Die Bedeutung interpartikulärer Wechselwirkungen für die Anwendung von Pulvern zur Inhalation

Schneebrettlawinen beinhalten den Abgang einer kohäsiven Platte über einer ausgedehnten Schwachschicht. In- situ-Beobachtungen der Schneestratigraphie sind notwendig für eine verlässliche Vorhersage der Schneehang- Instabilität, die konventioneller Weise mittels zerstörenden Methoden in Schneeschächten gewonnen werden. Dies behindert die Erfassung von Informationen über die zeitliche Entwicklung der Schneedecke und setzt oftmals den Beobachter einem Lawinenrisiko aus. Aus diesem Grund werden insitu- Informationen in Hängen während Zeiten erhöhter Schneedeckeninstabilität selten gewonnen. Dieses Projekt untersucht, verwendet und weiterentwickelt die Anwendung von ferngesteuertem aufwärtsschauendem Radarsystemen, um zerstörungsfrei die lokalen physikalischen Eigenschaften der Schneedecke zu charakterisieren und abzubilden. Diese werden in ein existierendes Modell der Schneedeckenentwicklung assimiliert. Das Radar befindet sich unterhalb der Schneedecke und wird mit zunehmender Schneehöhe begraben. Da Schwachschichten in der Schneedecke oftmals unterschiedliche Struktur oder physikalische Eigenschaften als ihre Umgebung besitzen, werden ausgesandte, in der Schneedecke aufwärtslaufende Wellen teilreflektiert. Die Analyse der reflektierten Wellen, die durch das Radar empfangen werden, erlauben eine physikalische Charakterisierung der Schneedecke (Anzahl und Eigenschaften interner Schichten, Schneedicke, Dichte). Die tägliche Wiederholung solcher Messungen erlaubt ein zerstörungsfreie Beobachtung der Entwicklung der Schneedecken-Stratigraphie und einhergehender Informationen quasi in Echtzeit, um die Lawinengefahr abschätzen zu können. Dieses Projekt bietet einen ersten Schritt für eine autonome Beobachtung der Schneestratigraphie, auch in potenziell instabilen Hängen ohne Risiko für die Beobachter.

Trägerpartikel werden in Pulverinhalatoren zur Behandlung von Asthma oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankungen eingesetzt, um die Dosierbarkeit pulmonal zu applizierender Wirkstoffe, die aufgrund ihrer Größe (1m bis 5m) sehr kohäsiv und schlecht fließfähig sind, zu verbessern. Der Wirkstoff wird durch einen Mischprozess auf den Träger (üblicherweise 50 m bis 200 m) aufgebracht und haftet dort durch Van der Waals Kräfte. Während der Inhalation muss sich der Wirkstoff jedoch wieder vom Träger lösen. Geschieht dies nicht, impaktiert der Wirkstoff gemeinsam mit dem Träger in den oberen Atemwegen. Die interpartikulären Kräfte zwischen Wirkstoff und Träger spielen demnach eine große Rolle. Sie müssen einerseits so groß sein, dass eine gleichmäßige Dosierung gewährleistet wird andererseits jedoch so niedrig, dass sich der Wirkstoff während der Inhalation vom Träger löst. Ziel des Projektes war daher die Steuerung dieser interpartikulären Wechselwirkungen über die Modifizierung der Oberflächeneigenschaften von Glaskugeln als Träger. Glaskugeln wurden als Träger verwendet, weil Glas die Modifizierung seiner Oberfläche durch physikalische und chemische Maßnahmen in einem sehr weiten Bereich erlaubt, ohne dass andere, die interpartikulären Wechselwirkungen ebenfalls beeinflussende Faktoren wie Partikelgröße oder form, angetastet werden. Dies ermöglicht die eindeutige Zuordnung der die interpartikulären Wechselwirkungen betreffenden Effekte zu den Oberflächeneigenschaften des Trägers und die Einstellung der interpartikulären Wechselwirkungen über einen weiten Größenbereich.Über die chemische und physikalische Oberflächenmodifizierung von Glaskugeln, die als neue potentielle Träger eingesetzt werden könnten, sollen die interpartikulären Kräfte zwischen Wirkstoff und Träger eingestellt werden. Durch verschiedene chemische und physikalische Behandlungen der Glaskugeln konnten Oberflächen unterschiedlicher Rauheit generiert werden. Die Behandlung mit Flusssäure führte zu groben golfballartigen Oberflächenstrukturen, die physikalische Behandlung durch mechanische Beanspruchung in einer Kugelmühle hingegen zu feinen Rauheiten. Durch die Verwendung verschieden harter Mahlkörper und Variation der Behandlungsdauer gelang es, Glaskugeln mit abgestuften Rauheiten herzustellen. Im Gegensatz dazu glättete die Behandlung mit Natronlauge die Oberfläche der Glaskugeln. Durch die chemische Behandlung mit unterschiedlichen Silanen konnte die Oberflächenenergie und die Polarität der Glaskugeln verändert werden. Messungen der Haftkräfte zwischen sprühgetrockneten Salbutamolsulfat Partikeln (Modellwirkstoff) und den modifizierten Glaskugeln zeigten, dass die Haftkräfte zwischen Wirkstoff und Modellträgern gezielt durch die unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen verändert werden können. Diese Daten sollen nun in die Simulation des Kooperationspartners (Arbeitsgruppe Prof. Martin Sommerfeld, Mechanische Verfahrenstechnik, Martin-Luther-Universität, D-Halle) einfließen, um so die Ablösung des Wirkstoffs bei bekannter Haftkraft zwischen Wirkstoff und Träger voraussagen zu können.