Formulierungen

Verkapselung von Wirk- und Effektstoffen

Das bedeutet, wir verkapseln den Wirkstoff in polymerbasierte funktionale Nano- oder Mikropartikel. Durch die Verkapselung können wir einerseits niedermolekulare Substanzen wie Duftstoffe oder Vitamine »verpacken«, aber auch Proteine, Antikörper und Enzyme – unter vollständigem Erhalt ihrer (Bio-)Aktivität. Die Verkapselung ermöglicht die Ausbildung eines dreidimensionalen Schutzraums für den Wirkstoff, da dieser durch die umgebende Hülle von seiner Mikro-Umgebung getrennt wird. Auf diese Weise können empfindliche Substanzen beispielsweise vor Oxidation geschützt werden, reaktive Agenzien vor chemischen Reaktionen.

Sprühtrocknung

Die Sprühtrocknung ist ein etablierter Prozess in vielen Industriezweigen wie etwa der Pharmazie, Lebensmittelwissenschaften, Chemie oder Materialwissenschaft. Eine Lösung, Suspension oder Emulsion wird dabei in einem einzigen Prozessschritt in eine feste Pulverform umgewandelt. Gerade für empfindliche Stoffe wie beispielsweise Hormone, Proteine oder Vitamine ist die Sprühtrocknung eine sehr schonende Methode zur Trocknung und auch zur Mikroverkapselung geeignet.

Polymerisationstechniken

Am Fraunhofer IGB werden kundenspezifisch Nano- und Mikropartikel im Bereich von 200 nm – 10 μm je nach Fragestellung aus kommerziell erhältlichen Polymeren hergestellt. Hierbei kommen unterschiedliche Polymerisationstechniken wie beispielsweise die Miniemulsionspolymerisation oder die emulgatorfreie Emulsionspolymerisation zum Einsatz.

Einstellung der Freisetzungskinetik

Durch Variation der Partikelgröße, des Beladungsgrades, des Molekulargewichts und des Verhältnisses der hydrophilen und hydrophoben Monomereinheiten können wir – individuell angepasst – die Freisetzungskinetik der eingekapselten Stoffe beeinflussen. So können auch Freisetzungen über sehr lange Zeiträume (Ultralong Drug release, ULDr) von drei bis vier Monaten realisiert werden. Von besonderem Interesse sind hierbei bioabbaubare Verbindungen, da diese nach ihrer Anwendung im Körper oder in der Umwelt vollständig metabolisiert oder zersetzt werden.

Durch chemische Modifizierung passen wir Biopolymere wie beispielsweise Gelatine, Chitosan oder Inulin gezielt an die je nach Einsatzgebiet unterschiedlichen Bedürfnisse an. Durch das Anbringen verschiedenster chemischer Gruppen können wir somit z. B. die Viskosität, die Löslichkeit oder auch die Ladung des Biopolymers zielführend verändern, wodurch Prozesse nachhaltiger und effizienter gestaltet werden können.

Modifizierte Biopolymere

Die polymeren Nanopartikel können für komplexe Anwendungen zusätzlich an der Oberfläche funktionalisiert werden. So werden die am Fraunhofer IGB hergestellten Partikel beispielsweise an ihrer Oberfläche über freie Carboxygruppen mittels gängiger Kupplungsmethoden für den gezielten Wirkstofftransport im Körper modifiziert (Drug Targeting). Über beispielsweise Carbodiimid-Kopplungen und andere vernetzende Chemikalien wurden bereits Proteine erfolgreich an die Nano- und Mikropartikeloberfläche gebunden. Das Design der Oberfläche der Partikel zielt darauf ab, dass der Anteil der unspezifischen Bindungen dabei sehr gering bleibt. Zusätzlich zu den bioabbaubaren Nano- und Mikropartikeln entwickeln wir biologisch-synthetische Nanopartikel, welche die Gegebenheiten an Zelloberflächen simulieren (NANOCYTES®).

NANOCYTES^® – Biofunktionale Kern-Schale-Partikel

Potenziale für die Medizin

Die Verkapselung von Wirkstoffen eröffnet innovative Wege für medizinische Anwendungen, von personalisierten Therapien bis hin zu präzisen Diagnosemethoden. Mit Verkapselungstechniken können wir Partikel für die Therapie von verschiedenen Erkrankungen entwickeln, die in der Lage sind, Wirkstoffe gezielt in Zellen einzuschleusen. Die Verkapselung von Krebsmedikamenten in Partikeln ermöglicht darüber hinaus eine gezielte Abgabe von Wirkstoffen an Krebszellen, wodurch gesundes Gewebe geschont und die Effizienz der Therapie erhöht wird. Bei der Vakzine-Entwicklung kann die Verkapselung von Impfstoffbestandteilen die Stabilität erhöhen und die Freisetzung der Wirkstoffe für eine verbesserte Immunantwort steuern.

Maßgeschneiderte Formulierungen für die landwirtschaftliche Nahrungsmittel- und Rohstoffproduktion

Pflanzenschutzmittel wie Pestizide, Fungizide und Herbizide sowie Pflanzenwachstumsregulatoren werden in der Landwirtschaft eingesetzt, um Pflanzen vor Krankheiten und Schädlingen zu schützen und den Ernteertrag zu erhöhen. Die landwirtschaftliche Produktion wirkt sich dabei direkt auch auf Boden, Wasser und Atmosphäre aus. Eine moderne und nachhaltige Landwirtschaft, die Ressourcen schont, die Umwelt schützt und gleichzeitig wirtschaftlich ist, wird möglich, wenn Wirk- und Effektstoffe in einer maßgeschneiderten Formulierung ausgebracht werden.

Mit der Verkapselung werden Wirk- und Effektstoffe einerseits vor äußeren Einflüssen geschützt, andererseits sind wir in der Lage, die verkapselten Stoffe über eine funktionale Ausstattung des Kapselmaterials bei Bedarf gezielt freizusetzen:

• In Mikropartikeln verkapselte Pestizide und Herbizide erreichen die Zielorganismen direkt und kontrolliert. Schädlinge und Unkräuter können so gezielt und effektiv bekämpft und Umweltauswirkungen reduziert werden.
• In Mikrokapseln formulierte Düngemittel stellen Nährstoffe in einer leicht pflanzenverfügbaren Form bereit.
• Mikropartikel in Beschichtungen bei der Aussaat von Saatgut können das Saatgut mit Nährstoffen oder anderen Substanzen versorgen und so die Keimung und das frühe Pflanzenwachstum fördern.

Durch die Verkapselung kann die auszubringende Menge des Wirk- und Effektstoffs erheblich reduziert werden. Zudem können wir kontrollierte Freisetzung der Substanz steuern, beispielsweise nur bei Regen. Für den Einsatz in der Landwirtschaft wählen wir als Kapselmaterial biobasierte und bioabbaubare Polymere, beispielsweise Chitosan, Inulin oder Alginat. Nach Freisetzung der Wirkstoffe werden diese im Boden einfach abgebaut.  

Mit unserem umfassenden Know-how bezüglich Materialauswahl und Prozessführung entwickeln wir Lösungen für Formulierungsfragestellungen aus verschiedensten Anwendungsfeldern und maßgeschneiderte Formulierungen für unsere Kunden. Kommen Sie mit Ihrem Bedarf oder Ihrer Idee gerne auf uns zu. Wir unterstützen Sie anschließend auch bei der industriellen Umsetzung.