DE19930795A1 - Verfahren zur Verkapselung von Substanzen sowie Teilchen dafür - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Verkapselung von chemischen oder biologischen Substanzen diffundieren die Substanzen in vorfabrizierte, meist kugelförmige Partikel von homogener Größe. Beim anschließenden Trocknen schrumpfen die Partikel stark und die Partikelmatrix bildet zusammen mit der verkapselten Substanz eine kompakte Einheit. Slow release Medikamente können nach diesem Verfahren einfach und mit sehr homogener Partikelgröße erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkapselung von chemischen oder biologischen Substanzen, bei dem gegebenen­ falls zumindest zwei Substanzen zusammengeführt werden, von denen eine ein Wirkstoff sowie eine andere ein Zusatzstoff ist, der sich im menschlichen oder tierischen Körper lang­ sam zersetzt und dadurch den Wirkstoff freigibt. Zudem er­ faßt die Erfindung Teilchen für dieses Verfahren.

Die Verkapselung von biologischen und chemischen Substanzen - wie etwa von medizinischen Wirkstoffen - hat vor allem in der pharmazeutischen Industrie und in der Biotechnologie eine große Bedeutung. Durch die Verkapselung kann man u. a. eine Schutzwirkung, eine bessere Handhabbarkeit oder eine spezielle Darreichungsform der Wirkstoffe erzielen. Werden medizinische Wirkstoffe in den Körper eines Patienten ge­ spritzt, so wird der ganze Körper - oder werden spezifi­ sche Teile davon - vom Wirkstoff überschwemmt. Bei vielen Applikationen ist dies nicht erwünscht, sondern es wird eine kontinuierliche Durchdringung des Körpers während längerer Zeit angestrebt, was slow release oder Depotwir­ kung genannt wird. Dazu werden die Wirkstoffe oft in andere Substanzen eingepackt, aus denen sie langsam freigesetzt werden, indem die zweite Substanz beispielsweise selber langsam zerfällt oder eine Diffusionsbarriere für den Wirk­ stoff bildet.

Eine klassische Methode zum Herstellen von slow release Partikeln ist die sog. Coazervationstechnik. Dadurch werden jedoch Partikelchargen erzeugt, die eine äußerst inhomogene Partikelgröße besitzen, was für die Freisetzungskinetik der Wirksubstanzen sehr nachteilig ist. Andere Nachteile sind die Entstehung großer Abfallmengen, die Beschränkung auf wenige geeignete Polymersysteme oder der Bedarf eines spe­ ziellen Gerätes, z. B. eines Rührkessels.

Homogene Partikelchargen können durch die Zertropfung eines Flüssigkeitsstrahles, auf den eine Schwingung überlagert wurde, erzeugt werden. Jedoch auch diese Technik ist auf einige wenige Polymersysteme beschränkt, produziert oft un­ förmige und klebrige Partikel, erzeugt unter Umständen große Abfallmengen und benötigt spezielle Geräte. Beide Systeme besitzen den Nachteil, dass viele Substanzen bei der Härtung der Partikel in das Härtungsbad ausgeschwemmt werden und dadurch verloren gehen können.

Wenn nur eine sehr geringe Substanzmenge zur Verfügung steht, ist die Erzeugung weniger Partikel besonders bei der Coazervationstechnik problematisch, so dass die Herstellung einer Partikelcharge wegen der relativ großen Menge an zu verkapselnder Substanz sehr teuer werden kann.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die geschilderten Mängel gänz­ lich oder zumindest großteils unterbunden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängi­ gen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Wei­ terbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschrei­ bung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zu verkap­ selnden Substanzen in einer Flüssigkeit gelöst oder sehr fein suspendiert zu vorfabrizierten Teilchen gegeben, in die sie hineindiffundieren und beim Entfernen der Flüssig­ keit in der Matrix der Teilchen zurückgehalten werden. Dazu hat es sich als günstig erwiesen, zuerst Polymerpartikel von sehr homogener Größe und mit einem Feststoffgehalt von 1 bis 10% herzustellen. Die Flüssigkeit dieser Partikel - meistens Wasser - wird durch das für die zu verkapselnde Substanz geeignete Lösungsmittel ausgetauscht. Von diesen Partikeln kann eine größere Menge auf Vorrat gehalten werden. Bei Bedarf wird von einer Partikelsuspension das Lösungsmittel abgesaugt, so dass die mit Lösungsmittel prall gefüllten Partikel zurück bleiben.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann um die mit der zu verkapselnden Substanz gefüllten Polymerpartikel eine Schicht gebildet werden, durch welche die verkapselte Substanz nicht hindurchdringen kann und die sich nach einiger Zeit selbst zersetzt; dadurch wird die Substanz zeitlich verzögert freigesetzt. Eine optimale Konstruktion würde so aussehen, dass die Polymerkugel mit Wasser und einem Impfstoff gefüllt ist und um sie eine wasserdichte poly-lactic-acid Schicht besteht. Der Vorteil dieser Konstruktion gegenüber Polymerkugeln, in denen der Impfstoff in poly-lactic-acid verkapselt ist, besteht darin, dass der Impfstoff nicht durch das benötigte hydrophobe Lösungsmittel denaturiert wird - und so einen beachtlichen Anteil der Wirkung verliert -, sondern im wässrigen Medium bleibt.

Die zu verkapselnde Substanz wird im geeigneten Lösungsmit­ tel gelöst oder sehr fein suspendiert (Nanopartikel). Diese Lösung/Suspension wird mit einer definierten Menge Partikel vermischt, so dass die Substanz in die Partikel hineindif­ fundieren kann. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, was bei Partikeln < 1 mm und sanftem Durchmischen nur einige Minuten in Anspruch nimmt, wird die überschüssige Lösung abgesaugt, und zurück bleiben die mit Lösungsmittel und Substanz gefüllten Partikel. Diese Partikel können be­ vorzugt im Luftstrom getrocknet werden. Dabei schrumpfen sie oft um 50% bis 95%, was für viele Anwendungen vor­ teilhaft ist, z. B. können kleinere Partikel einfacher ge­ spritzt werden. Mit diesem Verfahren ist es möglich, ohne großen apparativen Aufwand - falls vorfabrizierte Partikel zugekauft werden - viele verschiedene Substanzen innerhalb kurzer Zeit zu verkapseln.

Ein anderer Vorteil liegt darin, dass je Ansatz auch ganz kleine Substanzmengen eingesetzt werden können, ohne dass die Möglichkeit des Up-scaling in Frage gestellt wird, was bei teuren medizinischen Wirkstoffen sehr wichtig sein kann.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass durch die Wahl der Substanzkonzentration und der Teilchen­ durchmesser eine definierte Menge Substanz pro Teilchen verkapselt werden kann.

Im Rahmen der Erfindung liegen Partikel oder Teilchen zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, die kugelförmig sind und einen Durchmesser von 50 bis 2000 µm besitzen so­ wie bevorzugt einen homogenen Kugeldurchmesser mit einer maximalen Standardabweichung von 15% besitzen. Sie sollen sich gegebenenfalls unter physiologischen Bedingungen auflösen lassen und die Substanz fein verteilt freisetzen.

Die Matrix dieser Teilchen soll zudem mindestens 20 Ge­ wichtsprozent Alginat aufweisen. In die Teilchenmatrix wird ein Wirkstoff - oder werden mehrere Wirkstoffe - zusammen mit einer - oder mehrerer - sich im menschlichen oder tierischen Körper nach gewisser Zeit zersetzenden Substanz verkapselt und können für slow release des Wirkstoffes oder Wirkstoffgemisches eingesetzt werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Teilchen in einer Flüssigkeit suspendiert und reduzieren beim Trocknen ihr Volumen um 50 bis 95%. Die sich nach gewisser Zeit zersetzende Substanz soll bevorzugt poly-lactic acid, poly-lactic-co-glycolic acid oder eine Mischung von beiden sein. In diese Teilchen - oder in solche aus anderen Substanzen - soll dann eine definierte Menge Substanz oder Substanzgemisch verkapselt sein, wobei die Standardabweichung in der Substanzmenge zwischen den ein­ zelnen Partikel maximal ± 20% beträgt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele:

Beispiel 1 Herstellung von slow release Partikeln

20 ml einer 1.5% Na-Alginatlösung werden mit einer geeig­ neten Zertropfungsmethode in Kugeln homogener Größe und einem mittleren Durchmesser von 500 µm zerteilt. Eine ent­ sprechende Methode ist die Zertropfung durch Überlagerung einer Schwingung auf einen Flüssigkeitsstrahl, wie sie im Encapsulator der Firma Inotech Labor AG, Dottikon, Schweiz, verwirklicht ist. Die Kugeln werden in einem Härtungsbad mit 0.1 M CaCl₂ aufgefangen und während 10 min ausgehärtet. Dann wird 1 × mit 300 ml entionisiertem Wasser gewaschen. Nach 5 min wird 2 × während 5 min mit 100 ml Aceton ge­ waschen und das Aceton abgesaugt.

100 mg Estradiol + 2 g Polymilchsäure werden in 20 ml Aceton gelöst. Diese Lösung wird zu den abgetropften Algi­ natkugeln gegeben und die Kugelsuspension während 10 min leicht gerührt. Dann wird die sich außerhalb der Kugeln be­ findliche Lösung abgesaugt, und die Kugeln werden im Warm­ luftstrom getrocknet. Während der Trocknung entweicht das Aceton und die Kugeln schrumpfen. Es bilden sich kompakte runde Partikel, die mehrheitlich aus Polymilchsäure mit einem Ca-Alginatgerüst bestehen, in das der medizinische Wirkstoff Estradiol eingebettet ist. In dieser Form sind die Partikel lange haltbar. Werden diese Partikel subcutan gespritzt, zerfällt die Polymilchsäure langsam und das ein­ geschlossene Estradiol wird über längere Zeit freigesetzt.

Falls nur sehr wenig Wirkstoff für einen Test verkapselt werden muss, kann dieser z. B. in nur 1 ml Aceton und 0.1 g Polymilchsäure gelöst und diese Lösung zu 1 ml abgetropfter Alginatkugeln gegeben werden.

Beispiel 2 Verkapselung einer definierten Menge Glukose pro Partikel

20 ml 1.5% Na-Alginatlösung werden mit einer geeigneten Zertropfungsmethode in Kugeln homogener Größe zerteilt. Kugelchargen mit einer Standardabweichung des Kugeldurch­ messers < 5% sind notwendig. Diese Kugeln werden in 300 ml einer 0.1 M CaCl₂-Lösung aufgenommen und während 10 min ausgehärtet. Danach werden die Kugeln 2 × während 5 min mit 300 ml entionisiertem Wasser gewaschen und am Schluss in 100 ml Wasser aufgenommen. Nach einer Stunde wird unter dem Mikroskop bei 20 Kugeln der Durchmesser und somit das Volu­ men der Kugel bestimmt.

Bei Kugeln mit einem mittleren Durchmesser von 700 µm ergibt das ein Volumen von 0.18 mm³ bzw. ein Gewicht von 180 µg pro Kugel. Um pro Kugel 5 µg Glukose zu verkapseln, muss eine Glukoselösung hergestellt werden, die 2 × 5 µg Glukose pro 180 µg Lösung enthält (5.55%).

Zu 5 g abgetropfter Alginatkugeln werden 5 ml einer 5.55%igen Glukoselösung gegeben und die Kugelsuspension während 10 min gerührt. Nach dieser Zeit hat sich ein Gleichgewicht zwischen der Zuckerkonzentration außerhalb der Kugeln und innerhalb der Kugeln gebildet, da bei dem kleinen Kugel­ durchmesser von 700 µm nur geringe Diffusionswiderstände bestehen. Danach wird die sich außerhalb der Kugeln befind­ liche Zuckerlösung abgesaugt, und die Kugeln werden im Warmluftstrom getrocknet. Während der Trocknung schrumpfen die Alginatkugeln, was jedoch keinen Einfluss auf den Glukosegehalt hat. In dieser Form sind die Kugeln sehr robust und können lange Zeit aufbewahrt werden.

Bei Bedarf können eine oder mehrere Kugeln mit Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel extrahiert werden. Falls die Kugel selber auch aufgelöst werden soll, muss zum Lösungsmittel ein Ca-Chelatbildner wie EDTA oder tri- Natriumcitrat gegeben werden.

Claims (21)

1. Verfahren zur Verkapselung von chemischen oder bio­ logischen Substanzen, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verkapselnden Substanzen in einer Flüs­ sigkeit gelöst oder sehr fein suspendiert zu vorfa­ brizierten Teilchen gegeben werden, in sie hinein­ diffundieren und beim Entfernen der Flüssigkeit in der Matrix der Teilchen zurückgehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Polymerpartikel homogener Größe und mit einem Feststoffgehalt von bis zu 10% hergestellt werden und die Flüssigkeit der Partikel durch ein für die zu verkapselnde Substanz geeignetes Lösungsmittel ausgetauscht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass um die mit der zu verkapselnden Substanz gefüllten Polymerpartikel eine Schicht gebildet wird, welche das Hindurchdringen der verkapselten Substanz hemmt und die sich nach einem Zeitintervall selbst zersetzt sowie dadurch die Substanz zeitlich verzögert freisetzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Lösung oder Suspension mit einer definierten Menge Partikel vermischt sowie an­ schließend die überschüssige Lösung abgesaugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zumindest zwei Substanzen zusammengeführt werden, von denen eine ein Wirkstoff sowie eine andere ein Zusatzstoff ist, der sich im menschlichen oder tie­ rischen Körper langsam zersetzt und dadurch den Wirkstoff langsam freisetzt, dadurch gekennzeich­ net, dass gleichzeitig die zwei oder mehr Substan­ zen verkapselt werden und der Zusatzstoff in zumindest fünffach größerer Menge vorliegt als der Wirkstoff.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Einsatz in sog. slow release des Wirkstoffes oder Wirkstoffgemisches in die Teilchenmatrix ein oder mehrere Wirkstoffe zu­ sammen mit einer oder mehrerer sich im menschlichen oder tierischen Körper nach gewisser Zeit zerset­ zenden Substanzen verkapselt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn­ zeichnet durch kugelförmige vorfabrizierte Teilchen eines Durchmessers von 50 bis 2000 µm.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen homogenen Kugeldurchmesser der vorfabrizier­ ten Teilchen mit einer maximalen Standardabweichung von ± 15%.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn­ zeichnet durch eine Matrix der vorfabrizierten Teilchen mit mindestens 20 Gewichtsprozent Alginat.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit außerhalb der Kugeln durch Absaugen und die Flüssigkeit innerhalb der Kugel durch einen Trocknungsvorgang entfernt wird, nachdem die zu verkapselnde Substanz in die Kugeln hineindiffundiert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel im Luftstrom getrocknet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Partikel beim Trocknen schrump­ fen, wobei sich das Volumen der Partikel um 50 bis 95% vermindert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass durch Wahl der Substanz­ konzentration und der Teilchendurchmesser eine de­ finierte Menge zu verkapselnder Substanz je Teil­ chen hergestellt sowie die definierte Menge Sub­ stanz oder Substanzgemisch verkapselt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Standardabweichung in der Substanzmenge zwischen den einzelnen Partikeln von höchstens ± 20%.

15. Teilchen zur Durchführung des Verfahrens nach we­ nigstens einem der voraufgehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Teilchen kugelförmig ist und einen Durchmesser von 50 bis 2000 µm auf­ weist.

16. Teilchen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es einen homogenen Kugeldurchmesser mit einer Standardabweichung von höchstens 15% aufweist.

17. Teilchen nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, dass seine Matrix mindestens 20 Gewichts­ prozent Alginat aufweist.

18. Teilchen nach einem der Ansprüche 15 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass es in einer Flüssigkeit suspendiert und sein Volumen gegebenenfalls durch einen Trocknungsvorgang um 50 bis 95% verminderbar ist.

19. Teilchen nach einem der Ansprüche 15 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, dass die sich zersetzende Substanz poly-lactic acid, poly-lactic-co-glycolic acid oder eine Mischung von beiden ist.

20. Teilchen nach einem der Ansprüche 15 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, dass die Standardabweichung in der Substanzmenge zwischen den einzelnen Parti­ keln höchstens ± 20% beträgt.

21. Teilchen nach einem der Ansprüche 15 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, dass es sich unter physioli­ gischen Bedingungen auflösend und die Substanz fein verteilt freisetzend ausgebildet ist.