Untersuchungen zum Aufbau nanostrukturierter Partikelagglomerate als Wirkstoff-Trägersysteme durch gezielte Reagglomeration von Nanopartikel in Strömungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Thema des Forschungsvorhabens war die Herstellung von stabilen Partikelagglomeraten mit gezielt einstellbaren Strukturen in einem Flüssigphasenprozess. In diesem Vorhaben wurde zunächst unter Annahme der klassischen DLVO-Theorie die Hypothese überprüft, dass es in Strömungen möglich ist, aufgrund fehlender elektrostatischer interpartikulärer Abstoßungskräfte, Partikel durch die wirkenden anziehenden vdW-Kräfte dauerhaft zu agglomerieren. Die so gebildeten Agglomerate sollten nach dem Reagglomerationsvorgang durch Variation des pH-Wertes und damit der Anhebung bzw. Absenkung des Zetapotentials, d.h. durch die elektrostatische Abstoßungskräfte vor einer weiteren, ungeregelten Agglomeration stabilisiert werden. Untersucht wurde daher die Reagglomeration von suspendierten Nanopartikeln im Dispergierprozess unter verschiedenen Strömungsbedingungen und die dominierenden Einflussgrößen auf die resultierende Agglomeratstruktur und –stabilität. Hierzu wurden im Verlauf der Arbeiten unterschiedliche Verfahrens- und Stoffparameter genauer untersucht. Die Morphologie der Partikel wurde durch die Verwendung von nicht versintertem und stark versintertem Aluminiumoxid variiert. Unterschiedliche Agglomerationsraten wurden durch die Variation der Verweilzeit im Prozessraum realisiert. Den Einfluss verschiedener Strömungsbedingungen wurde zum einem durch unterschiedliche Druckdifferenzen im verwendeten Hochdrucksystem, und zum anderen durch Variation der Scherraten in verschiedenen Rotor-Stator-Systemen realisiert. Bezüglich der Stoffparameter der kontinuierlichen Phase ergab eine Parameterstudie den dominierenden Einfluss des nach der Stabilisierung vorliegenden pH-Wertes der Partikeldispersion. Dieser wurde im weiteren Verlauf der Arbeiten genauer untersucht. Desweiteren wurde der Einfluss eines aus Vorarbeiten bekannten Wirkstoffträgers Cyclodextrin auf die Agglomeratbildung geprüft. Abschließend wurde geprüft, ob die entstehenden Agglomerate durch die Zugabe einer Binderflüssigkeit nach dem Prinzip der Umbenetzungsagglomeration stabilisiert werden können. Prinzipiell konnten bei allen Strömungsbedingungen Partikelagglomerate erzeugt werden. Allerdings ergaben die durchgeführten Untersuchungen, dass es sich bei der Reagglomeration in Strömungen um keine dauerhafte Agglomeration handelte. Vielmehr wurde ein alle anderen Parameter dominierender Einfluss des pH-Wertes festgestellt. Die gemessenen Partikelgrößenverteilungen ein und derselben Probe verschoben sich mit zunehmendem Zetapotential hin zu kleineren Partikelgrößenverteilungen. In allen Untersuchungen führte ein ausreichend starker pH-Shift, d.h. eine ausreichende Anhebung des Zetapotential dazu, dass die gebildeten Partikelagglomerate wieder vollständig desagglomerierten. Ein möglicher Erklärungsansatz für dieses Verhalten ist, dass es in keinem Fall zu einer ausreichenden Annäherung und / oder Kontaktzeit der Partikel während des Reagglomerationsvorganges kommt und damit die zur dauerhaften Agglomeration notwendigen vdW- Wechselwirkungen nicht ausreichend stark ausgebildet werden. Dies konnte experimentell bestätigt werden. Die grundlegenden Annahmen bezüglich einer möglichen Ausbildung stabiler Agglomerate in Strömungen durch einen reinen pH-Shift müssen daher revidiert werden. Statt dessen werden Flocken gebildet. Die bei sehr kurzen Verweilzeiten im Hochdruckprozess gebildeten Flocken waren vergleichbar mit den bei niedrigen Re-Zahlen und längeren Verweilzeiten in einem Couette-System gebildeten Flocken. Sie sind nicht stabil, sobald das Stoffsystem in die Nähe des IEP gebracht wird. In abschließenden Untersuchungen wurde daher geprüft, ob sie mittels einer zusätzlichen Bindeflüssigkeit nach dem Prinzip der Umbenetzungsagglomeration stabilisiert werden können. Hierbei wurde die Bindeflüssigkeit während der Reagglomeration einemulgiert. Es konnte gezeigt werden, dass der kritische Parameter für die Ausbildung der Strukturen im 3-Phasen-System die Benetzungszeit der Partikel mit der Bindeflüssigkeit darstellt. Bei ausreichend kurzer Benetzungszeit kann die Bildung und Stabilisierung der Reagglomerate in einem kombinierten Emulgier- und Dispergiersystem realisiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Nano „Particles“ in Food and Life Science Products - How does Process Engineering contribute? Max Rubner Conference on “Nanotechnology in the Food Sector”, Karlsruhe, Oktober 2010
Heike P. Schuchmann
- Novel Process Technologies for the Formulation of Functional Materials. Formula VI, Stockholm, Juni 2010
Heike P. Schuchmann, B. Sachweh
- Impact of Particle Nano-structuring on Health and Safety – How does Process Engineering Contribute to on-going Research? 44th Annual AIFST Convention “Tackling Tomorrow Today”, Sydney, July 2011
Heike P. Schuchmann
- Miniemulsions for the production of nanostructured particles – basics, processing, and applications. 8th ECCE, Berlin, September 2011
Heike P. Schuchmann, Katharina Landfester
- Emulsions – simply small droplets? Emulsification technology – simply dispersing oil in water? Microstructured processing units for nanostructuring of colloidal systems. Food Colloids 2012 – Creation and Breakdown of Structure, Copenhagen April 2012
Heike P. Schuchmann
