Erster BiotechnologieTag an der Universitt Leipzig

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Erster Biotechnologie-Tag an der Universität
Leipzig
Von supramolekularen Strukturen zu
Wirkstoffträgern und künstlichen Zellen
Edwin Donath Universität Leipzig Institut für
Medizinische Physik und Biophysik done_at_medizin.uni
-leipzig.de, Leipzig http//www.uni-leipzig.de/bi
ophys/donath.htm
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Motivation

• Fabrikation von funktionellen kleinen (nm - µm)
  Containern für
• Verkapselung und Transport von Wirkstoffen
• Chemie in kleinsten Räumen
• Biomimetische Modelle von Zellfunktionen

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Wie? Wir nutzen die elektrostatisch getriebene
Adsorption von Polymeren und Biomolekülen für das
Self-Assembly

• Die Komponenten werden schrittweise auf
  geeignete kolloidale Template aufgebracht.
• Die Zusammensetzung und Dicke der Schicht kann
  im nm-Maßstab kontrolliert werden.

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Herstellung von Polyelektrolyt-Kapseln
Konsekutive Adsorption
Kernauflösung
Ergebnis Polyelektrolyt-Kapsel
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Der Kern (Templat) kann ein lösliches kolloidales
Partikel ein Wirkstoffpartikel oder sogar eine
Zelle oder Zellorganelle sein!

• Melaminharzkerne
• Anorganische Partikel
• Farbstoff- und Wirkstoffpartikel
• Tröpfchen
• Erythrozyten, Bakterien, Hefen ...

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Die treibende Kraft
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Der Kern wird entfernt!
Konfokale Schnappschüsse
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Man erhält leere Kapseln!
Eigenschaften

• Sie schließen normalerweise Polymere aus, lassen
  aber niedermolekulare Stoffe durch.
• Sie sind osmotisch aktiv.
• Die Dicke, die Zusammensetzung und die
  Eigenschaften der Wand können im Nanometermaßstab
  feineingestellt werden.

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Ausschluß von Poly(allylamine hydrochlorid)
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SANS Eine hochauflösende Technik zur
Dickenmessung
Die Pfeile zeigen die Schichtreflexe
Die Dicke beträgt etwa 1,7 nm pro Einzelschicht.
Die Schichtdicke kann auch mit Lichtstreuung und
Rasterkraftmikroskopie gemessen werden.
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Die Textur der Multischichten
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Vorteile
Templiert auf Echinozyten

• Größe und Form sind durch das Templat bestimmt.
• Es können sehr monodisperse Präparationen
  hergestellt werden.

Templiert auf Melaminharzpartikeln
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Wozu könnte man die Kapseln benutzen?
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Wie könnte man die leeren Kapsen (nachträglich)
füllen??

• Der einfachste Weg Man nehme das fertige
  Wirkstoffpartikel und ummantele es.
• Man kann die leere Hüle temporär durchlässig
  machen, füllen, dann wieder verschließen.
• Etwas ausgefallen Man synthetisiert das Material
  im Inneren!
• Jede Strategie hat Vor- und Nachteile.
• Alle Varaianten wurden bereits erfolgreich
  erprobt.

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Ein Farbstoffpartikel wurde beschichtet und die
Freisetzung nachfolgend untersucht
Die Fluoreszenz des Farbstoffes im Partikel ist
unterdrückt. Auflösung bewirkt Ansteigend er
Fluoreszenz in der Lösung.
Die Freisetzungsgeschwindigkeit sinkt mit
steigender Schichtdicke!
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Freisetzung von Iboprofen aus bioverträglichen
Kapseln
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Verändern der Permeabilität durch den pH Wert
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Synthesechemie in Kapseln
Volle und zerstörte leere Kapseln

• Die Kapseln auf dieser Folie wurden mit einem
  fluorezenten Copolymer (Rhodamin-PSS) gefüllt
• Viele andere Strukturen können in Kapseln
  synthetisiert werden Nanopartikel, Mizellen,
  usw.
• Grundlage ist immer der Permeabilitätsunterschied
  zwischen Produkt und Substrat der Reaktion.

Schwellung als Folge des osmotischen Druckes
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Defecte in den Kapselwänden können durch
zusätzlich aufgebrachte Schichten versiegelt
werden
Der osmotische Druck bei Kernauflösung kann
Defekte erzeugen.
Durch supplementäre Schichten können diese
Defekte geschlossen werden.
Die Permeabilität kann durch zusätzliche
Schichten um Größenordnungen verringert werden.
Beladungsstrategie!
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Die Wanddurchlässigkeit kann durch Tempern
eingestellt werden
Tempern schließt kleinere Defekte
Kapseln 8 Scichten PAH/PSS
Annealing time 30 min
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Auf dem Wege zu künstlichen Zellen

• Biologische Zellen als Templat
• Wände als Kompositstrukturen aus Bio- und
  künstlichen Materialien
• Einbau von katalytischen Komponenten
• Membranmodifikation

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Kapseln mit Biomembran
Lösungsmittelaustausch oder Vesikeladsorption als
Lipidierungstechnologie
Fluoreszente Lipide auf der Kapselwand zeigen
eine geschlossene Membranstruktur
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Gefrierbruchelektronenmikroskopie zeigt die
Existenz der Bilayermembran auf der Kapselwand
Latexpartikel mit Polyelektrolytschichten brechen
mittendurch
Latexpartikel mit Lipidbischicht im Sandwich
brechen entlang der Oberfläche
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Die Lipidschicht fungiert als Permeabilitätsbarrie
re
Kapseln mit 10 Polyelektrolytschichten
Kapseln mit einer zusätzlichen Lipiddoppelschicht
Der fluoreszente polare Marker 6-CF wird
ausgeschlossen!
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Etablierung von zellbiologischen Funktion auf
Polyelektrolytkapseln Künstliche
Zellstrukturen - ADDS
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Acknowledgement
Prof. H. Möhwald Dr. L. Dähne Dr. X. Qiu Dr. S.
Moya Dr. S. Leporatti G. Ibarz Dr. R.
Georgieva A. Antipov I. Radchenko Dr. I.
Estrela-Lopis Prof. C. Gao

• Humboldt-Universität, Charite, Institut für
  Transfusionsmedizin
• BMBF Functional Supramolecular Systems
• VW-Stiftung Künstlicher Virus...
• Bayer
• Henkel
• BASF