DE69733889T2

DE69733889T2 - Lösliche oxide für biologische anwendungen

Info

Publication number: DE69733889T2
Application number: DE69733889T
Authority: DE
Inventors: Manja Ahola; Heidi Fagerholm; Ilkka Kangasniemi; Juha Kiesvaara; Pirjo Kortesuo; Kauko Kurkela; Niilo Saarinen; Antti Yli-Urpo
Original assignee: DelSiTech Oy
Current assignee: DelSiTech Oy
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: ES2244998T5; CN1219919A; DE69733889D1; NO985534L; EE9800418A; EP1618896A3; HUP9903865A3; DE69733889T3; HUP9903865A1; RU2208582C2; CZ297042B6; NZ332968A; EP0906243A1; CA2257172A1; EP1618896A2; CN1103320C; EP0906243B2; EE03758B1; JP2001509122A; SK164298A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine langsam freisetzende Abgabevorrichtung, die ein Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von geringem Durchmesser umfasst, ein Arzneimittel, das eine derartige langsam freisetzende Abgabevorrichtung umfasst, und die Verwendung einer derartigen Abgabevorrichtung zur Verabreichung eines biologisch wirksamen Mittels in einen menschlichen oder tierischen Körper. Darüber hinaus werden kontrolliert lösliche Sol-Gel hergestellte Kieselsäure-Xerogel-Materialien und ihre Verwendung beschrieben. Insbesondere werden kontrolliert lösliche Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von geringem Durchmesser beschrieben, die durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt sind, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen des Lösungsmittels gleichzeitig erfolgen. Genauer beschreibt die Erfindung kontrolliert lösliche Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von geringem Durchmesser, die durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt sind, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen des Lösungsmittels durch ein Sprühtrocknungsverfahren oder durch eine Faserspinn- oder Faserziehtechnik erfolgt. Weiterhin beschreibt die Erfindung kontrolliert lösliche Sol-Gel-hergestellte Kieselsäure-Xerogele als Vorrichtungen zur verzögerten und/oder kontrollierten Abgabe für biologisch wirksame Mittel, insbesondere Medikamente, Proteine oder Hormone und Arzneimittel, die diese Vorrichtungen umfassen. Darüber hinaus beschreibt die Erfindung implantierbare und transmukosale Formen der Vorrichtungen. Und weiterhin beschreibt die Erfindung implantierbare medizinische Vorrichtungen, die kontrolliert lösliche Sol-Gel hergestellte Kieselsäure-Xerogele umfassen, die weiterhin ein biologisch wirksames Mittel umfassen.
Kieselsäure-Xerogele sind teilweise hydrolysierte Oxide des Siliciums. Hydrolysierte Oxidgele können durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, das seit vielen Jahren zur Herstellung von Keramik- und Glasmaterialien verwendet wird.
Das Sol-Gel-Verfahren basiert auf der Hydrolysierung eines Metallalkoxids und anschließender Polymerisation des Metallhydroxids wie folgt:

1) Si(OR)₄ + H₂O → HO-Si(OR)₃ + ROH
2) HO-Si(OR)₃ + 3H₂O + ROH → Si(OH)₄ + 4ROH
3) Si(OH)₄ + Si(OH)₄ → (HO)₃Si-O-Si(OH)₃ + H₂O

Wenn die Polymerisationsreaktion weiter läuft, werden zusätzliche Ketten, Ringe und dreidimensionale Netzwerke gebildet, und ein Gel, das Wasser, den Alkohol des Alkoxyrestes und das Gel selbst umfasst, wird gebildet. Das Sol kann auch andere Zusatzstoffe enthalten, wie Säuren oder Basen, die zur Katalyse der Reaktion verwendet werden. Wenn Alkohol und Wasser jetzt durch Waschen und Verdampfen aus dem Gel extrahiert werden, wird ein Xerogel erhalten.
Während des Trocknens tritt eine starke Schrumpfung ein, die im Gel innere Spannungen verursacht. Wenn man dem monolytischen Gel nicht eine ausreichende Zeit gewährt, um seine inneren Spannungen abzubauen, wird es springen. Während des Trocknens tritt eine weitere Polymerisation der verbleibenden OH-Gruppen ein. Die kontinuierliche Polymerisation läuft noch eine lange Zeit nach der Gelbildung weiter. Dies bezeichnet man als Alterung. Je weiter die Polymerisation verläuft, desto stabiler wird das Gel oder Xerogel. Jedoch hört bei Raumtemperatur die Polymerisation tatsächlich nach einigen Wochen Alterung auf, und das Xerogel wird nicht vollkommen inert. Wenn die Temperatur angehoben wird, kann die Polymerisationsreaktion beschleunigt werden, weitere Stabilisierung und Schrumpfung tritt ein, und stärkere innere Spannungen werden in das Xerogel eingeführt.
Wenn die Temperatur hoch genug angehoben wird (etwa 1000°C für monolithische Si-Gele), wird das Gel oder Xerogel zum reinen Oxid, und im Material liegen keine OH-Gruppen mehr vor. Jedoch ist im Falle der reinen Oxide die Reaktionsgeschwindigkeit extrem langsam. Wenn die Oxide mit anderen Ionen, wie Na, K, Mg oder Ca, eingebracht werden, kann die Reaktionsgeschwindigkeit stark beschleunigt werden. Die sogenannten bioaktiven Gläser werden aus diesen Systemen entwickelt. Die Lösungsgeschwindigkeit dieser Gläser kann durch die Zusammensetzung und den Oberflächenbereich des Glases kontrolliert werden. Diese Gläser werden über 1000°C geschmolzen.
Die allgemeinen Prinzipien des Mischens von organischen Substanzen und Gelen sind gut bekannt. Die Grundidee besteht darin, dass eine organische Substanz zur Solstufe des Sol-Gel-Verfahrens zugegeben wird. Dann ist nach der Gelbildung der organische Teil ein inhärenter Teil des Materials geworden. Bei herkömmlichen Glasschmelz-Verfahren ist dies überhaupt nicht möglich, da die Temperaturen für ein Überleben der organischen Substanzen viel zu hoch sind.
Die Sintertemperatur ist natürlich auch ein begrenzender Faktor für viele Substanzen in organisch modifizierten Silicaten (ORMOSILS). Im Falle von Medikamenten wird die Sintertemperatur durch den Abbau der Struktur oder der Funktionalität des Medikaments begrenzt. Für Proteine, Enzyme, Antikörper und ganze Zellen liegt die Sintergrenze bei maximal 40°C, da sie bei oder über dieser Temperatur zu koagulieren beginnen.
Organische Substanzen werden im allgemeinen zu Kieselsäuregelen gegeben, um die natürlichen Eigenschaften der Silicate mit denen der organischen Substanzen zu modifizieren. Einige Kombinationen der bis jetzt verwendeten Dotiermaterialien und Matrizen sind in der Chemistry of Materials (1994) 6: 1605–1614 (D. Avnir et al.) offenbart.
Das Kieselsäure-Sol-Gel-Material ist auf eine orale Abgabe von Arzneistoffen von kurzer Dauer (unter 24 h) gerichtet und Verfahren zum Mischen von Arzneistoffen mit viskosen Kieselsäuresolen wurden in Drug Development and Industrial Pharmacy (1983) 9 (1&2): 69–91 (K. Unger et al.) beschrieben. Der Artikel beschreibt eine Polykondensation in einem Lösungsverfahren, das mit dem Mischen von Polyethoxysiloxan (PES) mit einer Lösung des Arzneistoffs in einem geeigneten Lösungsmittel beginnt, was einen Einschluss des Arzneistoffs im Polymer auf molekularer Ebene ergibt. Die Freisetzungsgeschwindigkeit des Arzneistoffs wird durch die Diffusion durch die Poren des Matrixmaterials kontrolliert.
Die veröffentlichte Anmeldung EP 0 680 753 beschreibt eine Sol-Gel hergestellte Kieselsäure-Beschichtung und Teilchen die biologisch wirksame Substanzen enthalten, wobei die Freisetzungsgeschwindigkeit des Wirkstoffs durch Zugabe von Penetrationsmitteln, wie Polyethylenglykol oder Sorbitol, kontrolliert wird.
Die veröffentlichte Anmeldung WO 96/03117 behandelt auf Knochen biowirksame, kontrolliert freisetzende Träger, die auf Kieselsäure basierendes Glas umfassen, das eine kontrollierte Freisetzung biologisch wirksamer Moleküle bereitstellt, ihre Herstellungs- und Verwendungsverfahren. Von diesen Trägern wird behauptet, dass sie unter Verwendung eines Sol-Gel abgeleiteten Verfahrens hergestellt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine langsam freisetzende Abgabevorrichtung bereitzustellen, umfassend ein Kieselsäure-Xerogel-Teilchen eines Durchmessers ≤ 500 μm, das durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt ist, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen von Wasser oder dem Lösungsmittel gleichzeitig erfolgen und ein anderes biologisch wirksames Mittel, außerdem Kieselsäure-Xerogel selbst, das in die Kieselsäure-Xerogel-Struktur eingebracht ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Arzneimittel bereitzustellen, das eine wie vorstehend definierte, langsam freisetzende Abgabevorrichtung umfasst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verwendung einer wie vorstehend definierten Abgabevorrichtung zur Verabreichung eines biologisch wirksamen Mittels in einen menschlichen oder tierischen Körper bereitzustellen, wobei die Verwendung Implantieren, Injizieren oder mukosales Anbringen der Vorrichtung umfasst.
Weitere Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Darüber hinaus werden kontrolliert lösliche, durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellte Kieselsäure-Xerogele beschrieben. Zusätzlich wird ein kontrolliert lösliches Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von geringem Durchmesser beschrieben, das durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt ist, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen des Lösungsmittels gleichzeitig erfolgen. Insbesondere beschreibt die vorliegende Erfindung kontrolliert lösliche Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von geringem Durchmesser, die durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt sind, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen des Lösungsmittels durch ein Sprühtrocknungsverfahren oder durch eine Faserspinn- oder -ziehtechnik erfolgt.
Darüber hinaus werden verzögert und/oder kontrolliert freisetzende Abgabevorrichtungen für biologisch wirksame Mittel, insbesondere Medikamente, Proteine oder Hormone, die aus kontrolliert löslichem, Sol-Gel hergestelltem Kieselsäure-Xerogel hergestellt sind, und Arzneimittel beschrieben, die diese Vorrichtungen umfassen. Insbesondere beschreibt die vorliegende Erfindung Abgabevorrichtungen mit verzögerter und/oder kontrollierter Freisetzung für biologisch wirksame Mittel, die aus kontrolliert löslichem, durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellten Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von geringem Durchmesser gemacht sind, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen des Lösungsmittels gleichzeitig erfolgen, und Arzneimittel, die diese Vorrichtungen umfassen.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Verabreichung eines biologisch wirksamen Mittels in einen menschlichen oder tierischen Körper beschrieben, umfassend Implantieren, Injizieren oder transmukosales Anbringen einer Abgabevorrichtung, die aus Sol-Gel hergestellten, kontrolliert löslichen Kieselsäure-Xerogelen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, in deren Struktur ein biologisch wirksames Mittel eingebaut ist, in den menschlichen oder tierischen Körper.
Zusätzlich wird eine implantierbare medizinische Vorrichtung beschrieben, die ein kontrolliert lösliches, Sol-Gel hergestelltes Kieselsäure-Xerogel umfasst, das weiter ein biologisch wirksames Mittel umfasst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt graphisch den Prozentsatz des verbleibenden Kieselsäure-Xerogel-Implantats und die ³H-Toremifen-Aktivität zu verschiedenen Zeitpunkten des in-vivo-Experiments von Beispiel 5.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Anmelder haben festgestellt, dass sich die durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellten Kieselsäure-Xerogele und Kieselsäure-Xerogel-Teilchen mit geringem Durchmesser, die durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen des Lösungsmittels gleichzeitig erfolgen, für eine lange Zeitdauer (mehr als 24 h) kontrolliert lösen. Darüber hinaus werden auch die biologisch wirksamen, in die Kieselsäure-Xerogel-Struktur eingebrachten Mittel für einen langen Zeitraum kontrolliert freigesetzt. Daher können die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Kieselsäure-Xerogele für eine Langzeitabgabe von biologisch wirksamen Mitteln verwendet werden. So können sie für Abgabevorrichtungen oder Arzneimittel verwendet werden, die zum Beispiel implantiert oder injiziert in, oder transmukosal angebracht an den menschlichen oder tierischen Körper werden. Eine Verabreichung in jedes Gewebe, weiches Gewebe oder Knochen, ist möglich. Dies erlaubt die lokale Verabreichung, so dass das Targeting des Freisetzungsortes des biologisch wirksamen Mittels möglich ist. Daher wird eine maximale Wirkung aus dem Mittel erhalten.
Eine Abgabevorrichtung oder Arzneimittel ist subkutan, intramuskulär, intraosseal implantierbar, in der Mund-, Sinus und Uterushöhle, auf jedem erkrankten Gewebe anwendbar. Transmukosal angebrachte Abgabevorrichtungen oder Arzneimittel können z. B. Teilchen, wie Kügelchen sein, die als Spray auf das Sinus- oder Lungengewebe verabreicht werden, wo sie sich lösen und den biologischen Wirkstoff freisetzen. Ähnlich können kleine Teilchen in einer Trägerflüssigkeit in Gewebe injiziert werden.
Es wurde auch herausgefunden, dass die erfindungsgemäßen Kieselsäure-Xerogele für implantierbare medizinische Vorrichtungen verwendet werden können. Eine erfindungsgemäße medizinische Vorrichtung kann in jedes beliebige menschliche oder tierische Gewebe implantiert werden. Die erfindungsgemäßen Kieselsäure-Xerogele lösen sich während der gewünschten Zeitdauer vollständig, wenn sie mit Körperflüssigkeiten in Kontakt kommen. So lösen sich die Abgabevorrichtungen und medizinischen Vorrichtungen der Erfindung vollkommen und kontrolliert.
In diesem Zusammenhang ist eine Abgabevorrichtung ein Kieselsäure-Xerogel mit einem in seine Struktur eingebrachten, biologisch wirksamen Mittel. In diesem Zusammenhang ist ein Arzneimittel, wie ein Granulat oder eine Kapsel, eine Zubereitung, die die Abgabevorrichtung und möglicherweise weitere, in Arzneimitteln nützliche Exzipienten umfasst. Eine in der Erfindung beschriebene, medizinische Vorrichtung ist auch für orthopädische und chirurgische Zwecke nützlich. Eine medizinische Vorrichtung kann z. B. eine aus Kieselsäure-Xerogel-Fasern hergestellte Gewebe- oder Vliesmatte sein.
Das in der Erfindung beschriebene Kieselsäure-Xerogel-Material hat sich als sehr biokompatibel erwiesen. In anderen Worten, es beeinflusst das umgebende Gewebe nicht nachteilig, z. B. durch Verursachen einer Entzündungsreaktion.
Das Kieselsäure-Xerogel löst sich kontrolliert auf, und die Freisetzung des biologisch wirksamen Mittels aus dem Kieselsäure-Xerogel beruht auf dieser Lösung, die eine konstante lokale Freisetzung des biologisch wirksamen Mittels ins Gewebe erlaubt. Die Freisetzungsgeschwindigkeit des biologisch wirksamen Mittels kann durch die Verarbeitungsparameter der Gelbildungsbedingungen, wie die Temperatur der Sprühtrocknung, kontrolliert werden. Auch Faktoren, wie das Verhältnis von Oberflächenbereich/Volumen des Materials, die Elementarzusammensetzung des Kieselsäure-Xerogels und die Abmessungen des Gels, die die Bildung fehlerloser Kieselsäure-Xerogele erlauben, bestimmen die Freisetzungsgeschwindigkeit des biologisch wirksamen Mittels.
Die Kieselsäure-Xerogel-Matrix und das eingebrachte, biologische wirksame Mittel werden langsam freigesetzt, wenn der Durchmesser der Xerogel-Teilchen in der Größenordnung von etwa 1–500 μm liegt. Wenn der Durchmesser der Teilchen zunimmt, werden auch die Freisetzungsgeschwindigkeiten der Matrix und des Wirkstoffs erhöht.
Das biologisch wirksame Mittel kann jedes beliebige organische oder anorganische Mittel sein, das biologisch wirksam ist. Das biologisch wirksame Mittel kann z. B. ein Medikament, ein Protein, ein Hormon, eine lebende oder tote Zelle, ein Bakterium, ein Virus oder ein Teil davon sein. Biologisch wirksame Mittel beinhalten diejenigen, die insbesondere für eine Langzeittherapie nützlich sind, wie eine Hormonbehandlung, z. B. Kontrazeption und Hormonsubstitutionstherapie und zur Behandlung von Osteoporose, Krebs, Epilepsie, Parkinson-Krankheit, Schmerz und kognitiver Dysfunktion. Geeignete biologisch wirksame Mittel können z. B. entzündungshemmende Mittel, Antünfektiva (z. B. Antibiotika und antivirale Mittel, wie Glindamycin, Miconazol), Analgetika und analgetische Kombinationen, Antiasthmatika, Antikonvulsiva (z. B. Oxycarbazepin), Antidepressiva, antidiabetische Mittel, Antineoplastika, Antikrebsmittel (z. B. Toremifen, Tamoxifen, Taxol), Antipsychotika, krampflösende Mittel, Anticholinergika, Sympatomimetika, Herz-Kreislaufzubereitungen, Antiarrythmika, Antihypertensiva, Diuretika, Vasodilatoren, ZNS-(Zentralnervensystem)-Arzneistoffe, wie Arzneistoffe gegen Parkinson (z. B. Selegilin), Steroidhormone (z. B. Estradiol, Progesteron, Nestoron), Sedativa (z. B. Atipamezol, Dexmedetomidin, Levomedetomidin), Tranquilizer und Arzneistoffe gegen kognitive Dysfunktion sein. Das Medikament kann in Form eines Salzes, wie Selegilin-Hydrochlorid, (–)-4-(5-Fluor-2,3-dihydro-1H-inden-2-yl)-1H-imidazol-Hydrochlorid, 4-(5-Fluor-2,3-dihydro-1H-inden-2-yl)-1H-imidazol-Hydrochlorid, Dexmedetomidin- Hydrochlorid und Toremifencitrat vorliegen. Das Medikament kann auch in Form einer freien Säure, wie Ibuprofen; einer freien Base, wie Coffein oder Miconazol; oder als neutrale Verbindung, wie Z-2-(4-(4-Chlor-1,2-diphenyl-but-1-enyl)phenoxy)ethanol vorliegen. Ein Peptid kann z. B. Levodopa, sein und ein Protein kann z. B. ein Schmelzmatrix-Derivat oder ein knochenmorphogenetisches Protein sein. Eine wirksame Menge eines biologisch wirksamen Mittels kann auf jeder beliebigen Stufe des Verfahrens zum Reaktionsgemisch gegeben werden. Jedoch ist es bevorzugt, das biologisch wirksame Mittel dem Reaktionsgemisch auf der Solstufe zuzugeben, bevor die Polykondensationsreaktion stattfindet oder es mit den Ausgangsstoffen zu mischen. Die genaue, in einer besonderen Situation verwendete Menge hängt von zahlreichen Faktoren, wie dem Verfahren der Verabreichung, der Art des Säugetiers, dem Zustand, gegen das das biologisch wirksame Mittel verabreicht wird, dem besonderen, verwendeten biologisch wirksamen Mittel, der gewünschten Verwendungsdauer, usw. ab. Die Menge an Toremifencitrat im Kieselsäure-Xerogel kann von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% variieren.
Die kontrolliert löslichen, erfindungsgemäßen Kieselsäure-Xerogele können hergestellt werden, indem man ein Kieselsäure-Alkoxid, wie Tetraethylorthosilicat (TEOS), mit Wasser und gegebenenfalls einem Lösungsmittel, z. B. Ethanol oder Polyethylenglykol, oder einer Kombination von Lösungsmitteln, bei tiefer Temperatur, wie –20°C bis 100°C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, in Gegenwart einer Säure, z. B. Essigsäure, oder eines basischen Katalysators durch Hydrolysieren (Sol wird gebildet) und Polykondensation (Gel wird gebildet) reagieren lässt. Der Katalysator sollte so gewählt werden, dass er das biologisch wirksame Mittel nicht schädigt.
In Gegensatz zur Herstellung von monolithischen Kieselsäure-Xerogelen und Kieselgelbeschichtungen, erfolgt bei der Herstellung von Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von geringem Durchmesser, zum Beispiel durch ein Sprühtrocknungs- oder ein Faserspinn- oder eine Faserziehverfahren, Gelbildung des Sols und Verdampfen des Lösungsmittels gleichzeitig, wobei kontrolliert lösliche Teilchen von geringem Durchmesser, wie Kügelchen oder Fasern gebildet werden. Wenn man zulässt, dass die Gelbildung vor dem Verdampfen des Lösungsmittels abgeschossen ist, ist das gebildete Gel ein Monolith, der sich von einer Wand des Behälters zur anderen erstreckt. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Erfindung beschrieben, dass die Gelbildung des Sols und das Verdampfen des Lösungsmittels gleichzeitig erfolgen, zum Beispiel durch ein Sprühtrocknungs-, Faserspinn- oder Faserziehverfahren, die Verdampfung des Lösungsmittels aus dem Sol die bereits gebildeten, kolloidalen Nano-Gelteilchen nahe aneinander zwingt und sie dazu zwingt, miteinander zu reagieren, wodurch dies zur Bildung von Kieselsäure-Xerogel-Teilchen führt.
In der vorliegenden Erfindung wird beschrieben, dass, wenn das Gel in Teilchen mit geringem Durchmesser, wie Kügelchen und Fasern, hergestellt wird, die während des Trocknens gebildeten, inneren Spannungen des Gels fast vollkommen vermieden werden und die Teilchen langsam abbaubar sind.
So können diese langsam freisetzenden Materialien nun bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden, ohne notwendigerweise überhaupt sintern zu müssen, was die Verwendung aller organischer Substanzen als Bestandteile erlaubt.
Getrocknete und/oder teilweise gesinterte Gele, d. h. Xerogele, umfassen ein mit OH-Gruppen, die das kontinuierliche Siliciumdioxid-Netzwerk durchbrechen, modifiziertes SiO₂. Um diese Oxide zu lösen, muss die Hydrolysierung der Bindung zwischen einem Sauerstoffatom und einem Metallatom gebrochen werden, und ein Wasserstoffatom nimmt die Stelle des Metalls ein. So wird das Metalloxid-Netzwerk diskontinuierlich. Die Hydrolysierung kann bis zur Vollständigkeit fortschreiten, wobei alle Metall- zu Metall-Sauerstoff-Bindungen gebrochen werden, bis das Oxid vollkommen gelöst ist. Das Lösungsverhalten des Xerogels hängt von verschiedenen Parametern ab. Die Sinter- oder die Trocknungstemperatur ist ein Parameter, der einen Einfluss auf die Lösungsgeschwindigkeit des Materials hat. Eine gesteigerte Sintertemperatur vergrößert die Reaktionsgeschwindigkeit und den Endzustand der Polykondensationsreaktion. Weitere Parameter, die die Polykondensationsreaktion beherrschen, wie das molare Verhältnis von TEOS:H₂O, der pH-Wert des Kieselsäuresols, Alterung, Gelbildungsgeschwindigkeit, Gestalt, d. h. Dicke des Gels, und Trocknung haben einen geringeren Einfluss auf das Lösungsverhalten eines bei tiefer Temperatur (unter 300°C) gesinterten Gels. Außerdem haben verschiedene Zusatzstoffe, wie Polyethylenglykol oder Sorbit, die als Penetrationsmittel verwendet werden, auch nur eine geringe Wirkung auf die Freisetzungsgeschwindigkeit des biowirksamen Mittels. Die Zusammensetzung des Gels hat auch einen Einfluss auf das Lösungsverhalten, insbesondere bei Materialien, die bei oder über 200°C gesintert wurden. Die Zusammensetzung des Xerogels kann mit Elementen, wie Na, Ca, P, K, Mg, Cl, Al, B, Ti, N, Fe, und C verändert werden.
Die Porosität und der Oberflächenbereich des Kieselsäure-Xerogels können durch die Sintertemperatur und Zusatzstoffe beinflusst werden. Wenn bei der gleichen Temperatur gesintert, haben verschiedene Zusammensetzungen von Zusatzstoffen einen großen Einfluss auf die Porosität und den Oberflächenbereich. Jedoch haben diese Änderungen nur einen geringen Einfluss auf die Lösungsgeschwindigkeit von nahe bei Raumtemperatur hergestellten Xerogelen. Die Lösungsgeschwindigkeiten von Xerogelen, die bei hohen Temperaturen (500–1100°C) hergestellt wurden, werden stark durch diese Faktoren beeinflusst.
Stattdessen scheinen der Durchmesser eines einzelnen Gel-Objektes und das Herstellungsverfahren einen entscheidenden Einfluss auf die Lösungsgeschwindigkeit des Xerogels zu haben. Teilchen aus Kieselgel können auf verschiedene Arten hergestellt werden. Herkömmliches Zerkleinern führt zu Teilchen, die sich mit der selben Geschwindigkeit pro Oberflächeneinheit lösen, wie das Massenmaterial. In der WO 96/03117 wird die Freisetzung von Vancomycin aus verriebenen Kieselsäure-Xerogel-Teilchen von 500–700 μm beschrieben. Die Freisetzung war sehr schnell und das meiste des eingebrachten Vancomycins (etwa 90%) wurde während des ersten Tages freigesetzt. Im Gegensatz dazu ist, wenn z. B. das Sol zu Teilchen (unter 200 μm) bei Raumtemperatur sprühgetrocknet und für 2 Monate in einem Exsikkator aufbewahrt wird, die Lösung des eingebrachten Arzneistoffs konstant und die gesamte Lösung wird 6 Tage lang anhalten. Die Lösungsgeschwindigkeit der sprühgetrockneten Teilchen scheint über sechs mal langsamer zu sein, als die Lösungsgeschwindigkeit der zerkleinerten Teilchen in vitro.
In der vorliegenden Erfindung wird die Herstellung von Kieselsäure-Teilchen und -Kügelchen durch Sprühtrocknung über dem Schmelzpunkt des Kieselsäuresols beschrieben. Während des Sprühens in Luft trocknen die kleinen Tropfen in der Atmosphäre ausreichend, um zur Gelbildung von hydrolysierten Kieselsäure-Ionen und kolloidalen Gel-Teilchen zu führen. Wenn die Tröpfchen auf eine Oberfläche treffen, bevor sie ausreichend trocken sind, bilden sie Pseudokügelchen, die durch die Unterschiede der Oberflächenenergien zwischen Tröpfchen und Träger gebildet werden. In diesem Fall werden sie auch als Pseudokügelchen gelieren. Die gelierten Teilchen werden Wärme behandelt oder bei Raumtemperatur gealtert, was zu einer weiteren Polymerisation der OH-Gruppen führt. Die Wärme oder Alterungsbehandlung verlangsamt die Lösung der Teilchen wesentlich. Die Teilchen können mit Ionen, wie Na, K, P, Ca, Mg, Al und B verarbeitet werden, um lösliche und/oder biowirksame Knochen bindende Teilchen herzustellen.
Die Sprühtrocknung von Gelteilchen ohne biologisch wirksames Mittel bei Raumtemperatur und Altern im Exsikkator ergibt homogene, fehlerfreie Teilchen mit langsamer Lösung. Diese Teilchen lösen sich linear mit einer Geschwindigkeit von 1,9 Gew.-% pro Woche. Aus den bei Raumtemperatur sprühgetrockneten Teilchen mit biologisch wirksamem Mittel wurde die Kieselsäure linear mit einer Geschwindigkeit von 22,4 Gew.-% pro Woche freigesetzt. Mikrokügelchen (< 50 μm), die 10 Gew.-% eines biologisch wirksamen Mittels enthielten und durch eine Mini-Sprühtrocknungsvorrichtung (Büchi, Schweiz) bei 132°C hergestellt wurden, lösten sich mit einer Geschwindigkeit 77,3 Gew.-% pro Woche. Ohne ein biologisch wirksames Mittel wurde eine Freisetzungsgeschwindigkeit von 5,8 Gew.-% pro Woche gemessen.
Kontrolliert lösliche Kieselsäure-Xerogel-Fasern können durch Solspinnverfahren mit zusätzlichem Altern oder Behandlung mit Wärme bei niederer Temperatur hergestellt werden. Die Herstellungstemperatur kann in der Nähe der Raumtemperatur gehalten werden. Die Faserherstellungsverfahren ergeben gleichmäßige und fehlerfreie Materialien. Kieselsäure-Xerogel-Fasern, die durch ein Glasstab-Spinndüsenverfahren hergestellt wurden und für vier Monate in einem Exsikkator aufbewahrt wurden, erzeugten Materialien, die sich mit 2,5 Gew.-% pro Woche lösten. In diese Fasern können Ionen, wie Na, K, P, Ca, Mg, Al und B eingebracht werden, um lösliche und/oder biowirksame Knochen bindende Fasern herzustellen.
Gewebe oder Vliesmatten, die aus erfindungsgemäßen Kieselsäure-Xerogel-Fasern hergestellt wurden, können verwendet werden, um zwei oder mehrere Gewebearten voneinander zu trennen. Sie können auch als Matten zur Knochenwiederherstellung verwendet werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Gewebeführung löslich ist, so dass sie nicht durch eine zweite Operation entfernt werden muss. Für nicht gesinterte und gealterte, in der vorliegenden Erfindung beschriebene Fasern wurde herausgefunden, dass sie für derartige Anwendungen annehmbare Lösungsgeschwindigkeiten (10 Gew.-% in 4 Wochen) aufweisen.
Ein Knochensammelfilter ist eine medizinische, auf einem Saugrohr angebrachte Vorrichtung, die Gewebsreste und überschüssige Flüssigkeiten von der Operationsstelle entfernt. Wenn der Chirurg bohrt, sägt, schleift oder auf andere Weise am Knochengewebe arbeitet, könnten die Knochensplitter mit dem Filter gesammelt und zurück in die Fehlstelle gebracht werden. Bis jetzt sind diese Filter nicht im Gewebe löslich. Wenn diese Filter aus Sol-Gel hergestellten Fasern oder Teilchen angefertigt werden, könnten sie löslich gemacht und mit einem biologisch wirksamen Mittel beladen werden. So könnte der ganze Filter in die Fehlstelle mit den Knochensplittern eingebracht werden.
Aus Kieselsäure-Xerogel-Fasermatten hergestellte Implantate sind elastisch und löslich.
Polymilchsäure, Polyglykolsäure und Polycaprolacton sind in medizinischen Vorrichtungen verwendete, bioabbaubare Polymere, die jedoch verstärkt werden müssen, um, während der Abbau die Festigkeit der Matrix verringert, eine ausreichend lange Festigkeit zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Kontrolliert lösliche, erfindungsgemäße Kieselsäure-Xerogel-Fasern und Teilchen sind für diesen Zweck ideal, da sie eine ausreichende Festigkeit und eine kontrollierbare Lösungsgeschwindigkeit aufweisen. Sie können auch zur Verstärkung von Kunststoff-Packmaterialien verwendet werden, die aus Polymilchsäure, Stärke oder einem anderen bioabbaubaren Polymer hergestellt sind.
Sol-Gel hergestellte, kontrolliert lösliche, in der vorliegenden Erfindung beschriebene Kieselsäure-Xerogele können auch als Zellwachstumssubstrate hergestellt werden, zum Beispiel in Form von Membranen und Beschichtungen, die aus sprühgetrockneten Teilchen oder Fasern hergestellt wurden. Das Zellwachstum unterstützende Substanzen werden aus dem Substrat bei Lösung der Kieselsäure freigesetzt.
Mit den folgenden Beispiele ist beabsichtigt die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen, und sie sollen nicht dahingehend ausgelegt werden, den Schutzumfang einzuschränken.
BEISPIEL 1
Herstellung eines Kieselsäure-Xerogel-Monolithen
Ein Sol für ein monolithisches Kieselgel wurde aus TEOS, destilliertem Wasser und CH₃COOH im Verhältnis 1/14,2/0,5 hergestellt. Polyethylenglykol wurde als Zusatzstoff in einem Verhältnis von 0/0,005 (mittleres Molekulargewicht 10.000) oder 0,012 (mittleres Molekulargewicht von 4.600) verwendet.
Kieselsäure-Xerogele wurden durch Hydrolyse und Polykondensation von TEOS mit oder ohne Polyethylenglykol und Wasser bei Raumtemperatur hergestellt. Eine kleine Menge eines Katalysators (Essigsäure) wurde zugegeben, um die Umsetzung zu beschleunigen. Kristalle eines Arzneistoffs wurden zugegeben, um die hydrolysierte Lösung zu klären, und das Kieselsäuresol wurde in die Vertiefungen einer Mikrotiterplatte gegossen, die zur Hydrolyse, Polykondensation und Alterung für 18 h bei 40°C in einer Heizvorrichtung aufbewahrt wurde. Die gealterten Kieselsäuregele wurden für zwei Tage in Wasser eingeweicht, um die verbleibenden organischen Substanzen aus dem Gel zu waschen, und für einige Tage bei 40°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, um ein Kieselsäure-Xerogel mit einem eingebrachten Arzneistoff zu erhalten. Eine Fraktion der Kieselsäure-Xerogele wurde bei 80°C oder 120°C (2°C/h, 2 h bei 80°C/120°C) getrocknet. Toremifencitrat wurde als Modellarzneistoff in den Studien verwendet, die die Wirkung von PEG, der Sintertemperatur und des Arzneistoffgehalts auf die Freisetzungsgeschwindigkeit von Arzneistoff und Kieselsäure aus der Matrix beurteilten.
In-vitro-Lösungstest
Die Lösungsprofile von Toremifencitrat und Kieselsäure aus Kieselsäure-Xerogel wurden unter Verwendung der Dissolution-Vorrichtung II der USP XXII (Paddelverfahren, Sotax AT6, Basel, Schweiz) bei konstanter Temperatur (37°C) untersucht. Simulierte Körperflüssigkeit (SBF, pH 7,4) mit 0,5% (MN) Natriumdodecylsulfat wurde als Lösungsmedium verwendet. SBF wurde hergestellt, indem man die Reagenzienqualitäten von NaCl (136,8 mM), NaHCO₃ (4,2 mM), KCl (3,0 mM), K₂HPO₄ × 3H₂O (1,0 mM), MgCl₂ × 6H₂O (1,5 mM), CaCl₂ × 2H₂O (2,5 mM) und Na₂SO₄ (0,5 mM) in destilliertem Wasser löste. Sie wurden mit Tris(hydroxymethyl)aminomethan (50 mM) und Salzsäure auf pH 7,4 gepuffert.
Das Volumen des Lösungsmediums betrug 250 ml. Die Rührgeschwindigkeit betrug 50 U/min und die Temperatur betrug 37°C.
Die Absorptionswerte der Lösungsproben wurden mit einem UV/VIS-Spektrophotometer (Hewlett Packard 845/A, USA) beim Absorptionsmaximum von Toremifencitrat (A₂₇₈) gemessen. Gelöste Kieselsäure wurde spektrophotometrisch als Kieselsäure-Molybdänblau-Komplex bei A₈₂₀ (Koch und Koch-Dedic, 1974) bestimmt.
Porosität
Die Porosität der Kieselsäure-Xerogel-Proben wurde unter Verwendung eines Hochdruck-Porosimeters (Autoscan 33, Quantachrome Corp. U.S.A.) bestimmt. Es wurden Porendurchmesser von 6,5 nm–14 μm gemessen.
Ergebnisse
Toremifencitrat wurde als Kristallteilchen in das Reaktionsgemisch gegeben, und es zeigte sich als molekulare Dispersion in der Kieselsäuregelmatrix. Die Konzentration an zugesetztem Toremifencitrat im Kieselsäuresol variierte von 1,9–5,5 Gew.-%, (was etwa 11,5–34,4 Gew.-% Arzneistoff in Luft getrocknetem Gel entspricht). Höhere Mengen an Toremifencitrat fielen bei 40°C während der Gelbildung aus.
Die Wirkung des Arzneistoffgehaltes wurde an gesinterten Kieselsäuregelen (120°C) untersucht, die 11,5, 22,9 und 34,4 Gew.-% Toremifencitrat enthielten. Das Freisetzungsprofil von Toremifencitrat war linear gemäß der Freisetzungskinetik nullter Ordnung. Die Freisetzung von Toremifencitrat war am langsamsten bei einem Kieselsäure-Xerogel, das 11,5 Gew.-% Arzneistoff (0,05%/mg Implantat/h) enthielt und am schnellsten beim Kieselsäure-Xerogel mit 34,4 Gew.-% Arzneistoff (0,11%/mg Implantat/h). Die Kieselsäurematrix löste sich gemäß einer Freisetzung nullter Ordnung.
Das Sintern der Kieselsäure-Xerogele zeigte bei den verwendeten Temperaturbereichen keinen wesentlichen Einfluss auf die Freisetzungsgeschwindigkeit von Toremifencitrat oder Kieselsäure.
Unger et al. deuten an, dass wasserlösliche Polymere, wie Polyethylenoxide die Freisetzung von Medikamenten aus polykondensierten Kieselsäuregelen erhöhen. Jedoch wurde die Freisetzung von Toremifencitrat oder Kieselsäure aus Kieselsäure-Xerogel-Zylindern nicht durch das zugegebene Polyethylenglykol erhöht. Tatsächlich war die Freisetzung von Toremifencitrat und Kieselsäure aus Kieselsäure-Xerogelen ohne Polyethylenglykol am schnellsten. Toremifencitrat wurde linear mit einer Geschwindigkeit von 0,16%/mg Implantat/h und Kieselsäure mit 0,31%/mg Implantat/h freigesetzt. Aus Kieselsäure-Xerogelen mit PEG 4600 wurde Toremifencitrat linear mit einer Geschwindigkeit von 0,13%/mg Implantat/h freigesetzt und aus Xerogelen mit PEG 10000 mit 0,1%/mg Implantat/h freigesetzt. Auch die Lösung der Kieselsäure war aus Kieselsäure-Xerogel ohne PEG mit 0,31%/mg Implantat/h am schnellsten. Auch PEG 4600 enthaltende Xerogele setzten Kieselsäure linear mit einer Geschwindigkeit von 0,24%/mg Implantat/h frei und Xerogele mit PEG 10000 setzten mit einer Geschwindigkeit von 0,16%/mg Implantat/h frei.
Es wurde eine Korrelation zwischen Kieselsäure- und Toremifencitrat-Freisetzung gefunden, was bedeutet, dass die Freisetzung von Toremifencitrat hauptsächlich durch die Lösung der Kieselsäure-Xerogel-Matrix (r_{durchhschnittl} = 0,995) reguliert wird.
Die Zugabe von PEG scheint zu einer Abnahme des Gesamtporenvolumens und des Oberflächenbereichs der Poren zu führen, besonders bei den bei 120°C gesinterten Proben. In früheren Studien wurden wasserlösliche Polymere in Sol-Gel-Verfahren verwendet, um die Verteilung der Porengröße zu regulieren (Sato et al., J. Mat. Sci. 25, 4880–85, 1990). In dieser Studie verringerte PEG den Oberflächenbereich und die Größe der Poren.
Tabelle 1. Porositätsparameters von Kieselsäure-Xerogel-Proben (n = 2):
Selegilin-Hydrochlorid, (–)4-(5-Fluor-2,3-dihydro-1H-inden-2-yl)-1H-imidazol-Hydrochlorid, Dexmedetomidin-Hydrochlorid, Ibuprofen und Coffein können auch in das vorstehende Kieselsäure-Sol eingebracht werden. Peptide (Levodopa) und Proteine (ein Schmelz-Matrix Derivat) können auch in das vorstehende Kieselsäure-Sol eingearbeitet werden.
BEISPIEL 2 (REFERENZBEISPIEL)
Herstellung von Kieselgel-Xerogel-Fasern
Ein Sol für eine Faserziehtechnik wurde aus TEOS, destilliertem Wasser, HNO₃, und Ethanol in einem Verhältnis von 1/2,0/0,036/1,0 hergestellt. Man ließ zu, dass das Sol für 1 h bei 75°C kolloidale Gelteilchen bildete, bevor man die Fasern zog. Die Kieselgel-Xerogel-Fasern wurden aus dem Sol unter Verwendung eines Glasstabspinndüsen-Verfahrens hergestellt. Die Fasern wurden in einen Spinndüsen-Reaktionsbehälter gezogen, wobei bei 75°C die Polykondensation erfolgte. Für die Viskosität des Sols zu Beginn des Faserziehens wurde ein Wert von etwa 10 m·Pas ermittelt. Die Fasern wurden innerhalb von 48 h und 4 Monate später in eine wässrige Lösung gegeben. Auch wurden die Fasern bei 300°C und 700°C (Erwärmungsgeschwindigkeit 10°C/h, 2 h bei max. T) behandelt, zusätzlich zu den Fasern, die bei Raumtemperatur aufbewahrt wurden. Die Fasern wurden in einem mit Trismethylaminomethan-HCl gepuffertem Wasser oder simulierter Körperflüssigkeit (pH = 7,54; 23°C; pH = 7,40, 37°C) gelöst.
Die Gehalte an Kieselsäure, Calcium und Phosphat wurden aus den Lösungen mit Atomabsorptionspektroskopie bestimmt; der Gewichtsverlust der Fasern wurde ausgewogen; und eine SEM-EDX-Analyse wurde an den verbleibenden Fasern durchgeführt.
Ergebnisse:
Die gezogenen Fasern sind glatt, und, wie hergestellt, durchsichtig. Mittels Lichtmikroskopie konnten weder Streuungen noch Hohlräume nachgewiesen werden. Die Fasern waren im Bezug auf das Röntgenstreuungsmuster in amorphem Zustand. Darüber hinaus konnten keine Mikrorissbildung oder Fehler in Form von Schwachstellen entdeckt werden. Die durch ein Glasstabverfahren gezogene Faseroberfläche besteht aus kleinen Poren mit einem Durchmesser von etwa 100 nm. Nur die bei Raumtemperatur (RT) aufbewahrten Fasern lösten sich in signifikanten Mengen. Die während 4 Monaten im Exsikkator aufbewahrten RT-Fasern lösten 10 Gew.-% innerhalb von 4 Wochen.
Für die Zugfestigkeit der so hergestellten Fasern wurde für Fasern von einem Durchmesser von etwa 10 μm ein Wert im Bereich von bis zu 800 MPa ermittelt. Für das Young-Modul dieser Fasern wurde ein Wert im Bereich von 5 GPa bestimmt. Die Dehnung bis zum Verschleißausfall lag über 10%, was ein typischer Wert für Glasfasern ist. Die mechanischen Eigenschaften der Fasern werden durch die Temperatur der Wärmebehandlung (Trocknung) beeinflusst.
Kieselsäure-Xerogel-Fasern in vivo
In diesem Experiment wurden gesinterte (200°C, 400°C, 600°C und 800°C) und nicht-gesinterte Kieselsäure-Xerogel-Fasern subcutan an Ratten untersucht. Die Fasern wurden mit warmer Luft sterilisiert, außer den nicht-gesinterten Fasern, die in Ethanol (70% für zwei Stunden, Trocknen im Exsikkator für 2 Tage) sterilisiert wurden.
Die Tiere wurden mit einer Lösung von HYPNORM (Phentanylcitrat 0,315 mg/ml und Fluanison 10 mg/ml) und DORMICUM (Midazolammaleat) anästhesiert. Das Haar auf der Haut wurde entfernt. Zwei oder drei Materialien wurden subcutan in den Rücken jedes Tieres implantiert. Die Tiere wurden zwei Wochen nach der Operation getötet. Die Gewebeproben wurden in PMMA eingebettet, inzidiert, zerkleinert und mit Toluidinblau oder Von Kossa (5% Silbernitratlösung, 0,1% Safranin-O-Lösung und 5% Natriumsulfatlösung) gefärbt. Die histologischen Schnitte wurden lichtmikroskopisch und mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht.
Klinisch wurden keinerlei Schwellung und keinerlei Zeichen der Entzündung beobachtet. Die Wunden waren gut verheilt. In den histologischen Abschnitten konnten zwei Wochen nach der Operation keinerlei entzündliche Reaktionen beobachtet werden. Einige Schnitte enthielten zusätzlich zu Fibroblasten auch Makrophagen, aber in der Gesamtansicht erschien dies nicht problematisch. In histologischen Abschnitten färbte Toluidinblau die Umgebungen der Fasern wahrscheinlich aufgrund der gelösten Kieselsäure aus den Fasern blau. Fast alle Fasern hatten sich gut in das umgebende Bindegewebe integriert. In der SEM-Untersuchung konnten keine Zeichen der Resorption der Fasern beobachtet werden. Auf der Oberfläche der Fasern konnte keine Ca, P-Schicht beobachtet werden. Die durch die Fasern verursachte Entzündungsreaktion war bei Ratten vernachlässigbar.
BEISPIEL 3
Herstellung von Toremifencitrat enthaltenden Kieselsäure-Xerogel-Fasern
Ein Sol für das Faserziehverfahren wurde aus TEOS, destilliertem Wasser, HNO₃ und Ethanol im Verhältnis von 1/2,0/0,036/1,0 hergestellt. Man ließ zu, dass das Sol bei 75°C kolloidale Gelteilchen bildete und Toremifencitrat (400 mg/10 ml) wurde nach 3 h im Sol gelöst. Bevor man die Fasern mit dem Glasstab zog, ließ man zu, dass das Kieselsäure-Sol-Gel bei 75°C während 8,5 h weiter kolloidale Teilchen bildete.
BEISPIEL 4
Herstellung von kugelförmigen, sprühgetrockneten Kieselsäure-Xerogel-Teilchen bei Raumtemperatur
TEOS, destilliertes Wasser und Essigsäure wurden im Verhältnis von 1:14,2:0,5 bei Raumtemperatur auf einem Magnetrührer gemischt. Nach der Hydrolysierung wurde das Sol in die Luft gesprüht und man ließ die Tröpfchen frei auf einen Polymerträger fallen und vor dem Sammeln vollkommen gelieren. Die gelierten Teilchen wurden vor dem Dissolutiontest für 4 Tage in einem Exsikkator aufbewahrt.
5,5 mg Gelteilchen (0,5–1000 μm) wurden in 50 ml einer simulierten Körperflüssigkeit (SBF) von 37°C und pH 7,4 gegeben. Der Dissolutionbehälter stand während der Lösung unter einer sanften Schüttelbewegung. Drei Parallelmessungen wurden von jeder der drei Parallelproben nach 171, 336 und 504 h durchgeführt. Die Teilchen lösten 1,9 Gew.-% innerhalb einer Woche.
Die sprühgetrockneten, Toremifencitrat enthaltenden Teilchen (60–200 μm) wurden durch das vorstehende Verfahren hergestellt. Zur Sprühtrocknung wurde Toremifencitrat bei einer Konzentration von 20 mg/ml nach einer 1 h Hydrolysierung in Kieselsäuresol gelöst.
Die Lösung des Arzneistoffs und der Kieselsäure aus den Kieselsäure-Xerogel-Teilchen, die 10,2 Gew.-% Toremifencitrat enthielten, wurden wie in Beispiel 1 beschrieben, zwei Monate nach der Herstellung untersucht. Toremifencitrat und Kieselsäure wurden linear aus den Teilchen freigesetzt. Toremifencitrat setzte mit einer Geschwindigkeit von 0,68 Gew.-% pro h und Kieselsäure mit 0,13 Gew.-% pro h frei.
BEISPIEL 5
Herstellung von Toremifen-haltigen Kieselsäure-Xerogel-Scheiben
Ein Sol für das monolithische Kieselsäure-Xerogel wurde aus Tetraethoxysilan (TEOS, Aldrich), deionisiertem Wasser, Essigsäure (CH₃COOH, J. T. Baker) und Polyethylenglykol (PEG, MG 4600, J. T. Baker) im Verhältnis von 1/14,2/0,5/0,0012 bei Raumtemperatur (RT) hergestellt. Toremifencitrat (33 mg/g) und ³H-behandeltes Toremifen (16 μCi/g) wurden der Lösung zugegeben. Die Lösung wurde in die Vertiefungen von Blisterplatten (100 μl/Vertiefung) gegossen und zur Hydrolyse, Polykondensation und Alterung für 18 h bei 40°C gehalten. Das gealterte Kieselsäure-Xerogel wurde bei 40°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.
Toremifen-beladene Kieselsäure-Xerogel-Scheiben in vivo
60 weibliche Mäuse (C57B1, Dänemark) mit einem Mittelgewicht von etwa 19,6 g (SD 1,2) wurden untersucht. Die Tiere wurden in zwei Untersuchungsgruppen (5 Mäuse in jeder Gruppe) eingeteilt: eine Gruppe mit Toremifen behandeltem Kieselsäure-Xerogel und eine Gruppe mit unbehandeltem Kieselsäure-Xerogel. Die Tiere wurden für 7, 14, 21, 28, 35 und 42 Tage behandelt. Die Dosis an ³H-Toremifen betrug etwa 80 μCi/kg (0,8 μCi/Implantat); Toremifencitrat, 350 mg/kg (etwa 3,4 mg/Implantat); und an Kieselsäuregel etwa 1,53 g/kg Körpergewicht. Eine mit Toremifen beladene Kieselsäure-Xerogel-Scheibe wurde subcutan an jeder Seite der Wirbelsäule implantiert.
Nach einer vorbestimmten Zeitspanne wurden die Kieselsäure-Xerogel-Scheiben auf der linken Seite der Wirbelsäule zusammen mit dem umgebenden Gewebe explantiert, in 70% Ethanol fixiert und in Technovit (Algol) eingebettet. Abschnitte von 20 μm wurden mit Toluidinblau angefärbt. Proben von Leber, Niere und Lymphknoten wurden in gepuffertem Formaldehyd (Merck) fixiert und in Paraffin eingebettet. Abschnitte von 6 μm wurden mit Haematoxylineosin angefärbt. Alle Gewebeproben wurden unter Verwendung der Lichtmikroskopie beurteilt. Die Kieselsäure-Xerogel-Scheiben auf der rechten Seite der Wirbelsäule wurden aus der umgebenden Bindegewebskapsel herausgeschnitten und bei RT während 24 h in einem Exsikkator getrocknet. Ihre Gewichte wurden ermittelt und der Prozentsatz des an jeder Stelle verbleibenden Implantats wurde berechnet.
Um die in den Implantaten verbleibende Menge an Toremifen zu bestimmen, wurden die getrockneten Scheiben in 0,1 N NaOH gelöst und die Aktivität in einem Szintillationszähler für Flüssigkeiten (Model 81000, LKB-Wallac, Turku, Finnland) gemessen. Nach dem Töten der Mäuse wurden aus dem Anwendungsgebiet genommene Gewebeproben in einer Oxidationsvorrichtung (Junitek, Kaarina, Finnland) verbrannt.
Der Gewichtsverlust der Kieselsäure-Xerogel-Matrix betrug während 42 Tagen etwa 75 Gew.-%. Die Erosionsgeschwindigkeit war während 28 Tagen schnell und nahm dann ab, wie man aus 1 sehen kann. Die Kieselsäure-Xerogel-Scheiben zeigten während der Testdauer eine verzögerte Freisetzung von Toremifen. Die Menge des nach 42 Tagen im Implantat verbleibenden ³H-Toremifen lag immer noch ungefähr über 16% (vgl. 1). Die Freisetzungsgeschwindigkeit von Toremifen wurde durch die Bioerosion der Kieselsäure-Xerogel-Matrix kontrolliert. Die Korrelation zwischen Kieselsäure- und ³H-Toremifen-Freisetzung betrug r = 0,9890.
Das unbehandelte Kieselsäure-Xerogel-Implant erzeugte an der Implantationsstelle keine Irritation. Eine fibrotische Kapsel bildete sich um das Implantat. Es konnte keine ausgedehnte, mit Kieselsäure-Xerogel assoziierte, systemische Toxizität beobachtet werden. Das Kieselsäure-Xerogel ergab für über sechs Wochen eine verzögerte Freisetzung. Gemäß der vorstehenden Studie sind Kieselsäure-Xerogele biokompatibel und kontrolliert löslich. So ist das Kieselsäure-Xerogel ein geeigneter Träger für ein für lange Zeit implantierbares Abgabessystem.
BEISPIEL 6
Herstellung von kugelförmigen, sprühgetrockneten, toremifenhaltigen Kieselsäure-Xerogel-Teilchen, bei pH 3,8 mit einem Mini-Sprühtrockner
Ein Sol für einen Sprühtrocknungszweck wurde aus TEOS, destilliertem Wasser und Essigsäure in einem Molverhältnis von 1:14,2:0,5 auf einem Magnetrührer bei Raumtemperatur hergestellt. Nach der Hydrolysierung wurde Toremifencitrat (20 mg/ml) aufgelöst und das Sol wurde durch eine Mini-Sprühtrocknungsvorrichtung (Büchi, Schweiz) sprühgetrocknet. Der pH-Wert des Sols betrug nach Zugabe des Toremifencitrats 3,8. Die Sprühtrocknungsbedingungen waren die folgenden: Einlasstemperatur 134°C, Fluss 600, Sauggebläse 90, Pumpe 16.
Etwa 40–50 mg Gelteilchen (< 50 μm) wurde in 250 ml simulierte Körperflüssigkeit (SBF) von 37°C und pH 7,4 gegeben. Die Lösungsprofile von Toremifencitrat und Kieselsäure wurden unter Verwendung der Lösungsvorrichtung II der USP XXII (Paddelverfahren, Sotax AT6, Basel, Schweiz) untersucht.
Das Freisetzungsprofil von Toremifencitrat war linear gemäß der Quadratwurzel der Zeitkinetik. Nach 30 h waren 80 Gew.-% Toremifencitrat freigesetzt. Die Freisetzung der Kieselsäure was linear. Die Kieselsäure-Mikrosphären lösten sich mit einer Geschwindigkeit von 0,46 Gew.-% pro h.
BEISPIEL 7
Herstellung von kugelförmigen, sprühgetrockneten, Toremifencitrat enthaltende Kieselsäure-Xerogel-Teilchen bei pH 2 durch eine Minisprühtrocknungsvorrichtung: Wirkung des Alterns
Eine Lösung für einen Sprühtrocknungszweck wurde mit einem Molverhältnis von TEOS:H₂O:HCl = 1,0:14,2:0,003 hergestellt. Toremifencitrat wurde nach einer Stunde Hydrolysierung mit einer Konzentration von 20 mg/ml gelöst. Der pH-Wert des Sols mit Toremifencitrat betrug etwa 3,8. Vor der Sprühtrocknung wurde der pH-Wert des Sols mit Salzsäure auf pH 2,1 eingestellt. Das Kieselsäure-Sol wurde sofort oder nach 65 h Altern bei Raumtemperatur sprühgetrocknet. Die Sprühtrocknungsbedingungen waren wie in Beispiel 6 beschrieben. Die Lösung von Toremifencitrat und Kieselsäure wurde wie in Beispiel 6 durchgeführt.
Die Freisetzung von Toremifencitrat und Kieselsäure lief gemäß der Quadratwurzel der Zeitkinetiken (Tabelle 2) ab. Nach 30 h waren 63,1 Gew.-% Toremifencitrat aus den gealterten Kieselsäuremikrosphären freigesetzt und 75,2 Gew.-% aus den nicht gealterten. Die Freisetzung von Toremifencitrat aus gealterten Mikrosphären war etwa 20% langsamer. Die Freisetzung von Kieselsäure aus gealterten Mikrosphären war etwa 20% langsamer als aus nicht gealterten.
Tabelle 2
Freisetzung von Toremifencitrat und Kieselsäure aus Mikrosphären mit 11 Gew.-% Toremifencitrat, die während 65 h gealtert wurden und ohne Alterung.
BEISPIEL 8
Freisetzung von Toremifen aus zerkleinerten Kieselsäure-Xerogelteilchen
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde ein Sol für monolithisches Kieselsäure-Xerogel aus TEOS, destilliertem Wasser und Essigsäure im Molverhältnis von 1:14,2:0,5 hergestellt. Polyethylenglykol (mittleres Molekulargewicht von 4.600) wurde in einer Konzentration von 10 mg/ml als Zusatzstoff verwendet. Toremifencitrat wurde in einer Konzentration von 40 mg/ml im hydrolysierten Sol gelöst. Das Kieselsäuresol wurde in Teströhrchen gegossen, die zur Hydrolyse, Polykondensation und Altern für 18 h bei 40°C in einem Ofen aufbewahrt wurden. Polymerisiertes Kieselsäuregel wurde zerkleinert und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Die Granulatkörner lagen in einem Größenbereich von etwa 4–50 μm Durchmesser.
Etwa 42 mg der Gelteilchen wurden zu 250 ml einer simulierten Körperflüssigkeit (SBF) bei 37°C und pH 7,4 gegeben. Die Lösungsprofile von Toremifencitrat und Kieselsäure wurden unter Verwendung einer Lösungsvorrichtung II der USP XXII (Paddelverfahren, Sotax AT6, Basel, Schweiz) untersucht.
Toremifencitrat löste sich linear gemäß der Quadratwurzel der Zeitkinetiken mit einer Geschwindigkeit von 8,1%/h^1/2. Die Kieselsäure-Xerogel-Matrix löste sich linear mit einer Geschwindigkeit von 0,2% pro h.
BEISPIEL 9
Herstellung eines Kieselsäure-Xerogel-Monolithen der Toremifencitrat enthält: Wirkung des TEOS:H₂O-Verhältnisses und wasserlöslicher Polymere auf die Lösung von Toremifencitrat und Kieselsäure.
Kieselsäuregele wurden aus TEOS, Wasser, Ethanol und HCl im Molverhältnis von 1:6:2,3:0,003 oder 1:14:2,3:0,003 bei Raumtemperatur hergestellt. Polyethylenglykol (mittleres Molekulargewicht von 10.000 oder 4.600) wurde als Zusatzstoff in einer Konzentration von 10 mg/ml verwendet und Toremifencitrat wurde in einer Konzentration von 20 mg/ml verwendet. Das hydrolysierte Sol wurde in die Vertiefungen einer Blisterplatte gegossen, und zur Hydrolyse, Polykondensation und Alterung für 18 h bei 40°C in einem Ofen aufbewahrt. Die Kieselsäuregele wurden bei 25°C und 11% relativer Feuchte in einem Exsikkator bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, um ein Kieselsäure-Xerogel zu erhalten, das eingebrachtes Toremifencitrat enthielt.
Die Lösungsprofile von Toremifencitrat und Kieselsäure wurden wie in Beispiel 1 untersucht.
Die Freisetzung von Toremifencitrat und der Abbau der Kieselsäurematrix wurde bei zwei verschiedenen Molverhältnissen von H₂O:TEOS (14:1 und 6:1) untersucht. Die Freisetzung von Toremifencitrat war aus der PEG-haltigen Kieselsäurematrix mit einem H₂O:TEOS-Verhältnis von 6 schneller als aus einer PEG-haltigen Matrix mit einem H₂O:TEOS-Verhältnis von 14 (Tabelle 3). Ohne PEG war die Freisetzungsgeschwindigkeit für beide H₂O/TEOS-Verhältnisse gleich. Auch die Abbaugeschwindigkeit einer PEG-haltigen Matrix mit einem H₂O/TEOS-Verhältnis von 6 war schneller (25–50%) als der Abbau der Matrix mit einem H₂O/TEOS-Verhältnis von 14 (Tabelle 4).
Tabelle 3
Freisetzung von Toremifencitrat aus Kieselsäure-Xerogelen die 1 Gew.-% PEG mit unterschiedlichem Molekulargewicht enthielten.
Tabelle 4
Die Freisetzung von Kieselsäure aus Kieselsäure-Xerogelen, die 1 Gew.-% PEG von unterschiedlichem Molekulargewicht enthielten.
BEISPIEL 10
Herstellung eines Toremifencitrat-haltigen Kieselsäurexerogel-Monolithen: Wirkung des Alterns und der Trocknungsbedingungen
Ein Sol wurde wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Polyethylenglykol (MG 4.600) wurde als Zusatzstoff (10 mg/ml) verwendet. Toremifencitrat wurde in einer Konzentration von 20 mg/ml nach einer 1 h im hydrolysierten Sol gelöst. Das Sol wurde in die Vertiefungen einer Blisterplatte gegossen und für 18 h bei 40°C aufbewahrt. Danach wurden die Gele zur Alterung bei 40°C für 7 oder 28 Tage in luftdichte Teströhrchen überführt. Die gealterten Kieselsäuregele wurden bei 25°C und bei verschiedener relativer Feuchtigkeit (r. F.) (11,4%, 48,4% und 74,7%) bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.
Die Lösung von Toremifencitrat und Kieselsäure wurde wie in Beispiel 1 untersucht.
Kieselsäure löste sich aus allen Kieselsäure-Xerogel-Proben linear. Die Alterungszeit beeinflusste die Abbaugeschwindigkeit der Kieselsäurematrix nicht (Tabelle 6). Toremifencitrat löste sich gemäß der Quadratwurzel der Zeitkinetik (Tabelle 5). Die Freisetzung von Toremifencitrat war aus den 28 Tagen gealterten Kieselsäure-Xerogelen (etwa 30%) schneller als aus nicht gealterten.
Tabelle 5 Lösung von Toremifencitrat aus gealterten Kieselsäure-Xerogelen
Tabelle 6 Lösung der Kieselsäure aus gealterten Kieselsäure-Xerogelen
Andere Ausführungsformen der Erfindung sind für Fachleute bei Betrachtung der Beschreibung und der praktischen Ausführungen der Erfindung, die hier offenbart sind, ersichtlich. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft anzusehen sind.

Claims

Langsam freisetzende Abgabevorrichtung, umfassend ein Kieselsäure-Xerogel-Teilchen eines Durchmessers von ≤ 500 μm, das durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt ist, wobei Gelbildung des Sols und Verdampfen von Wasser oder dem Lösungsmittel gleichzeitig erfolgen, und ein biologisch wirksames Mittel, außer dem Kieselsäure-Xerogel selbst, das in die Kieselsäure-Xerogel-Struktur eingebracht ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Teilchen durch ein Sprühtrocknungsverfahren oder durch eine Faserspinn- oder -ziehtechnik hergestellt ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das biologisch wirksame Mittel in die Kieselsäure-Xerogel-Struktur durch Mischen des Mittels mit den Ausgangsmaterialien zur Herstellung des Kieselsäure-Xerogels oder durch Zugeben des Mittels zu dem Reaktionsgemisch im Sol-Stadium der Herstellung des Kieselsäure-Xerogels eingebracht worden ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das biologisch wirksame Mittel ein Medikament, ein Protein, ein Hormon, eine lebende Zelle, ein Bakterium, ein Virus oder ein Teil davon ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das biologisch wirksame Mittel ein Medikament ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das Medikament Toremifen oder Säure-Additionssalz davon ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Medikament Toremifencitrat ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Abgabevorrichtung in einen Menschen oder ein Tier implantierbar ist.
Langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Abgabevorrichtung mukosal angebracht oder in einen menschlichen oder tierischen Körper injiziert werden kann.
Arzneimittel, umfassend eine langsam freisetzende Abgabevorrichtung gemäß Anspruch 1.
Verwendung einer Abgabevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verabreichung eines biologisch wirksamen Mittels in einen menschlichen oder tierischen Körper, wobei die Verwendung Implantieren, Injizieren oder mukosales Anbringen der Vorrichtung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Kieselsäure-Xerogel aus Tetraethoxysilan hergestellt ist.