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Zielsetzung

Polymernanopartikel werden neben klassischen Anwendungsbereichen wie Coatings und Anstrichstoffen in zunehmendem Masse für die Immobilisierung, Speicherung oder den Transport von Arzneistoffen oder Proteinen verwendet. Die Nanodimension bietet dabei ein hohes Verhältnis Oberfläche/Volumen und die Korrelation mit Strukturgrößen biologischer Systeme. Zielsetzung unserer Arbeiten ist es, Nanopartikel auf der Basis von Polyelektroytkomplexen herzustellen und deren Potential als Wirkstoffträger  aufzuzeigen. Dabei sollten vor allem die Reproduzierbarkeit im Herstellungsprozeß und die Größeneinheitlichkeit verbessert werden, der Bildungsprozeß besser verstanden werden und Möglichkeiten aufgezeigt werden, Proteine unter Erhalt der kolloidalen Stabilität zu binden.

Materialien und Methoden

Typische PEC-Dispersionen werden bei uns durch  Mischen von Lösungen aus z.B. PDADMAC and Poly(L-lysin) mit solchen aus Copolymeren der Maleinsäure (PMA-X) oder Poly(styrolsulfonat) (PSS) und mehrfache Zentrifugation und Separation hergestellt [1]. Wichtige Parameter sind molares Mischungsverhältnis (n-/n+), Konzentration, pH-Wert und Ionenstärke. Als Methoden werden Dynamische Lichtstreuung (DLS), Kolloidtitration (PCD) und Circulardichroismus (CD) an den Dispersionen, sowie Rasterkraftmikroskopie (SFM) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) an Partikelschichten eingesetzt.

Ergebnisse

Abb. 1. Aggregation von Primär- und engere Größenverteilung von Sekundär-PEC-Partikeln d. Zentrifugation (0x, 1x, 2x) [1]

PEC-Rohdispersionen weisen zunächst polymodale Größenverteilungen der Nanopartikel auf. Durch mehrmalige Zentrifugation und Separation der Coacervatphase können jedoch monomodale Verteilungen erzielt werden, was über eine „beschleunige Reifung“ (Ostwald) der Rohdispersion erklärt wird. Dabei aggregieren durch Zentrifugation Primärpartikel (Radius < 20 nm) über kurzreichweitige disperse Wechselwirkungen zu Sekundärpartikeln (> 75 nm, Coacervatphase) sowie größeren Präzipitatstrukturen (Abb. 1) und der unreagierte PEL wird abgetrennt.
Kolloidstabilität erhalten die Sekundärpartikel durch langreichweitige elektrostatische Repulsion zwischen den Partikelhüllen, die aus dem Exzeß-PEL bestehen. Über das n-/n+ >< 1 können anionische und kationische Partikel hergestellt und über die Konzentration und Ionenstärke definierte Größen eingestellt werden.
Dazu bestehen Simulationsarbeiten zum Einfluß der Debyelänge auf die PEC-Partikelgröße. Zugrunde liegt die Annahme der Aggregation von PEC-Primär- zu Sekundärpartikeln. Dabei wird ein Simulationskonzept von Prof. Lebovka (Institute of Biocolloidal Chemistry, Kiew) auf der Basis der Diffusions-Theorie von Smoluchowskii und der Stabilitäts/Koagulations-Theorie von Fuchs unter Berücksichtigung des Kolloidpotentials der DLVO-Theorie verwendet. In der Abb. 2 sind das Simulationskonzept und der Vergleich der experimentellen mit den simulierten Partikelradien gezeigt.
Weiterhin können neben klassischen kugelförmigen PEC-Partikeln auch stäbchenförmige hergestellt werden, wenn man molekular steife PEL verwendet (Abb. 3) [2].
Schließlich können Modellproteine unter elektrostatisch repulsiven  Bedingungen an die PEC-Nanopartikel gebunden werden, wobei die gebildeten PEC/Protein-Konjugat-Partikel  eine vergleichbare Stabilität und Größeneinheitlichkeit aufweisen (Abb. 4) [3].

Abb. 2. Simulationskonzept und Vergleich experimenteller und simulierter Daten zur Debyelängenabhängigkeit des PEC-Partikelradius (r<sub>m</sub>)
Abb. 3. Kugelförmige (rechts: PLL/PMA-MS) und nadelförmige (links: PLL/PMA-P) PEC-Nanopartikel [2].
Abb. 4. PEC/Protein-Konjugate aus PDADMAC/PSS und Humanserumalbumin (AFM-Bild und Schema aus [3])

Wir danken für die finanzielle Unterstützung durch die DFG (MU 1524/2-1 und SFB 287, B5).

Literatur

[1]  M. Müller, B. Keßler, S. Richter, Langmuir, 21(15), 7044-7051 (2005)
[2]  M. Müller, T. Reihs, W. Ouyang, Langmuir, 21(1), 465-469 (2005)
[3]  W. Ouyang and M. Müller, Macromol. Bioscience, 6, 929-941 (2006)