Herstellung unilamellarer Vesikel durch Phasentransferprozesse

Abstract

Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Herstellung unilamellarer Vesikel mithilfe von Phasentransferprozessen. Es wurden kolloidchemische Methoden wie z.B. Grenzflächenspannungsmessungen, Scherrheologie, statische und dynamische Lichtstreuung verwendet um die Eigenschaften der an Wasser/ Öl-Grenzflächen gebildeten Tensidfilme und die Größe und Einbaueffizienz der Vesikel zu untersuchen. Der Verlauf der Grenzflächenspannung zur Untersuchung der Adsorptionskinetik zeigte im gewählten Konzentrationsbereich (oberhalb der CMC) eine sehr schnelle Adsorption im Bereich von wenigen Sekunden an die Grenzfläche. Die Endwerte der Grenzflächenspannungen (2-10 mN/m) deuten auf eine vollständige Belegung der Wasser/ Öl-Grenzflächen hin, die fur die Ausbildung von Vesikeln mit einer intakten Membran notwendig sind. Die scherrheologischen Messugnen deuten auf stark viskose Eigenschaften der Tensidfilme hin. Dies führt zu einer leichteren Reorganisation einzelner Tensidmolekule im Film hin, was die Ausbildung einer gekrümmten Vesikelmembran begünstigt. Die Vesikel wurden durch 4 verschiedene Methoden des Phasentransfers hergestellt. Hierzu wurde fur alle Methoden eine Wasserphase mit einer Ölphase überschichtet. Tenside wurden entweder in der Öl- oder in einigen Fällen auch in der Wasserphase gelöst. Zur Herstellung von Vesikeln im mm-Bereich wurde eine mit Anilinblau angefärbte Zuckerlösung durch die Ölphase zur Wasserphase getropft. Die erhaltenen Vesikel waren 1-3 mm groß und wiesen eingebautes Öl in der Membran auf. Dieses Öl bewirkte jedoch eine geringe Stabilität der Vesikel, die im Bereich von Sekunden bis Stunden lag. Die Vesikelbildung war weiterhin abhängig von der Tensidart und der gewählten Zuckerkonzentration. Die zweite untersuchte Methode bediente sich des Phasentransfers durch Zentrifugation. Hierfür wurden Emulsionen, hergestellt im Ultraschallbad, oder Mikroemulsionen zur Ölphase gegeben und die Lösungen zentrifugiert. Mithilfe der dynamischen Lichtstreuung konnte gezeigt werden, dass ein höherer Wasseranteil in der Emulsion und eine niedrigere Zentrifugationsgeschwindigkeit zu größeren Vesikeln im nm-Bereich fuhrte. Auch eine Abhängigkeit der Vesikelgröße von Lösungsmittel und Salzgehalt der Wasserphase konnte gezeigt werden. Die Herstellung von Vesikeln durch Phasentransfer von Mikroemulsionen wies eine gegenläufige Abhängigkeit der Vesikelgröße vom Wasseranteil auf. Mithilfe von TEM-Aufnahmen konnte die Herstellung von Vesikeln bestätigt werden und mithilfe der statischen Lichtstreuung konnte eine Membrandicke von 2-8 nm gemessen und berechnet werden, was auf die Unilamellarität der Vesikel schliessen lässt. Durch Dichtevarianz hergestellte Vesikel im ƒÊm-Bereich wurden mikroskopisch nachgewiesen. Hierfür wurde der unteren Wasserphase Glucose und dem Wasseranteil der Emulsion Saccharose zugesetzt. Aufgrund von unterschiedlichen Dichten sanken die Emulsionstropfen unter Ausbilung von Vesikeln in die untere Wasserphase. Je größer die gewählte Zuckerkonzentration und je höher die Viskosität/ Dichte des Lösungsmittels, desto kleiner waren die erhaltenen Vesikel. Im letzten Schritt wurden Strömungsapparaturen zur Herstellung von Vesikeln entwickelt. Die erste Apparatur beruht auf dem Durchstoßen des Grenzflächenfilms und führt zu Vesikel im mm-Bereich. Die zweite Apparatur beruht auf dem Mechanismus eines Electro-Sprays. Es zeigte sich eine Abhängigkeit der Vesikelgröße vom Wasseranteil und Lösungsmittel. Auch mit Phospholipiden sowie SpanR 80 und Zusätzen von PEG 400 oder DCP konnten mithilfe dieser Apparatur Vesikel hergestellt werden. Die Einbaueffizienz wurde durch Fluoreszenzmessungen untersucht. Hierzu wurde der selbstquenchende Fluorophor Carboxyfluorescein in die Vesikel eingebaut und die Intensität und die damit verbundene Konzentration vor und nach der Zerstörung der Vesikel durch Detergenzien untersucht. Es zeigte sich für fast alle untersuchten Methoden eine Einbaueffizienz von ca. 10%. Zwei wesentliche Einflüsse auf die Vesikelgröße lassen sich zusammenfassen. Die Vesikelgröße ist abhängig von der Biegesteifigkeit des Tensidfilms an der Grenzfläche. Es wurde in der Literatur[97] ein theoretisches Modell gefunden, dass einen Zusammenhang zwischen der Energie der Biegesteifigkeit und der in das System eingebrachten Gravitationskraft in Abhängigkeit der Vesikelgröße beschreibt. Ein Vergleich der theoretischen und experimentellen Daten zeigte eine relativ gute Übereinstimmung. Die Vesikelgröße ist weiterhin abhängig von der Koaleszenz und Sedimentation der Emulsionstropfen. Je schneller dies erfolgt, desto breiter war die Größenverteilung der erhaltenen Vesikel. Eine Änderung der Emulsionsstabilität und damit notwendigen Transferzeit ermöglicht daher eine Anpassung der Größenverteilung der Vesikel. Mithilfe von Phasentransferprozessen können Vesikel in einem breiten Größenbereich aus Tensiden, die eine geeignete Struktur aufweisen, hergestellt und einfach mit Wirkstoffen gefüllt werden.

English Summary: This thesis is focused on the production of unilamellar vesicles by phase transfer processes. Methods of colloid and interface science, as for example measurements of interfacial tension, shear rheology, static and dynamic light scattering, were applied to characterise adsorbed surfactant films at the water/ oil-interface and the size and encapsulation efficiency of the vesicles. The kinetics of adsorption showed a decrease in interfacial tension in the choosen concentration range (above cmc) and a fast adsorption at the interface (lasting only few seconds). The plateau values of the interfacial tension (2-10 mN/m) suggest a complete occupancy of surfactant at the water/ oil-interface, which is necessary to form an intact vesicle membrane. The shear rheological properties of the surfactant films indicate strong viscous values. This enables a simple reorganization of single surfactant molecules in the film promoting the formation of a bent vesicle membrane. Vesicles were produced by four different phase transfer methods. In all methods a water phase was covered by an oil phase. Surfactants were dissolved in the oil or in the water phase. To produce vesicles in the size range of several mm, a solution of sugar, stained with aniline blue, was dropped through the oil into the lower water phase. The obtained vesicles were 1-3 mm in diameter and contained oil encapsulated within membrane. Such “trapped” oil induced low stabilities of the vesicles in a time interval ranging from seconds to hours. Formation of vesicles was further dependent on the type of surfactant and the choosen sugar concentration. In the second method the phase transfer was applied by centrifugation. An emulsion, generated by ultrasonication, or microemulsion, was filled into the oil phase and the solution was then centrifuged. A higher amount of water in the emulsion and a lower velocity of centrifugation resulted in a higher vesicle size, as detected by dynamic light scattering. Further, the vesicle size was dependent on the solvent and salt concentration of the water phase. The production of vesicles by phase transfer of microemulsions displayed an opposite dependence on the vesicle size related to the water amount in the emulsion. Vesicles could be characterized by TEM-measurements. Static light scattering measurements indicate membrane sizes of about 2 to 8 nm, thus suggesting the unilamellarity of the produced vesicles. Vesicles produced by density differences were observed microscopically. At this purpose, glucose was solved in the lower water phase and saccharose was solved in the drop phase of the emulsion. Due to density differences, the emuslsion droplets gravitate into the lower water phase forming vesicles. A higher sugar concentration and a higher solvent viscosity/ density resulted in smaller vesicles. Finally, production of vesicles in a flow field was developed. In first instance, the water droplets were forced down through the surfactant film at the interface and formed vesicles with a size range of several mm. In a second example an electro spray mechanism was used.. The vesicle size was dependent of the amount of water and the solvent. Vesicles with phospholipids and Span® 80, containing additives like PEG 400 and DCP, could be also produced. The encapsulation efficiency was observed by fluorescence spectroscopy. The self-quenching fluorophore carboxyfluorescein was encapsulated in the vesicles and subsequent discharged by adding a detergent. The intensity and correlated concentration of the vesicle and vesicle/ detergent solutions were measured. An encapsulation efficiency of about 10% could be achieved for all observed methods. Two important parameters for the vesicles size can be summarised. The vesicles size is dependent on the bending elasticity of the surfactant film at the interface. Theoretical approaches are reported in the literature[97], which correlate the energy of the bending elasticity with the gravitational force inserted in the system in relation to the vesicle size. Experimental data are in good agreement with the expected theoretical values. Furthermore, the vesicle size is dependent on the coalescence and sedimentation of the emulsions droplets. The faster these processes occur the broader is the observed size distribution of the vesicles. A change in the stability of the emulsion and the related transfer time offers the possibility to customize the vesicle size distribution. By phase transfer processes, vesicles of surfactants with applicable structure in a broad size range can be produced and easily filled.