Ultraschall-responsive Polymere zur Medikamentverabreichung

Das Projekt fokussiert sich auf die Herstellung neuer polymer-basierter Materialien, welche spezifisch durch Ultraschallstimulation abbauen und somit Anwendungen in der kontrollierten Medikamentverabreichung finden können. Für viele Krankheiten und klinischen Zustände, wie z.B. Diabetes, Osteoporose, chronische Entzündungen und Schmerzen ist eine exakte Kontrolle der Dosierung und die Zeitabstimmung für eine reproduzierbare Medikamentenverabreichung entscheidend. Solch eine Kontrolle über die Freisetzung der Medikamente im menschlichen Körper kann durch sog. Arzneimittelträger erreicht werden, die auf einen externen oder internen Stimulus reagieren können, wie beispielsweise die Änderung der Temperatur, des pH Wertes, des elektromagnetischen Feldes oder die Konzentration von bestimmten Enzymen etc. Ultraschall (US) stellt dabei einen der vielversprechendsten externen Stimuli für die kontrollierte Medikamentverabreichung dar, da er nicht invasiv, klinisch verfügbar und kostengünstig ist und darüber hinaus eine Kombination von Therapie und Diagnostik ermöglicht. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von polymeren Arzneimittelträgern, die auf US ansprechen, ein hochaktuelles Thema und mag einen Paradigmawechsel für zukünftige Therapien einleiten. Dennoch leiden aktuell verwendete US-ansprechende Systeme an der vorzeitigen Freisetzung der verkapselten Medikamente durch spontane Diffusion. Diese spontane Freisetzung beeinträchtigt nicht nur die Langzeitfunktion des Medikamentverabreichungssytems, sondern könnte auch schädlich für die Patienten sein. Ziel dieses Projekts ist es, die spontane Freisetzung zu reduzieren und damit die Kontrollierbarkeit der Medikamentverabreichung erheblich zu verbessern. Dazu werden zwei Ansätze vorgeschlagen. Der erste Ansatz beinhaltet die Herstellung von oberflächengebundenen Polymerketten mit integrieren US-ansprechenden Einheiten mit schwachen Bindungen, die selektiv bei US Stimulation aufbrechen. Als Polymere werden Poly(2-oxazoline) und Polypeptoide eingesetzt, zwei Polymer-Materialplattformen, die momentan aufgrund ihrer exzellenten Eigenschaften, ihrer Variabilität und der Biosicherheit als Biomaterialien intensiv beforscht werden. Eine Modellverbindung (ein fluoreszierender Farbstoff) wird kovalent an die Polymerketten gebunden. Der zweite Ansatz ist die Herstellung von quervernetzten dünnen Filmen, wobei die Modellverbindung mithilfe von US-ansprechenden Einheiten an das Netzwerk kovalent gebunden wird. Durch US Stimulation werden die Bindungen aufgebrochen und das Modellmedikament freigesetzt. Die US Bedingungen (Intensität, Frequenz und Dauer der Stimulation) und deren Auswirkungen auf die Freisetzung werden systematisch untersucht, um die Grundlage für einen sicheren und effektiven Arzneimittelträger zu schaffen.

Das Projekt fokussiert sich auf die Herstellung neuer polymer-basierter Materialien, welche spezifisch durch Ultraschallstimulation abbauen und somit Anwendungen in der kontrollierten Medikamentverabreichung finden können. Für viele Krankheiten und klinischen Zustände, wie z.B. Diabetes, Osteoporose, chronische Entzündungen und Schmerzen ist eine exakte Kontrolle der Dosierung und die Zeitabstimmung für eine reproduzierbare Medikamentenverabreichung entscheidend. Solch eine Kontrolle über die Freisetzung der Medikamente im menschlichen Körper kann durch sog. Arzneimittelträger erreicht werden, die auf einen externen oder internen Stimulus reagieren können, wie beispielsweise die Änderung der Temperatur, des pH Wertes, des elektromagnetischen Feldes oder die Konzentration von bestimmten Enzymen usw. Ultraschall (US) stellt dabei einen der vielversprechendsten externen Stimuli für die kontrollierte Medikamentenverabreichung dar, da er nicht invasiv, klinisch verfügbar und kostengünstig ist und darüber hinaus eine Kombination von Therapie und Diagnostik ermöglicht. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von polymeren Arzneimittelträgern, die auf US ansprechen, ein hochaktuelles Thema und mag einen Paradigmawechsel für zukünftige Therapien einleiten. Dennoch leiden aktuell verwendete US-ansprechende Systeme an der vorzeitigen Freisetzung der verkapselten Medikamente durch spontane Diffusion. Diese spontane Freisetzung beeinträchtigt nicht nur die Langzeitfunktion des Medikamentverabreichungssytems, sondern könnte auch schädlich für die Patienten sein. Ziel dieses Projekts war es, neuartige polymere Materialien zu entwickeln, die kontrolliert auf Ultraschall reagieren können. Wir wählten Poly(2-oxazoline) als Polymerplatform, die derzeit aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften, ihrer synthetischen Variabilität und ihrer ausgezeichneten biologischen Sicherheit intensiv als Biomaterialien untersucht werden. Als US-reaktive Einheiten verwendeten wir schwache Bindungen, die bei US-Stimulation selektiv brechen können. Konkret wählten wir Cumarin, eine Verbindung, die auch in der Tonkabohne natürlich vorkommt. Im Rahmen des Projekts synthetisierten wir ein neuartiges Monomer, 2-Oxazolin mit einer Cumarineinheit in der Seitenkette. Dieses Monomer wurde zur Herstellung langer Polymerketten, Poly(2-oxazoline) mit Cumarin-Einheiten, verwendet. Bei UV-Bestrahlung bildeten die Cumarin-Einheiten Dimere, die zur Bildung weicher Hydrogelstrukturen führten. Um die Wirkung der Ultraschallbehandlung auf unsere weichen Hydrogele zu untersuchen, haben wir ein spezielles Messgerät entwickelt. Wir kombinierten zwei verschiedene Geräte: ein Rheometer, ein Gerät zur Messung der mechanischen Eigenschaften von Hydrogelen, und einen Ultraschallwandler, der elektrische Signale in mechanische Wellen umwandelt. Mit diesem verbesserten Rheometer konnten wir die Veränderungen der Weichheit unserer Cumarin-haltigen Hydrogele während der Ultraschallbehandlung feststellen. Dieses spezielle Rheometer kann in Zukunft zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen von Ultraschallwellen mit polymeren Werkstoffen beitragen.