Development and physico-chemical characterization of nanocapsules

Abstract

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die physiko-chemische Charakterisierung von Nanokapseln, um ein besseres Verständnis für diese komplexen Wirkstoff-Carrier zu entwickeln. Darüber hinaus wurde das Verhalten von Nanokapseln in simulierter Intestinalflüssigkeit unter Einbeziehung von Enzymen untersucht, um Voraussagen über die perorale Applikation treffen zu können. Abschließend war das Schicksal von Nanokapseln nach oraler Applikation an Mäusen (ex vivo) von Interesse. Die nicht-invasive Methode der Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie wurde zur Charakterisierung verwendet, um Informationen über die Nanocarrier zu gewinnen, die mit konventionellen Techniken nicht zugänglich sind. Um ESR-Untersuchungen zu ermöglichen, wurden paramagnetische Modellarzneistoffe in die Nanokapseln eingebaut. Die so genannnten Spindsonden wurden aufgrund ihres Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten ausgewählt. Beim Verdünnen der Nanokapseldispersion stellte sich für Modellarzneistoffe mit einer mittleren Lipophilie innerhalb einer Minute en neues Verteilungsgleichgewicht zwischen dem Arzneistoffcarrier und seiner neuen Umgebung ein. Mit dem ESR-Verdünnungsassay konnten zum ersten Mal Momentaufnahmen dieses Verteilungsprozesses angefertigt werden, die quantifizierbare Ergebnisse lieferten. Mittels Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) mit Kontrastvariation konnte ein detailliertes Modell des Nanokapselaufbaus von Poly(d,l-Laktid)-Nanokapseln aufgestellt werden. Die Kapselhülldicke wurde quantitativ bestimmt. Komplexe Koazervation in Verbindung mit Hochdruckhomogenisation wurde erfolgreich verwendet, um neuartige mehrschichtige Polyelektrolytkomplex-Nanokapseln aus Biopolymeren zu designen. Weiterhin wurde eine ESR-Online-Methode zum In-vitro-Monitoring des Fettabbaus entwickelt. Diese Methode ermöglicht es, die Umverteilung eines Modellarzneistoffs zwischen Lipidcarrier und dessen verschiedenen Verdauungsphasen in Echtzeit zu verfolgen. Im Ex-vivo-ESR-Experiment konnte gezeigt werden, dass ein lipophiler Modellarzneistoff nach intragastrischer Applikation von PEG-PLA-Nanokapseln in Mäusen die Blutbahn erreicht.

The aim of the present study was a physico-chemical characterization of nanocapsules in order to get a deeper understanding of these complex drug carrier systems. Furthermore the behaviour of nanocapsules in simulated intestinal fluids in the presence of enzymes was investigated to predict their fate after peroral application. Finally the interest of this work lay on the fate of nanocapsules after peroral administration to mice (ex vivo). The non-invasive electron spin resonance (ESR) spectroscopy was used to gain information on the nano-scaled carriers which can not be gained by conventional techniques. To enable ESR studies, paramagnetic model drugs were incorporated into the nanocapsules. The so-called spin probes were chosen by their octanol water partition coefficient. ESR experiments showed a fast relocation of an encapsulated moderately lipophilic model drug into the aqueous environment upon dilution of nanocapsules. The ESR dilution assay enabled the first real-time shots of this partition process which was quantified. Small angle neutron scattering (SANS) at a contrast-matched interface yielded a comprehensive model on the core-shell structure of poly(d,l-lactide) nanocapsules. The shell thickness was determined. Complex coazervation combined with high pressure homogenization has been carried out successfully to design novel composite polyelectrolyte nanocapsules composed of biopolymers. An online method for in vitro monitoring of fat digestion based on ESR was developed. This method offers the possibility to follow the redistribution of model drugs between lipid carriers and their different digestion phases in real time. Ex vivo ESR experiments showed that a lipophilic model drug reached the blood stream after intragastric administration of PEG-PLA nanocapsules to mice.