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Schlaue Fasern

(06.11.2018) Physiker helfen Pharmazeuten aus und basteln an smarten Materialien, die selbständig Medikamente abgeben.
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Oft ist es sinnvoll, ein Problem von verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Die gezielte Wirkstoff-Abgabe oder Drug Delivery ist so ein Problem. „Wenn wir uns die Literatur anschauen, finden wir viele polymere Delivery-Systeme, aber das sind meistens Kapseln und Gele und nicht viele davon waren wirklich ein kommerzieller Erfolg“, hat René Rossi von der Eidgenös­sischen Materialprüfungs- und Forschungs­anstalt, EMPA, beobachtet. Mit diesen Systemen habe man nicht wirklich Kontrolle darüber, wie, wo und wann die Substanzen freigesetzt werden. „Wir möchten das Problem gern anders angehen“, fügt er hinzu, und zwar aus der Sicht der Materialwissenschaften. Mit seiner Arbeitsgruppe am Standort St. Gallen arbeitet Rossi an Materialien und Systemen für den Schutz und die optimale Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers.

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Pflaster und Textilien

Was also haben sich die EMPA-Forscher ausgedacht? Neuartige Materialien, die auf einen Reiz hin, selbständig Medikamente an die Haut abgeben. „Self-Care Materials“ nennen es die Forscher, „Smarte Medizinfasern“ die Presseabteilung. „Wir entwickeln sowohl textile Anwendungen als auch ‚Pflaster‘, sogenannte ‚dressings‘, welche lokal angewendet werden,“ erläutert Giuseppino Fortunato aus Rossis Arbeitsgruppe.

Im Mittelpunkt stehen verschiedene Biopolymere wie Polylactide (PLA), Polycaprolacton (PCl), Polylactid-co-glycolid (PLGA) und Chitosan. Chitosan ist ein natürlich vorkommen­des Biopolymer, das sich von vollständig oder teilweise deacetyliertem Chitin ableitet. „Es ist inherent antimikrobiell“, unterstreicht Fortunato. Aber das sind noch nicht alle Vorteile: durch seine polykationischen und chelatisierenden Eigenschaften kann es mit verschie­denen organischen und anorganischen Substanzen interagieren. Außerdem ist es zwar in Säuren löslich, bei neutralem oder alkalischem pH jedoch nur schlecht löslich.

In diese Polymer-Fasern integrieren die Forscher den passenden Wirkstoff. Fortunato: „In der Regel werden die Wirkstoffe verkapselt, dies kann in Form von Partikeln geschehen, oder durch direktes Einbinden in den Faserkern oder eine textile Beschichtung.“

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Reizvolle Freisetzung

Freigesetzt wird das Medikament dann durch einen äußeren Reiz. Bei Gewebeschäden, zum Beispiel, die von einer Hautwunde herrühren, ändert sich der pH-Wert. Diese pH-Wert-Änderung (der Reiz) verändert die Struktur des Biopolymers und setzt den Wirkstoff frei. „Die Abgaberate für modifizierte Chitosane ist eine Funktion des pHs,“ konkretisiert Fortunato. „Die Dosis kann aber auch als Funktion von Temperatur gesteuert und minimiert werden, und nur bei Bedarf abgegeben werden.“ Denkbar ist auch, dass die smarten Fasern ihren pharmakologischen Inhalt via Druck oder Lichtreiz abgeben.

„Die Abgaberate kann insbesondere durch die geeignete Wahl der Materialien und deren Morphologie gesteuert werden,“ sagt Fortunato. So erhält man durch das sogenannte Elektrospinning besonders zarte Membranen mit einer großen Oberfläche. Die Fasern lassen sich letztendlich in vielen formgebenden Strukturen wie Textilien einweben.

Bei der Auswahl der Wirkstoffe gibt es keine Grenzen. „Prinzipiell sind alle Wirkstoffe möglich,“ ist Fortunato optimistisch, „allerdings muss der Typ der Verkapselung beziehungsweise das Material maßgeschneidert werden“. Antibiotika und Schmerzmittel wären gute Kandidaten. Aber es soll ein breites Spektrum an Krankheitsbildern behandelt werden. „Natürlich ist z.B. auch Hautpflege wichtig.“

Auch umgekehrt möglich

Aktuell beschäftigen sich die EMPA-Forscher neben der responsiven Abgabe von Wirk­stoffen in Funktion von Temperatur, pH, eingestrahltem Licht (interessant beispielsweise für die Lichttherapie) noch mit vielen weiteren Dingen. So untersuchen sie unter anderem auch, wie Zellen mit den maßgeschnei­derten Materialien interagieren. Ebenso auf der Forschungsagenda stehen textile Sensoren zur Erfassung verschiedener Körperfunktionen und körpereigener Substanzen. Denn „das Funktionsprinzip (der Self-Care Materials) lässt sich auch in der Gegenrichtung nutzen, indem die Fasern als Sensoren wirken und beispielsweise den Zuckerwert im Blut messen“.

Kathleen Gransalke



Letzte Änderungen: 06.11.2018

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