Biomoleküle auf der Oberfläche der Nanoröhre erlauben es z.B., dass die Nanorohren gezielt zu einer bestimmten biologischen Einheit (Zelle, Gewebeverband bzw. Organ) im Körper transportiert werden. Beispielsweise wird eine mit Antikörpern beschichtete Nanoröhre im Körper zum entsprechenden Antigen transportiert. Gleichzeitig können die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanoröhren einen Wirkstoff, z.B. ein Antitumormittel (Doxorubicin (Handelsname Adriamycin), Paclitaxel und deren Derivate (Taxol, Taxane etc.), Vincristin, Carboplatin, Cisplatin, Epirubicin, Fluoruracil, Ifosfamid, Methotrexat, Mitomycin, Vinblastin, Irinotecan, Mitoxantron), oder Radionuklide enthalten, die somit in die gewünschte Zielregion, z.B. den Tumor transportiert werden. Die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanoröhren können auch als Depotformen fungieren, die das Arzneimittel definiert verzögert freisetzen, wobei die Depotfunktion durch verschiedene wirkstoffhaltige Abschnitte in der Röhre realisiert wird, deren Begrenzungen stufenweise abgebaut werden und damit der Wirkstoff zeitlich versetzt und dosiert freigesetzt wird. Der stufenweise Abbau kann z.B. temperaturabhängig erfolgen.The carbon nanotubes according to the invention can advantageously be used for therapy. The biomolecules on the surface of the nanotube allow, for example, the nanotubes to be transported to a specific biological unit (cell, tissue or organ) in the body. For example, a nanotube coated with antibodies is transported in the body to the corresponding antigen. At the same time, the carbon nanotubes according to the invention can contain an active ingredient, e.g. an antitumor agent (doxorubicin (trade name Adriamycin), paclitaxel and its derivatives (taxol, taxanes, etc.), vincristine, carboplatin, cisplatin, epirubicin, fluorouracil, ifosfamide, methotrexate, mitomycin, vinblastine, irinotecan, or containing mitoxantruide, in the desired target region, e.g. the tumor can be transported. The carbon nanotubes according to the invention can also function as depot forms, which release the drug with a defined delay, the depot function being realized by various sections of the tube containing the active substance, the boundaries of which are gradually broken down and the active substance is thus released at different times and in doses. The gradual dismantling can e.g. depending on the temperature.
Für therapeutische Zwecke ist es mit den erfindungsgemäßen Kohlenstoff- Nanoröhren ebenfalls möglich, einen nukleinsäuer-basierten Vektor, der das therapeutische Gen oder Teile davon trägt, in die Röhre einzuschließen und dieses am gewünschten Wirkort in Kontakt mit dem Gewebe zu bringen, um die Effizienz der Gentransfektion und -expression zu steigern. Es ist auch möglich, den viralen Vektor, der das therapeutische Gen trägt, auf die Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren zu bringen. Durch externe magnetische Felder kann dieser Träger dann am Zielort gehalten werden, um den Virus längere Zeit inFor therapeutic purposes, it is also possible with the carbon nanotubes according to the invention to enclose a nucleic acid-based vector which carries the therapeutic gene or parts thereof, and to bring this into contact with the tissue at the desired site of action in order to increase the efficiency of the To increase gene transfection and expression. It is also possible to bring the viral vector that carries the therapeutic gene onto the surface of the carbon nanotubes. Due to external magnetic fields This carrier can then be kept at the destination to keep the virus in for extended periods
Kontakt mit dem entsprechende Gewebe zu bringen.Bring contact with the appropriate tissue.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Nanorohren ist die Hyperthermie, bei der die erfindungsgemäßen Nanorohren durch ein magneti- sches Feld oder thermisch zur Wärmeaufnahme angeregt werden, die sie dann an den Krankheitsherd, z.B. den Tumor, abgeben.An important area of application of the nanotubes according to the invention is hyperthermia, in which the nanotubes according to the invention are excited by a magnetic field or thermally to absorb heat, which they then transmit to the focus of the disease, e.g. the tumor.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, Nanorohren mit einer Länge zwischen ca. 10-20 μm in malignes Gewebe zu injizieren, so dass dort eine lokale Kon- zentration und die Wirkstofffreisetzung bzw. thermische Anregung erfolgen kann. Sind die Nanorohren erfindungsgemäß noch zusätzlich mit diagnostischen Einheiten versehen, so kann prätherapeutisch eine Tumordiagnostik (Primärtumor, Rezidiv und/oder Metastase) erfolgen. Die Nanorohren können daneben auch so biofunktionalisiert sein, dass sie von Tumorzellen verstärkt aufgenommen werden (vgl. Beispiel 2).It is also possible according to the invention to inject nanotubes with a length between approximately 10-20 μm into malignant tissue, so that local concentration and the release of active substance or thermal excitation can take place there. If, according to the invention, the nanotubes are additionally provided with diagnostic units, tumor diagnosis (primary tumor, recurrence and / or metastasis) can be carried out pretherapeutically. In addition, the nanotubes can also be biofunctionalized in such a way that they are increasingly taken up by tumor cells (cf. Example 2).
Ein alternativer Therapieansatz bedient sich einer magnetisch-basierten in vivo- Verbringung von Nanorohren minimaler Abmessungen, deren Länge nicht mehr als 100 nm beträgt: mit miniaturisierten Supermagneten, die gezielt, einzeln oder multiple, temporär peritumoral implementiert werden, können biofunktio- nalisierte Nanorohren, die systemisch oder in relativer Nähe zum Tumorherd in eine Körperflüssigkeit gespritzt werden, am Tumorherd aufkonzentriert werden. Die Effizienz dieses Transfers kann durch verschiedene Parameter direkt be- einflusst werden (u.a. Stärke des Magnetfeldes und Grad der Befüllung der Nanorohren). Nach erfolgter lokaler Therapie werden die miniaturisierten Supermagneten wieder explantiert.An alternative therapeutic approach uses a magnetically-based in vivo movement of nanotubes of minimal dimensions, the length of which does not exceed 100 nm: with miniaturized super magnets that are implemented in a targeted manner, individually or multiple, temporarily peritumoral, biofunctionalized nanotubes can be used systemically or in close proximity to the focus of the tumor into a body fluid, concentrated at the focus of the tumor. The efficiency of this transfer can be directly influenced by various parameters (e.g. strength of the magnetic field and degree of filling of the nanotubes). After the local therapy, the miniaturized super magnets are explanted again.
In einer weiteren Auführungsform werden Nanorohren ex-vivo bestrahlt, wodurch das Eisen, welches die partielle Füllung der Nanorohren ausmacht, zu radioaktivem Eisen umgewandelt wird. Diese Radionuklide können anschlie- ssend als Therapeutikum, verpackt in Form einer Nanoröhre, verwendet werden. Neben den beschriebenen Diagnose- und Therapieverfahren sind die erfindungsgemäßen ferromagnetischen Kohlenstoff-Nanoröhren auch ohne eingeschlossene oder in der äußeren Oberfläche assoziierte Biomoleküle sehr gut zur Diagnose geeignet, da sie durch die ferromagnetischen Eigenschaften magnetisch und/oder thermisch anregbar sind. Die an der Kohlenstoffoberfläche assoziierten Biomoleküle haben den Vorteil, dass eine zusätzliche Bindung an und ein Transport zum Target-Molekül erfolgen kann.In a further embodiment, nanotubes are irradiated ex vivo, whereby the iron, which is the partial filling of the nanotubes, is converted to radioactive iron. These radionuclides can then be used as a therapeutic agent, packaged in the form of a nanotube. In addition to the diagnostic and therapeutic methods described, the ferromagnetic carbon nanotubes according to the invention are also very suitable for diagnosis even without enclosed or associated biomolecules in the outer surface, since they can be excited magnetically and / or thermally by the ferromagnetic properties. The biomolecules associated on the carbon surface have the advantage that additional binding to and transport to the target molecule can take place.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren als diagnostisches und/oder therapeutisches Mittel, insbesondere zur Tumordiagnose und -therapie. Das diagnostische und/oder therapeutische Mittel wird bereitgestellt, indem die erfindungsgemäß hergestellten physiologisch verträglichen Kohlenstoff-Nanoröhren mit pharmazeutisch verträglichen Hilfsstoffen formuliert werden. Hilfsstoffe im Sinne der Erfindung sind Formulierungshilfsmittel, wie z.B. Träger, Antioxidantien, Stabili- satoren oder Puffer.The invention also relates to the use of the carbon nanotubes produced according to the invention as a diagnostic and / or therapeutic agent, in particular for tumor diagnosis and therapy. The diagnostic and / or therapeutic agent is provided by formulating the physiologically compatible carbon nanotubes produced according to the invention with pharmaceutically compatible adjuvants. Auxiliaries in the sense of the invention are formulation auxiliaries, such as e.g. Carriers, antioxidants, stabilizers or buffers.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die pharmazeutischen Mittel zur i.v.-Applikation vorgesehen. Die Bereitsellung der entsprechenden Infusions- bzw. Injektionslösungen erfolgt vorzugsweise mit physiolo- gischer Kochsalzlösung. Die diagnostischen oder therapeutischen Mittel können aber auch i.m., i.p. oder oral verabreicht werden. Im Falle solider Tumore, die mit den erfindungsgemäßen CNTs behandelt werden, z.B. Prostatakarzinom und Blasenkarzinom, werden die CNTs peri- oder intratumoral, d.h. in den tumorbenachbarten Gewebeverband oder direkt in den Tumor, injiziert.In a preferred embodiment of the invention, the pharmaceutical compositions are intended for i.v. application. The appropriate infusion or injection solutions are preferably provided with physiological saline. The diagnostic or therapeutic agents can also i.m., i.p. or administered orally. In the case of solid tumors treated with the CNTs of the invention, e.g. Prostate carcinoma and bladder carcinoma, the CNTs are peri- or intratumoral, i.e. injected into the adjacent tumor tissue or directly into the tumor.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Verfahren zur Diagnose und/oder Therapie einer Tumorerkrankung, insbesondere von Harnblasen- und Prostatakarzinom, bei dem dem Probanden eine wirksame Menge, vorzugsweise 10mg bis. 500mg pro Zielläsion in Abhängigkeit von der Größe des Tumors, der erfin- dungsgemäßen Kohlenstoff-Nanoröhren verabreicht wird.The invention thus also relates to a method for diagnosing and / or treating a tumor disease, in particular bladder and prostate cancer, in which the subject has an effective amount, preferably 10 mg to. 500 mg per target lesion depending on the size of the tumor which is administered according to the invention carbon nanotubes.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten ferromagnetisch gefüllten und biofunktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhren weisen gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe wesentlicher Vorteile auf. Sie sind insbe- sondere in ihren geometrischen Abmessungen und ihren magnetischen Eigenschaften definiert herstellbar und können durch die Möglichkeit der kontrollierten Öffnung und Schließung zusätzlich gezielt befüllt werden. Durch die Prozessführung bei der erfindungsgemäßen Darstellung der Kohlenstoff- Nanoröhren ist weiterhin eine Beeinflussung der Anzahl der Kohlenstoffhüllen um den Kern und damit eine Anpassung der chemischen Resistenz an die gewünschten Einsatzbedingungen möglich. Erstmals werden einwandige ferromagnetisch gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt. Die erfindungsgemäß hergestellten CNTs sind äußerst stabil. Im Gegensatz zu jeder anderen bisher für Nanopartikel beschriebenen Herstellungsmethode können die Nanorohren an der Außenseite partiell mit einem weiteren Metall versehen werden, was die gezielte Anbindung von Biomolekülen an diesen Stellen ermöglicht.The ferromagnetically filled and biofunctionalized carbon nanotubes produced by the method according to the invention have a number of significant advantages over the prior art. They are especially special in their geometrical dimensions and their magnetic properties can be produced in a defined manner and can also be specifically filled through the possibility of controlled opening and closing. Through the process control in the representation of the carbon nanotubes according to the invention, it is also possible to influence the number of carbon shells around the core and thus to adapt the chemical resistance to the desired conditions of use. Single-wall ferromagnetic carbon nanotubes are being produced for the first time. The CNTs produced according to the invention are extremely stable. In contrast to any other manufacturing method previously described for nanoparticles, the nanotubes can be partially provided with another metal on the outside, which enables the targeted connection of biomolecules at these locations.
Im Weiteren wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.
Beispiel 1example 1
Herstellung ferromagnetischer Wirkstoff-gefüllter und an der Oberfläche bio- funktionalisierter NanorohrenManufacture of nanotubes filled with ferromagnetic active ingredients and bio-functionalized on the surface
Die Herstellung der erfindungsgemäßen partiell ferromagnetisch und partiellThe production of the partially ferromagnetic and partial according to the invention
Agens-gefüllter Nanorohren lässt sich vorteilhafterweise durch Wachstum und Manipulation der Nanomaterialien auf Substraten realisierten. Die Abbildungen 1 bis 4 zeigen die Prinzipskizze zur Herstellung. Abb. 1 zeigt ein Substrat mit 5 nm dicker Fe-Schicht auf Au und auf Fotolack. Abb. 2 zeigt das Substrat mit partiell gefüllter Nanoröhre nach dem CVD-Agent-filled nanotubes can advantageously be realized by growth and manipulation of the nanomaterials on substrates. Figures 1 to 4 show the basic sketch for the production. Fig. 1 shows a substrate with a 5 nm thick Fe layer on Au and on photoresist. Fig. 2 shows the substrate with partially filled nanotube after the CVD
Wachstum. Die Ätzrichtung beim Argon-Ionen-Strahlätzen zur Entfernung der überstehenden Anteile ist durch Pfeile angegeben.Growth. The direction of etching in argon ion beam etching to remove the protruding portions is indicated by arrows.
Abb. 3 zeigt das Substrat nach Kürzung, Füllung und Verschließung der Nanorohren. Abb. 4 zeigt das Endprodukt nach Ätzung der Au-Schicht und Aufbereitung der funktionalisierten Nanorohren.Fig. 3 shows the substrate after shortening, filling and sealing the nanotubes. Fig. 4 shows the end product after etching the Au layer and processing the functionalized nanotubes.
Als Substrat dient ein thermisch oxidierter Siliziumwafer mit einer Oxidschichtdicke von 1 μm. Durch geeignete Beschichtungsmethoden - z.B. thermische Verdampfung - wird auf dieses Substrat ganzflächig eine 200nm dicke Goldschicht aufgetragen. Anschließend wird eine 1 μm dicke Fotolackschicht aufgebracht. Im folgenden Prozeßschritt wird durch lithographische Methoden, z.B. Elektronenstrahllithographie, ein regelmäßiges Dotmuster realisiert. Die Einzelstrukturen weisen einen Durchmesser von 80nm bei einem Abstand von 400nm auf. Durch die Größe dieser Strukturen kann der spätere Außendurchmesser der Kohlenstoff-Nanoröhren wesentlich mitbestimmt werden. Nach der Belichtung und der erforderlichen Resistentwicklung werden die Substrate in Reinstwasser gespült und getrocknet. Durch Argon-Ionenstrahlätzen unter einem Winkel von 90° relativ zur Probenoberfläche wird die 200nm dicke Goldschicht - an den Stellen, die nicht mit Fotolack bedeckt sind - partiell abgedünnt, so dass in der Au-Schicht ca. 150nm tiefe Löcher entstehen. Durch diese Ätztiefe wird die spätere Länge der biofunktionalisierten Nanorohren bestimmt. Dieser Ätzvorgang wird bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Ätzgas: Argon, Druck: 6x10"4 mbar, Beschleunigungsspannung: 400V, Mikrowellenlei- stung: 170 W.A thermally oxidized silicon wafer with an oxide layer thickness of 1 μm serves as the substrate. Using suitable coating methods - e.g. thermal Evaporation - a 200 nm thick gold layer is applied to the entire surface of this substrate. Then a 1 μm thick photoresist layer is applied. In the following process step, a regular dot pattern is realized using lithographic methods, for example electron beam lithography. The individual structures have a diameter of 80nm at a distance of 400nm. The later outer diameter of the carbon nanotubes can be significantly determined by the size of these structures. After the exposure and the necessary resist development, the substrates are rinsed in ultrapure water and dried. Argon ion beam etching at an angle of 90 ° relative to the sample surface partially thinned the 200nm thick gold layer - at the locations that are not covered with photoresist - so that holes about 150nm deep were created in the Au layer. The later length of the biofunctionalized nanotubes is determined by this etching depth. This etching process is carried out under the following conditions: etching gas: argon, pressure: 6x10 "4 mbar, acceleration voltage: 400V, microwave power: 170 W.
Im Folgeschritt werden die geätzten Substrate mit dem noch vorhandenen Fotolack einer weiteren Beschichtung unterzogen. Durch Elektronenstrahlver- dampfung wird eine ca. 5nm dicke Eisenschicht abgeschieden und das beschichtete Substrat nachfolgend in Aceton (15 min) behandelt. Hierbei erfolgt ein Ablösen des Fotolackes und damit ein Abheben der auf dem Fotolack abgeschiedenen Fe-Schichtanteile. Die katalytisch wirkenden Fe-Anteile befinden sich nunmehr nur in den tiefergeätzten Au-Bereichen. Vor Beginn der eigentlichen Herstellung der Nanorohren ist es vorteilhaft eine Reinigung des vorstrukturierten Substrates in einem Wasserstoffplasma durch- zuführen.In the next step, the etched substrates are subjected to a further coating with the photoresist still present. An approximately 5 nm thick iron layer is deposited by electron beam evaporation and the coated substrate is subsequently treated in acetone (15 min). The photoresist is detached and the Fe layer portions deposited on the photoresist are lifted off. The catalytic Fe components are now only in the deeper etched Au areas. Before the actual production of the nanotubes begins, it is advantageous to clean the pre-structured substrate in a hydrogen plasma.
Das vorstrukturierte Substrat wird nun in die Reaktionszone eines Chemical- VapourDeposition(CVD)-Reaktors auf 900°C aufgewärmt. Der verwendete CVD-Reaktor gestattet es, die Temperatur in mehreren Zonen unabhängig voneinander definiert einzustellen und den Wachstumsprozeß unter Schutzgas- oder Vakuumbedingungen durchzuführen. Für die Herstellung der partiell ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren wird als Ausgangsstoff Fer- rocene (0,3 g in einem Tiegel) eingesetzt. Dieser Precursor wird bei einer Temperatur von 180°C außerhalb der eigentlichen Reaktionszone sublimiert. Als Trägergas, das den sublimierte Precursor in die eigentliche Reaktionszone transportiert, wird Argon eingesetzt. Das hier eingesetzte Metallocen ist sowohlThe pre-structured substrate is then heated to 900 ° C. in the reaction zone of a chemical vapor deposition (CVD) reactor. The CVD reactor used allows the temperature in several zones to be set independently of one another and the growth process to be carried out under inert gas or vacuum conditions. Ferocenes (0.3 g in a crucible) are used as the starting material for the production of the partially ferromagnetically filled carbon nanotubes. This precursor is sublimed at a temperature of 180 ° C outside the actual reaction zone. As a carrier gas, which sublimates the precursor into the actual reaction zone transported, argon is used. The metallocene used here is both
Quelle des ferromagnetischen Materials als auch Quelle des Kohlenstoffes für die Hülle. Unter den realisierten Bedingungen werden innerhalb der ersten 3 min, vorzugsweise innerhalb von 1 min, ca. 50 nm lange, vollständig Fe- gefüllte Kohlenstoffröhren abgeschieden. Zur Realisierung im Endergebnis nur partiell gefüllter Nanorohren wird nunmehr die Temperatur der Metallprecurso- ren von 180° C sehr schnell auf eine Temperatur <100° C vermindertund ein gasförmiger Kohlenwasserstoff (Acetylen) in den Reaktor eingeleitet. Dadurch wird erreicht, dass sich nach kurzer Zeit nur noch der Kohlenwasserstoff in der Gasphase befindet und so die Nanorohren nur noch ungefüllt weiter wachsen, da kein weiteres Füllmaterial aus der Gasphase angeboten wird.Source of ferromagnetic material as well as source of carbon for the shell. Under the realized conditions, completely Fe-filled carbon tubes are deposited within the first 3 minutes, preferably within 1 minute, about 50 nm long. To achieve the end result of only partially filled nanotubes, the temperature of the metal precursors is now very quickly reduced from 180 ° C to a temperature <100 ° C and a gaseous hydrocarbon (acetylene) is introduced into the reactor. This ensures that after a short time only the hydrocarbon is in the gas phase and the nanotubes only continue to grow unfilled, since no further filler material from the gas phase is offered.
Infolge geringer Temperaturschwankungen, unterschiedlicher Strömungsverhältnisse und/oder Schwankungen der Precursoren-Konzentration können die hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren eine Variation in der Länge aufweisen. Zur Herstellung gleichlanger partiell gefüllter Kohlenstoff-Nanoröhren werden diese im nachfolgenden Technologieschritt einem gerichteten Ätzprozess unterworfen. Durch Argon-Ionenstrahlätzen unter einem Winkel von 8° relativ zur Probenoberfläche werden die oberhalb der ungeätzten Au-Oberfläche liegenden Anteile entfernt. Dieser Ätzvorgang wird bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Ätzgas: Ar- gon, Druck: 6x10"4 mbar, Beschleunigungsspannung: 400V, Mikrowellenleistung: 170 W.As a result of small temperature fluctuations, different flow conditions and / or fluctuations in the precursor concentration, the carbon nanotubes produced can have a variation in length. In order to produce partially filled carbon nanotubes of the same length, they are subjected to a directional etching process in the subsequent technology step. The portions above the unetched Au surface are removed by argon ion beam etching at an angle of 8 ° relative to the sample surface. This etching process is carried out under the following conditions: etching gas: argon, pressure: 6x10 "4 mbar, acceleration voltage: 400V, microwave power: 170 W.
Die partiell ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren sind somit auf der dem Substrat abgewandten Seite geöffnet und können mit einem ersten Agens, z.B. einem Therapeutikum partiell weiter gefüllt werden. Die Länge der Agens- Füllung beträgt z.B. 20nm. Zum definierten Abschluß des Agens wird der noch ungefüllte Teil der Kohlenstoff-Nanoröhre mit einem bioverträglichen Polymer gefüllt, das bei einer bestimmten Temperatur im Körper abbaubar ist. Dieses bioverträgliche Polymer ist z.B. bei 42,5°C abbaubar. Bei Bedarf können weitere Abschnitte mit abwechselnden Anteilen von Agens und bioverträglichem Polymer realisiert werden. Hierbei ist der Schmelzpunkt des bioverträglichenThe partially ferromagnetically filled carbon nanotubes are thus open on the side facing away from the substrate and can be treated with a first agent, e.g. a therapeutic agent can be partially filled. The length of the agent filling is e.g. 20nm. For the defined termination of the agent, the still unfilled part of the carbon nanotube is filled with a biocompatible polymer that is degradable in the body at a certain temperature. This biocompatible polymer is e.g. Degradable at 42.5 ° C. If necessary, additional sections with alternating proportions of agent and biocompatible polymer can be realized. Here is the melting point of the biocompatible
Polymers jeweils um 1 °C zu vermindern, so dass bei der späteren therapeutischen Anwendung die Freisetzung des Therapeutikums durch die Änderung der Temperatur gesteuert werden kann. Die Änderung der Temperatur kann dabei über die in der ferromagnetischen Füllung umgesetzten Energie leicht gesteuert werden.To reduce polymers by 1 ° C, so that the release of the therapeutic agent can be controlled by changing the temperature in the later therapeutic application. The change in temperature can can be easily controlled via the energy converted in the ferromagnetic filling.
Die bioverträglichen Polymere sind also so zu wählen, dass zunächst bei der geringsten Temperatur das Polymer abgebaut wird, das die Röhre verschließt und danach bei stufenweiser Temperaturerhöhung die weiteren Polymere stu- fenweise abgebaut werden, so dass ein Wirkstoff nach dem anderen freigesetzt wird. Befindet sich in den einzelnen Abschnitten der Röhre der gleiche Wirkstoff, so lässt sich auf diese Weise eine verzögerte Freisetzung (Depotform, sustained release) realisieren. Nach Realisierung der angestrebten Füllungen werden die funktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhren vom Substrat getrennt. Hierzu wird das auf dem Substrat befindliche Gold in einer Lösung (bestehend aus 0,06 mol/l KJ, 0,09 mol/l J2 und 0,005 mol/l Alkohol) für 10 min behandelt. Ähnlich einem „lift-off '-Prozeß wird das unter den funktionalisierten Nanorohren befindliche Gold entfernt und den Nanorohren dadurch der Halt entzogen. Die Nanorohren befinden sich nunmehr in der Ätzlösung. Da die partiell gefüllten Nanorohren ferromagnetische Eigenschaften besitzen, können sie durch einen Permanentmagneten problemlos an der Gefäßwand festgehalten werden. In diesem Zustand ist eine Spülung mit Wasser zur Entfernung der Ätzmittelreste möglich. Durch die Anwendung von Permanent- oder Elektromagneten erfolgt gleichzeitig eine Tren- nung der ferromagnetisch gefüllten von den nicht ausreichend ferromagnetisch gefüllten Nanorohren. Die nicht ausreichend gefüllten Röhren werden mit dem Wasser abtransportiert. Die Entfernung der Ätzmittelreste kann selbstverständlich auch durch Standspülungen unter Anwendung von Ultraschall erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft dem Wasser ein Volumenanteil von mindestens 1 % Al- kohol zuzusetzen. Hierdurch wird die Realisierung der Wasser/Nanotube-The biocompatible polymers must therefore be selected so that the polymer that closes the tube is first broken down at the lowest temperature and then the further polymers are gradually broken down as the temperature increases gradually, so that one active ingredient is released after the other. If the same active ingredient is found in the individual sections of the tube, a delayed release (depot form, sustained release) can be achieved in this way. After the desired fillings have been realized, the functionalized carbon nanotubes are separated from the substrate. For this, the gold on the substrate is treated in a solution (consisting of 0.06 mol / l KJ, 0.09 mol / l J 2 and 0.005 mol / l alcohol) for 10 min. Similar to a "lift-off" process, the gold located under the functionalized nanotubes is removed, thereby removing the hold from the nanotubes. The nanotubes are now in the etching solution. Since the partially filled nanotubes have ferromagnetic properties, they can easily be held on the vessel wall by a permanent magnet. In this state, rinsing with water to remove the etchant residues is possible. The use of permanent or electromagnets simultaneously separates the ferromagnetically filled from the insufficiently ferromagnetically filled nanotubes. The insufficiently filled tubes are removed with the water. Of course, the etchant residues can also be removed by flushing using ultrasound. It is advantageous to add a volume fraction of at least 1% alcohol to the water. Hereby the realization of the water / nanotube
Suspension wesentlich erleichtert.Suspension much easier.
In einem nachfolgenden Arbeitsgang erfolgt die Biofunktionalisierung der äußeren Oberfläche der Röhren in Lösung. Analog der in der Literatur beschriebenen Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhren (Zheng et al. (2003), Nature Materials 2: 338-342) können einzelne Kohlenstoff-In a subsequent step, the outer surface of the tubes is biofunctionalized in solution. Analogous to the possibilities described in the literature for the functionalization of carbon nanotubes (Zheng et al. (2003), Nature Materials 2: 338-342), individual carbon
Nanoröhren beispielsweise mit einzelsträngigen (ssDNA) und therapeutisch wirksamen DNA-Molekülen via „π-stacking" gebunden werden. Die Bindung eines ssDNA-Moleküls kommt über verschiedene Mechanismen zustande und kann partiell oder über die vollständige Länge dieser Struktur erfolgen, wobei bespielhaft eine helikale Verpackung mit links- und rechtsgedrehten „turns" und eine einfache Oberflächenadsorption genannt seien. Eine solche Dispersion funktionalisiert die Kohlenstoff-Nanoröhre per se, da die Hybride aufgrund der Phosphatgruppe des ssDNA-Moleküls negativ geladen sind. Diese Dispersion kann beispielhaft auch mit kurzen doppelsträngigen DNA- Molekülen (dsDNA), siRNA-Konstrukten oder RNA-Molekülen erfolgen.Nanotubes, for example, are bound with single-stranded (ssDNA) and therapeutically active DNA molecules via "π-stacking". The binding of an ssDNA molecule is achieved via various mechanisms and can take place partially or over the full length of this structure, whereby Examples include a helical packaging with left and right turns and a simple surface adsorption. Such a dispersion functionalizes the carbon nanotube per se, since the hybrids are negatively charged due to the phosphate group of the ssDNA molecule. This dispersion can also be used, for example short double-stranded DNA molecules (dsDNA), siRNA constructs or RNA molecules.
In diesen Fällen dient die Kohlenstoff-Nanoröhre als kombinierte Carrier- Shuttle-Funktionseinheit für den Transport von therapeutisch wirksamen Substanzen an einen Wirkort im Körper eines Lebewesens. Eine solche Struktureinheit kann zudem mit Hilfe eines zusätzlichen Carriers, beispielsweise eines kationischen Lipides, umhüllt und verbracht werden.In these cases, the carbon nanotube serves as a combined carrier-shuttle functional unit for the transport of therapeutically active substances to a site of action in the body of a living being. Such a structural unit can also be encased and moved using an additional carrier, for example a cationic lipid.
Beispiel 2Example 2
Svstemische Behandlung eines fortgeschrittenen Prostatakarzinoms (PCa) Im Rahmen der Behandlung einer fortgeschrittenen Tumorerkrankung, beispielsweise eines diffus metastasierten Prostatakarzinoms, werden nach konventioneller diagnostischer Lokalisierung der Metastasenherde partiell Nanorohren peritumoral bzw. intratumoral in das maligne Gewebe injiziert. Bei Verwendung von „langen" Nanorohren mit einer Länge von ca. 10-20 μm, die eine lokale Konzentration im Zielgewebe garantiert (keine freie Diffusion möglich), erfolgt eine thermische Anregung bzw. Freisetzung der in oder an der Nanoröhre ein- bzw. angebrachten antitumoralen Wirkstoffe. Dazu kann beispielweise eine Markierung der Nanorohren mit Cholin erfolgen, was zu einer relativ vermehrten Aufnahme durch die Tumorzellen (im Vergleich zu den umgebenden, nichtmalignen Zellen) führt. Diese Markierungen sind zudem beispielsweise mittels PET-Computertomografie für eine additive prätherapeutische Metastasendiagnostik geeignet. Die Metastasenherde sind ab einer Größe von wenigen Millimetern auf diese Weise darstellbar, und können nachfolgend sofort behandelt werden. Beispiel 3Chemical treatment of advanced prostate cancer (PCa) As part of the treatment of advanced tumor disease, such as diffuse metastatic prostate cancer, nanotubes are sometimes injected into the malignant tissue peritumorally or intratumorally after conventional diagnostic localization of the metastatic foci. When using "long" nanotubes with a length of approx. 10-20 μm, which guarantees a local concentration in the target tissue (no free diffusion possible), there is a thermal excitation or release of those attached or attached to the nanotube For this purpose, for example, the nanotubes can be labeled with choline, which leads to a relatively increased uptake by the tumor cells (in comparison to the surrounding, non-malignant cells) The metastatic foci can be represented in this way from a size of a few millimeters, and can be treated immediately afterwards. Example 3
Lokale Behandlung eines Harnblasenkarzinoms (BCa) Mit den gemäß Beispiel 1 hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren wird eine In- stillationstherapie der Harnblase eines an einem Harnblasenkarzinom erkrankten Patienten durchgeführt. Unter Verwendung eines hochpräzisen und von außen an die Harnblasenwand angelegten Magnetfeldes werden die ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß Beispiel 1 an den Resektionsort eines oberflächlichen Harnblasentumorareals konzentriert. Unter thermischer Anregung wird in einem nachfolgenden Schritt der Wirkstoff im Resektionsbett des Tumors freigesetzt. Abb. 5 zeigt die klinisch lokale Therapie gegen oberflächliche Tumoren der menschlichen Harnblase (Blasenkarzinom, BCa) unter Verwendung der gemäß Beispiel 1 hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit Antisense-DNA- Konstrukten beschichtet sind. Der Tumor wird mittels Elektroresektion entfernt. Die Resektionsränder (Abset- zungsränder nach Entfernung der Tumormasse) werden nach entsprechenderLocal Treatment of Bladder Carcinoma (BCa) With the carbon nanotubes produced according to Example 1, an instillation therapy of the bladder of a patient suffering from bladder carcinoma is carried out. Using a highly precise magnetic field applied to the outside of the bladder wall, the ferromagnetically filled carbon nanotubes according to Example 1 are concentrated at the resection site of a superficial bladder tumor area. In a subsequent step, the active substance is released in the resection bed of the tumor under thermal excitation. Fig. 5 shows the clinically local therapy against superficial tumors of the human urinary bladder (bladder carcinoma, BCa) using the carbon nanotubes produced according to Example 1, which are coated with antisense DNA constructs. The tumor is removed using electroresection. The resection margins (sediment margins after removal of the tumor mass) become corresponding
Lagerung der Harnblase ein- oder zweizeitig mit einer konzentrierten, definierten Lösung überschichtet und inkubiert. Diese Behandlungsform kann im Rahmen von Nachresektionen (sekundäre transurethrale Blasentumorresektion, TUR-B, bzw. bei zystoskopischer Nachkontrolle wiederholt bzw. modifiziert werden. Sie kann zudem auch mit konservativen lokalen Chemotherapien (Mi- tomycin-C, Bacillus-Calmette-Guerin) kombiniert werden. Dabei können diese Wirkstoffe sowohl in der Nanoröhre implementiert sein und gerichtet freigesetzt werden als auch in Form einer äusseren Komplexierung mit den Nanorohren Anwendung finden.Storage of the bladder overlays one or two times with a concentrated, defined solution and incubated. This form of treatment can be repeated or modified as part of post-resections (secondary transurethral bladder tumor resection, TUR-B, or in the case of cystoscopic follow-up). It can also be combined with conservative local chemotherapy (mitomycin-C, Bacillus-Calmette-Guerin) These active ingredients can both be implemented in the nanotube and released in a targeted manner, and can also be used in the form of an external complexation with the nanotubes.
Beispiel 4Example 4
Hvperthermische TumorbehandlungNuclear thermal tumor treatment
Die gemäß Beispiel 1 hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren werden nach Ap- plikation und Targeting an ein Harnblasenkarzinom (BCa) durch externe Bestrahlung zur Wärmeaufnahme angeregt. Ihre Lokalisiserung bedingt eine lokale Aufheizung des Tumorgewebes und damit einen therapieeffizienten und selektiven Untergang von Tumorzellen. Zusätzlich können die erfindungsgemäßen Kohlenstoff-Nanoröhren zur Diagnose (Ortung) dieses Tumors dienen, wenn sie entsprechende Diagnoseeinheiten tragen. Dadurch ist eine zeitliche und dosierbare Kombination von Tumordiagnose und Tumorbehandlung möglich.The carbon nanotubes produced in accordance with Example 1 are excited after application and targeting to a bladder carcinoma (BCa) by external radiation to absorb heat. Their localization requires a local heating of the tumor tissue and thus a therapy-efficient and selective destruction of tumor cells. In addition, the carbon nanotubes according to the invention can be used to diagnose (locate) this tumor if they carry appropriate diagnostic units. This enables a timely and metered combination of tumor diagnosis and tumor treatment.
Beispiel 5Example 5
Intrazellulärer Nachweis von CNT-ClusternIntracellular detection of CNT clusters
Adhärent wachsende humane Harnblasenkarzinomzellen (EJ28-Zellinie) wurden 2 h mit einem Gemisch aus partiell ferromagnetisch gefüllten CNTs ohne Wirkstoff und einem kationischen Lipid inkubiert, anschließend wurden die Zellen mit PBS gewaschen und mittels Trypsin-EDTA-Verdau von Kulturgefäß abgelöst, zentrifugiert und nach Standardprotokollen in Harz eingebettet. Die transmissionselektronenmikropskopische Untersuchung (oben) von 55nm- Dünnschnitten zeigen eine Internalisierung der CNT ins Zytoplasma der Zellen. Anhand der im Transmissionselektronenmikroskop an, in die Tumorzelle aufgenommenen und -durch die Präparation- quergeschnittenen Nanorohren, durchgeführten EDX-Analyse wird eindeutig belegt, dass die lokalisierten Stru- turen mit Eisen gefüllt sind. Neben den charakteristischen Linien Fe-L und Fe-K wird als weitere Hauptkomponente nur Kohlenstoff nachgewiesen. Abb. 10 zeigt eine TEM-Aufnahme und ein EDX-Spektrum einer Fe-gefülltenAdherently growing human bladder carcinoma cells (EJ28 cell line) were incubated for 2 hours with a mixture of partially ferromagnetic-filled CNTs without active ingredient and a cationic lipid, then the cells were washed with PBS and detached from the culture vessel by means of trypsin-EDTA digestion, centrifuged and according to standard protocols embedded in resin. The transmission electron microscopic examination (top) of 55 nm thin sections shows an internalization of the CNT into the cytoplasm of the cells. On the basis of the EDX analysis carried out in the transmission electron microscope on the nanotubes taken into the tumor cell and cross-sectioned by the preparation, it is clearly demonstrated that the localized structures are filled with iron. In addition to the characteristic lines Fe-L and Fe-K, only carbon is detected as a further main component. Fig. 10 shows a TEM image and an EDX spectrum of an Fe-filled one
Kohlenstoffnanoröhre in einer EJ28-Tumorzelle (vor der Hyperthermie- behandlung).Carbon nanotube in an EJ28 tumor cell (before hyperthermia treatment).
Beispiel 6Example 6
Durchflußzvtometrie (FACS-Analvse im FSC-SSC-Dotblot: FACScan. Becton Dickinson) an PC-3 Prostatakarzinomzellen nach Inkubation mit CNT's (vgl. Abb. 11).Flow cytometry (FACS analysis in FSC-SSC dot blot: FACScan. Becton Dickinson) on PC-3 prostate cancer cells after incubation with CNTs (see Fig. 11).
Eine CNT-Lösung (ohne Zellen, links) ist mittels FACS charakterisierbar (Dar- Stellung des Gesamtergebnis für 2x10E4 untersuchte Zellen), wobei die nachweisbaren Partikel eine große Streubreite an Granularität aufweisen, was auf eine signifikante Adhäsion bzw. Clusterbildung der CNT hinweist. Vergleicht man unbehandelte Zellen (Mitte) mit den gleichen Zellen, welche 2 h mit einer CNT-Lösung inkubiert und wie im Beispiel 5 weiterbehandelt (Trypsinisierung und Zeπtrifugation) worden sind (rechte Seite), so erkennt man eine deutlicheA CNT solution (without cells, left) can be characterized using FACS (presentation of the overall result for 2x10E4 cells examined), whereby the detectable particles have a wide range of granularity, which indicates a significant adhesion or clustering of the CNT. If untreated cells (middle) are compared with the same cells, which are incubated for 2 h with a CNT solution and treated as in Example 5 (trypsinization and centrifugation) (right side), you can see a clear one
Zunahme der relativen Granularität bei der Mehrheit der analysierten Zellen. Dies ist ein unabhängiger Nachweis, dass eine Assoziation der CNT mit Zellen in vitro stattfindet. Diese FSC-SSC-Analyse kann jedoch nicht zwischen extrazellulärer Adhäsion der CNTs an die Zellmembran bzw. eine Lokalisation in der Zellmembran und einer zytoplasmatischen Lokalisation unterscheiden. DerIncrease in relative granularity in the majority of cells analyzed. This is independent evidence that CNT is associated with cells in vitro. However, this FSC-SSC analysis cannot differentiate between extracellular adhesion of the CNTs to the cell membrane or a localization in the cell membrane and a cytoplasmic localization. The
Nachweis der Aufnahme ferromagnetisch gefüllter Kohlenstoff-nanoröhren in die Tumorzellen wurde durch TEM-Untersuchungen erbracht.Evidence of the uptake of ferromagnetically filled carbon nanotubes into the tumor cells was provided by TEM investigations.
Beispiel 7Example 7
Magnetisierungskurven eines Tumorzellen-CNT-Gemisches Die EJ28-Zellen wurden für 2 h in Petrischalen mit CNT-Lipid-Gemischen gemäß Beispiel 5 inkubiert, anschliessend zweifach mit PBS gewaschen und nach Trypsin-Verdau als Zellpellett bis zur Messung gelagert.Magnetization curves of a tumor cell-CNT mixture The EJ28 cells were incubated for 2 h in petri dishes with CNT-lipid mixtures according to Example 5, then washed twice with PBS and stored as a cell pellet after trypsin digestion until the measurement.
Abbildung 8 zeigt Magnetisierungskurven von Fe-gefüllten Kohlenstoffnanoröh- ren, transferiert in Tumorzellen, wobei diese Zellen aus behandeltem Gewebe rückgewonnen wurden. Die Magnetisierungskurven zeigen ein typisches ferro- magnetisches Verhalten der in den Zellen aufgenommenen Fe-gefüllten Koh- lenstoffnanoröhren. Eine ausgeprägte Anisotropie kann durch die Messungen nicht nachgewiesen werden. Das ist aufgrund der fehlenden Vorzugsorientierung in Zellen auch nicht zu erwarten. Die Höhe der Sättigungsmagnetisierung ist eindeutig von der transferierten Menge α-Eisens in den gefüllten Kohlen- stoffnanoröhren abhängig. Eine Korrelation der nachgewiesenen elementar- magnetischen Einheiten (emu), die in direktem Zusammenhang zur Masse des in die Zellen aufgenommenen α-Eisens steht, beweist, dass für eine erfolgreiche Hyperthermie genügend Eisen in die Zellen aufgenommen wurde. Es bedeuten: μ0H = angelegte magnetische Induktion m = magnetisches Moment Beispiel 8Figure 8 shows magnetization curves of Fe-filled carbon nanotubes, transferred into tumor cells, whereby these cells were recovered from treated tissue. The magnetization curves show a typical ferromagnetic behavior of the Fe-filled carbon nanotubes taken up in the cells. A pronounced anisotropy cannot be demonstrated by the measurements. This is not to be expected due to the lack of preferential orientation in cells. The level of saturation magnetization is clearly dependent on the transferred amount of α-iron in the filled carbon nanotubes. A correlation of the detected elementary magnetic units (emu), which is directly related to the mass of the α-iron absorbed into the cells, proves that enough iron was absorbed into the cells for successful hyperthermia. The meanings are: μ 0 H = applied magnetic induction m = magnetic moment Example 8
Anwendungsbeispiel für erfindungsgemäße CNTs mit zwei unterschiedlichen Wirkstoffen im InnerenApplication example for CNTs according to the invention with two different active ingredients inside
Mit einer standardisierten Messzelle, die sowohl eine magnetische und daraus resultierende Wärmemanipulation von außen erlaubt als auch eine lokaie Kon- trolle der Wärmeentwicklung (Prinzip der Messkammer am Beispiel einer CNT-With a standardized measuring cell that allows both magnetic and resulting heat manipulation from the outside and local control of the heat development (principle of the measuring chamber using the example of a CNT
Behandlung von Tumorzellen, vergl. Abb. 9) im Inneren der Kammer ist die Therapiewirkung einer CNT-Behandlung nachweisbar und optimierbar. Diese Messungen lassen sich sowohl auf Gewebeebene (frisch gewonnene und in eine physiologische Lösung eingelegten Gewebedickschnitte) als auch an ex- plantierten Organen durchführen und werden nachfolgend an einem Beispiel aufgezeigt:Treatment of tumor cells, see Fig. 9) inside the chamber, the therapeutic effect of a CNT treatment can be demonstrated and optimized. These measurements can be carried out both on tissue level (freshly obtained tissue thick sections and placed in a physiological solution) as well as on explanted organs and are shown below using an example:
Ein PCa-Xenotransplantattumor menschlichen Ursprungs (PC3-Zellen) wurde als solider Tumor aus der Nacktmaus explantiert. Daraus wurden Gewebegrob- schnitte mit einer Dicke von 5 mm gewonnen und in die Lösung der Messkammer überführt. Nach Fixierung des Gewebeschnittes in der Messkammer erfolgte eine intratumorale Injektion einer CNT-Lösung (insgesamt 100μg CNT, an 6 unterschiedlichen Injektionsstellen, verteilt über die Gewebeschnittfläche) wie im Grundtyp 1 beschrieben, d.h. mit zwei unterschiedlichen Polymeren ver- schlössen und mit Carboplatin sowie mit einem Nukleinsäurekontrukt nichthumanem Ursprungs befüllt.A PCa xenograft tumor of human origin (PC3 cells) was explanted as a solid tumor from the nude mouse. From this, rough tissue sections with a thickness of 5 mm were obtained and transferred to the solution of the measuring chamber. After the tissue section had been fixed in the measuring chamber, an intratumoral injection of a CNT solution (100 μg CNT in total, at 6 different injection sites, distributed over the tissue section area) was carried out as described in basic type 1, i.e. sealed with two different polymers and filled with carboplatin and with a nucleic acid construct of non-human origin.
Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes wurden anschließend die markierten Injektionsstellen (markiert und mit Wärmesensoren gekoppelt durch kon- taktfreies Heizen der CNTs auf eine Temperatur von 44°C (mittlere Temperatur im 3 mm Radius um die Injektionsstelle bzw. Messfühlerlokalisation) erhitzt. Beim Erreichen dieser Temperatur kam es zu einer Konformitätsänderung des Polymer/Gels 1 mit nachfolgender Freisetzung/Exposition von Carboplatin. Die lokale antitumorale Wirkung des Therapeutikums wurde durch Vergleichunter- suchungen mit einem Placebo (Füllung mit einem ungiftigen Polymer) anhand eines histologischen (TUNEL-Assay zur Spätapoptosedetektion) und patho- morphologischer Nachweis von Apoptosen/Nekrosen im Gewebeschnitt im Zeitraum 24-96 h nach Freisetzung des Therapeutikums bzw. per FACS- Analyse (Annexin-V-Pl-Analyse zum Nachweis von früher und später Apoptose sowie von Nekrosen) erbracht. Desweiteren wurden einige Schnitte eine halbeThe marked injection sites (marked and coupled with heat sensors by contact-free heating of the CNTs to a temperature of 44 ° C (average temperature in a 3 mm radius around the injection site or sensor location) were then heated by applying an external magnetic field. When this temperature was reached There was a change in conformity of polymer / gel 1 with subsequent release / exposure of carboplatin The local antitumor effect of the therapeutic agent was determined by comparative studies with a placebo (filling with a non-toxic polymer) using a histological (TUNEL assay for late apoptosis detection) and Pathomorphological detection of apoptosis / necrosis in the tissue section in the period 24-96 h after release of the therapeutic agent or by FACS analysis (Annexin-V-PI analysis to detect early and late apoptosis and necrosis). Furthermore, some cuts were half
Stunde nach Freisetzung von Carboplatin und dem kontaktfreien Heizen auf 48°C erhitzt, dem Schmelzpunkt des zweiten Polymers (nachfolgend CNT- basiert geheizte Gewebeprobe genannt). Der Nachweis der Freisetzung von Nukieiπsäurefragmenten, die beispielhaft die Füllung mit dem zweiten Thera- peutikum darstellten, erfolgte durch spezifischen PCR-Nachweis des nichthumanen Fragmentes (Luziferasegenfragment), wobei als Kontrollen zwei unterschiedliche Gewebeproben dienten, die einerseits mit der gleichen Menge an CNT befüllt, aber nicht geheizt worden waren (Negativkontrolle 1) als auch andererseits Gewebeproben ohne CNT-Injektion, jedoch mit Magnetfeldbehand- lung wie CNT-injizierte Probe (Negativkontrolle 2). Dabei konnte eindeutig und ausschließlich für die zweifach, CNT-basiert geheizte Gewebeprobe nachgewiesen werden, dass nach der Carboplatin-Freisetzung außerdem bei einer lokal detektierten Temperatur von 48°C eine Freisetzung von Luziferase-DNA- Fragmenten in das injizierte Gewebe erfolgte.Hours after the release of carboplatin and non-contact heating heated to 48 ° C, the melting point of the second polymer (hereinafter referred to as CNT-based heated tissue sample). The detection of the release of nucleic acid fragments, which exemplarily represented the filling with the second therapeutic agent, was carried out by specific PCR detection of the non-human fragment (luciferase gene fragment), two different tissue samples serving as controls, which on the one hand filled with the same amount of CNT, but had not been heated (negative control 1) and, on the other hand, tissue samples without CNT injection, but with magnetic field treatment like CNT-injected sample (negative control 2). It could be clearly and exclusively for the double, CNT-based heated tissue sample that after the carboplatin release also at a locally detected temperature of 48 ° C, luciferase DNA fragments were released into the injected tissue.
Beispiel 9Example 9
Weiteres Anwendungsbeispiel der CNTs gemäß Beispiel 8Another application example of the CNTs according to Example 8
Eine narkotisierte Nacktmaus, die subkutan einen PCa-Xenotransplantatumor (PC3-Zellen, wie im Beispiel 8) von 1 cm Maximaldurchmesser getragen hatte, wird in der Messkammer gemäß Abb. 9 fixiert. Nach Injektion von CNT gemäß Beispiel 8 (Gesamtdosis 200μg) über die Schwanzvene wird nach 2 h ein äußeres Magnetfeld angelegt. In einem Magnetfeld von 15 kA/m wurde eine Frequenz von 40kHz realisiert. Nach einer in Vorversuchen optimierten Magnet- feldinkubation des gesamten Tierkörpers, wobei im Tumorrandbereich mehrerer Temperatursonden implementiert worden waren, über die eine lokale Temperaturmessung erfolgte, wurde die Zieltemperatur von 44°C in peritumoralen Arealen nachgewiesen, wobei die Maus anschließend und ohne weitere Magnetfeldeinwirkung noch 2 weitere Stunden unter Narkose gehalten wurde. Anschließend erfolgte in den Zeiträumen 24/48/72 eineAn anesthetized nude mouse, which had carried a PCa xenograft tumor (PC3 cells, as in Example 8) of 1 cm maximum diameter subcutaneously, is fixed in the measuring chamber according to Fig. 9. After injection of CNT according to Example 8 (total dose 200 μg) via the tail vein, an external magnetic field is applied after 2 h. A frequency of 40 kHz was realized in a magnetic field of 15 kA / m. After an optimized magnetic field incubation of the entire animal body in preliminary tests, whereby several temperature probes had been implemented in the tumor border area, via which a local temperature measurement was carried out, the target temperature of 44 ° C was detected in peritumoral areas, with the mouse subsequently and without further magnetic field exposure 2 was kept under anesthesia for additional hours. Then followed in the periods 24/48/72
Teilgewebeentnahme. TEM-Untersuchungen der äußeren Tumorränder des Tumor belegten die Anreicherung von CNT an, in und zwischen Tumorzellen. Unter histologischer Kontrolle (H&E-Färbung) konnte in den äußeren Gewebearealen zudem therapieinduzierte antiproliferative Effekte (Apoptoseinduktion) nachgewiesen werden. Eine zweite Maus wurde wie oben den. Eine zweite Maus wurde wie oben beschrieben identisch behandelt, nur erfolgte nach dem Erreichen der Zieltemperatur 1 (44°C) eine Weiterbehandlung im Magnetfeld bis zum erreichen der Zieltemperatur 2 (48°C). Die dadurch freigesetzten Nukleinsäurefragmente konnten über eine nichtradioaktive Markierung im Gewebeverband sichtbar gemacht werden. Diese Resultate bestä- tigten die Machbarkeit der lokalen und CNT-induzierten Hyperthermie in Kombination mit Chemotherapie sowie deren therapeutische Effizienz. Tissue removal. TEM examinations of the outer tumor edges of the tumor confirmed the accumulation of CNT in and between tumor cells. Under histological control (H&E staining), therapy-induced antiproliferative effects (apoptosis induction) were also detected in the outer tissue areas. A second mouse was like above the. A second mouse was treated identically as described above, only after reaching target temperature 1 (44 ° C) was treatment continued in the magnetic field until target temperature 2 (48 ° C) was reached. The nucleic acid fragments released in this way could be made visible via a non-radioactive label in the tissue association. These results confirmed the feasibility of local and CNT-induced hyperthermia in combination with chemotherapy and their therapeutic efficiency.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von partiell ferromagnetisch mit einem der Elemente Eisen, Kobalt, Nickel, einer Legierung daraus oder einer Legierung dieser Elemente mit Platin gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren, die diagno- stisch und/oder therapeutisch wirksame Verbindungen tragen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat ganzflächig mit einer Schicht versehen wird, auf der die ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren nicht wachsen, wobei deren Dicke in Abhängigkeit von der gewünschten Länge der Nanorohren ausgewählt ist, anschließend auf diese Schicht eine Fo- tolackschicht aufgebracht wird, nachfolgend mittels lithographischer Methoden ein Dotmuster in Form von Löchern gleicher Größe eingebracht wird, wobei deren Durchmesser in Abhängigkeit von dem gewünschten Außendurchmesser der resultierenden Nanorohren ausgewählt ist, nun nach Belichtung und Resistentwicklung durch ein gerichtetes Ätzverfahren unter einem Winkel von ca. 90 ° die Schicht, auf der die ferromagnetisch gefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren nicht wachsen, an den nicht mit Fotolack bedeckten Stellen so abgedünnt wird, dass Löcher in der Tiefe entstehen, die der gewünschten Länge der Nanorohren entsprechen, anschließend der Boden der Löcher mit einer katalytisch wirkenden Metall- schicht beschichtet wird, nachfolgend in den Löchern mittels chemischer Gasphasenabscheidung (katalytische Pyrolyse von metallorganischen Verbindungen und/oder Kohlenwasserstoffen) partiell mit den ferromagnetischen Materialien gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhren abgeschieden werden, danach oberflächlich überstehende Anteile durch ein gerichtetes Ätzverfahren entfernt werden, anschließend die partiell mit den ferromagnetischen Materialien gefüllten Nanorohren gegebenenfalls einer thermischen Behandlung unterzogen werden und danach die Nanorohren a) über die geöffnete Seite mit diagnostisch und/oder therapeutisch wirk- samen Verbindungen befüllt, mit einem bioverträglichen und im Körper abbaubaren Polymer oder Gel verschlossen, vom Substrat gelöst und gegegebenenfalls auf der Oberfläche mittels einer Carrier-Verbindung biofunktionalisiert werden oder b) mit einem bioverträglichen Polymer oder Gel verschlossen, vom Substrat gelöst und auf der Oberfläche mit diagnostisch und/oder therapeutisch wirksamen Verbindungen und gegebenenfalls zusätzlich mittels einer Carrier-Verbindung biofunktionalisiert werden.1. A process for the production of partially ferromagnetic with one of the elements iron, cobalt, nickel, an alloy thereof or an alloy of these elements with platinum-filled carbon nanotubes which carry diagnostically and / or therapeutically active compounds, characterized in that a The entire surface of the substrate is provided with a layer on which the ferromagnetically filled carbon nanotubes do not grow, the thickness of which is selected as a function of the desired length of the nanotubes, then a photoresist layer is applied to this layer, subsequently a dot pattern using lithographic methods in the form of holes of the same size, the diameter of which is selected as a function of the desired outer diameter of the resulting nanotubes, now after exposure and resist development by a directional etching process at an angle of approximately 90 °, the layer on which the ferr do not grow the magnetically filled carbon nanotubes, thin the areas not covered with photoresist so that holes are created in the depth corresponding to the desired length of the nanotubes, then the bottom of the holes is coated with a catalytically active metal layer, below carbon nanotubes partially filled with the ferromagnetic materials are deposited in the holes by chemical vapor deposition (catalytic pyrolysis of organometallic compounds and / or hydrocarbons), then superficial protrusions are removed by a directional etching process, then the nanotubes partially filled with the ferromagnetic materials, if necessary are subjected to a thermal treatment and then the nanotubes a) are filled via the open side with diagnostically and / or therapeutically active compounds, with a biocompatible and in the body a Buildable polymer or gel closed, detached from the substrate and optionally biofunctionalized on the surface by means of a carrier compound or b) sealed with a biocompatible polymer or gel, detached from the substrate and biofunctionalized on the surface with diagnostically and / or therapeutically active compounds and optionally additionally by means of a carrier compound.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als thermische Behandlung eine plasmachemische Behandlung in Argon oder Argon/Wasserstoff-Atmosphäre bei ca. 800-900 °C durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a plasma chemical treatment in argon or argon / hydrogen atmosphere is carried out at about 800-900 ° C as the thermal treatment.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als thermi- sehe Behandlung eine Glühung der gefüllten Kohlenstoffnanoröhren kurz unterhalb der Curietemperatur des entsprechenden Füllmaterials so durchgeführt wird, dass eine vollständige Umwandlung aller Phasen des Füllmaterials in die ferromagnetische Modifikation erreicht wird.3. The method according to claim 1, characterized in that as a thermal treatment, an annealing of the filled carbon nanotubes is carried out shortly below the Curie temperature of the corresponding filler material such that a complete conversion of all phases of the filler material into the ferromagnetic modification is achieved.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoffe für die chemische Gasphasenabscheidung Metallocene der Elemente Eisen, Kobalt, Nickel oder deren Gemische, Carbonyle dieser Metalle oder deren Gemische, gegebenenfalls im Gemisch mit thermisch leicht zersetzbaren Platinverbindungen, eingesetzt werden.4. The method according to claim 1, characterized in that the starting materials for the chemical vapor deposition are metallocenes of the elements iron, cobalt, nickel or their mixtures, carbonyls of these metals or their mixtures, optionally in a mixture with thermally easily decomposable platinum compounds.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einwandiger Nanorohren bei der chemischen Gasphasenabscheidung als Katalysatorpartikel auf dem Substrat mehrkomponentige Legierungen, vorzugsweise Eisen/Molybdän, verwendet werden, in denen der aktive Katalysator, vorzugsweise Eisen, eingebettet und in seiner Größe dadurch stabilisiert ist.5. The method according to claim 1, characterized in that for the production of single-walled nanotubes in chemical vapor deposition as catalyst particles on the substrate multi-component alloys, preferably iron / molybdenum, are used, in which the active catalyst, preferably iron, is embedded and thereby its size is stabilized.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der chemischen Gasphasenabscheidung das Wachstum der leeren Kohlen- stoffnanoröhren durch alleiniges Einleiten des Kohlenwasserstoffes erreicht wird, bei Einleitung eines Gemisches aus Kohlenwasserstoff und metallorganischer Verbindung partiell gefüllte und bei ausschließlichem Einleiten von metallorganischen Verbindungen das Wachstum der gefüllten Kohlenstoffröhren erfolgt. 6. The method according to claim 1, characterized in that in the chemical vapor deposition the growth of the empty carbon nanotubes is achieved by introducing the hydrocarbon alone, when a mixture of hydrocarbon and organometallic compound is introduced, the growth is partially filled and when exclusively introducing organometallic compounds the filled carbon tubes.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das gerichtete Ätzverfahren zum Entfernen der oberflächlich überstehenden Anteile unter einem Winkel von 2 bis 45° zur Oberfläche des Substrates durchgeführt wird, vorzugsweise von 5 bis 15°.7. The method according to claim 1, characterized in that the directional etching process for removing the superficial protruding portions is carried out at an angle of 2 to 45 ° to the surface of the substrate, preferably from 5 to 15 °.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gerichtete Ätzen mit Ionen mittels IBE (Ion Beam Etching), RIBE (Reactive Ion Beam Etching) oder CAIBE (Chemical Assisted Ion Beam Etching) durchgeführt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the directional etching with ions by means of IBE (Ion Beam Etching), RIBE (Reactive Ion Beam Etching) or CAIBE (Chemical Assisted Ion Beam Etching) is carried out.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung der Nanorohren mit diagnostischen und/oder therapeutisch wirksamen Verbindungen durch Abscheidung aus der Gasphase oder durch Flüssigverfahren vorgenommen wird.9. The method according to claim 1, characterized in that the filling of the nanotubes with diagnostic and / or therapeutically active compounds is carried out by deposition from the gas phase or by liquid processes.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der Nanorohren mit einem bioverträglichen Polymer mittels Argon-Plasmapolymerisation durchgeführt wird.10. The method according to claim 1, characterized in that the sealing of the nanotubes with a biocompatible polymer is carried out by means of argon plasma polymerization.
1 1. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als bioverträgliches Polymer ein Polyethylenglycol, ein Copolymer aus Milchsäure und Glycolsaure, ein Copolymer aus Milchsäure, Glycolsaure und PEG oder andere strukturverwandte und bioverträgliche Polymere eingesetzt werden.1 1. The method according to claim 1, characterized in that a polyethylene glycol, a copolymer of lactic acid and glycolic acid, a copolymer of lactic acid, glycolic acid and PEG or other structurally related and biocompatible polymers are used as the biocompatible polymer.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass partiell mit ferromagnetischen Materialien befüllte Nanorohren hergestellt werden, die die ferromagnetische Füllung mittig beinhalten, die geschlossene Seite der Röhren in einem Argon/Sauerstoff-Niderdruckplasma geöffnet wird, die Röhren beidseitig mit einem gleichen oder mit unterschiedlichen Wirkstoffen befüllt und die beiden Enden mit gleichen oder unterschiedlichen Polymeren oder Gelen verschlossen werden, wobei die Polymere/Gele so ausgewählt sind, dass jedes bei einer anderen Temperatur im Körper abbaubar ist. 12. The method according to claim 1, characterized in that partially filled with ferromagnetic materials nanotubes are produced, which contain the ferromagnetic filling in the center, the closed side of the tubes is opened in an argon / oxygen low-pressure plasma, the tubes on both sides with the same or with different active ingredients are filled and the two ends are closed with the same or different polymers or gels, the polymers / gels being selected so that each is degradable in the body at a different temperature.
13. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Biofunktionalisierung der äußeren Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren derart vorgenommen wird, dass die Nanorohren an der äußeren Oberfläche partiell mit einem Metall versehen werden, das die gezielte Anbindung der diagnostisch und/oder therapeutisch wirksamen Verbindungen an diesen Stellen ermöglicht.13. The method according to claim 1, characterized in that the biofunctionalization of the outer surface of the carbon nanotubes is carried out in such a way that the nanotubes are partially provided on the outer surface with a metal which enables the targeted connection of the diagnostically and / or therapeutically active compounds enabled at these points.
14. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nanorohren in einer solchen Länge hergestellt werden, dass im Schritt a) nach Befül- lung mit einem ersten Wirkstoff und Verschluss mit einem ersten Polymer oder Gel ein zweiter Wirkstoff oder nochmals der erste Wirkstoff eingefüllt werden kann und mit einem zweiten, bei einer niedrigeren Temperatur im Körper abbaubaren Polymer oder Gel verschlossen wird.14. The method according to claim 1, characterized in that the nanotubes are produced in such a length that in step a) after filling with a first active ingredient and sealing with a first polymer or gel, a second active ingredient or again the first active ingredient can be sealed with a second polymer or gel that degrades at a lower temperature in the body.
15. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als diagnostisch oder therapeutisch wirksame Verbindungen, mit welchen die Kohlenstoff-Nanoröhren befüllt und/oder auf der Oberfläche biofunktionalisiert werden, Biomoleküle, Elemente mit Ordnungszahlen über 50, Chromo- phore oder Fluorophore eingesetzt werden.15. The method according to claim 1, characterized in that biomolecules, elements with atomic numbers above 50, chromophores or fluorophores are used as diagnostically or therapeutically active compounds with which the carbon nanotubes are filled and / or biofunctionalized on the surface.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Biomoleküle Peptide, Proteine, Nucleinsäuren, Antikörper, deren Fragmente, Enzyme, Hormone oder Polysaccharide eingesetzt werden.16. The method according to claim 15, characterized in that peptides, proteins, nucleic acids, antibodies, their fragments, enzymes, hormones or polysaccharides are used as biomolecules.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als therapeutisch wirksame Verbindungen chemisch oder gentechnisch hergestellte Wirkstoffe eingesetzt werden, insbesondere Antitumormittel.17. The method according to claim 15, characterized in that chemically or genetically engineered active substances, in particular antitumor agents, are used as therapeutically active compounds.
18. Partiell ferromagnetisch gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhren, die diagnostisch und/oder therapeutisch wirksame Verbindungen tragen, hergestellt nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 17.18. Partially ferromagnetically filled carbon nanotubes which carry diagnostically and / or therapeutically active compounds, produced by the method of claims 1 to 17.
19. Kohlenstoff-Nanoröhren nach Anspruch 18 zur Verwendung als diagnostisches und/oder therapeutisches Mittel. 19. Carbon nanotubes according to claim 18 for use as a diagnostic and / or therapeutic agent.
20. Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren nach Anspruch 18 zur Herstellung eines diagnostischen und/oder therapeutischen Mittels, insbesondere zur Diagnose und/oder Therapie von Tumorerkrankungen.20. Use of carbon nanotubes according to claim 18 for the production of a diagnostic and / or therapeutic agent, in particular for the diagnosis and / or therapy of tumor diseases.
21. Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren nach Anspruch 20 zur Diagnose und/oder Therapie von Harnblasen- oder Prostatakarzinom.21. Use of carbon nanotubes according to claim 20 for the diagnosis and / or therapy of bladder or prostate cancer.
22. Verfahren zur Diagnose und/oder Behandlung einer Tumorerkrankung, insbesondere von Harnblasen- oder Prostatakarzinom, dadurch gekenn- zeichnet, dass dem Probanden eine wirksame Menge der Kohlenstoff- Nanoröhren gemäß Anspruch 18 verabreicht wird. 22. A method for diagnosing and / or treating a tumor disease, in particular bladder or prostate cancer, characterized in that the test subject is administered an effective amount of the carbon nanotubes according to claim 18.
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