Montmorillonite (MMT) effect on the structure of poly(oxyethylene) (PEO)-MMT nanocomposites and silica-PEO-MMT hybrid materials

In this work we report the effects of incorporation of variable amounts (0.5-25%w/w) of montmorillonite in poly(oxyethylene) based materials in order to decrease the polymer crystallinity. Two different classes of materials were studied: silica-poly(oxyethylene)-montmorillonite hybrids prepared by the sol-gel route and poly(oxyethylene)-montmorillonite nanocomposites prepared by mixing the dry clay or the clay aqueous suspension into the melt poly(oxyethylene). The effects of monternorillonite loading on the poly(oxyethylene) crystallization control and on the nanostructural features were investigated by X-ray powder diffraction, small-angle X-ray scattering and differential scanning calorimetry. Experimental results show that free montmorillonite layers coexist with open aggregates and tactoids in the poly(oxyethylene)-montmorillonite nanocomposites, with different features depending on the filler proportion and preparation route. The intercalation of polymer chains in montmorillonite galleries markedly hinders the crystallization of the poly(oxyethylene) matrix. For hybrids materials the silica phase favors the exfoliation of montmorillonite tactoids, so that samples are predominantly constituted by dispersed platelets. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Low-temperature structural effects in the (TMTSF)2PF6 and AsF6 Bechgaard salts

We present a detailed low-temperature investigation of the statics and dynamics of the anions and methyl groups in the organic conductors (TMTSF) 2PF6 and (TMTSF)2AsF6 (TMTSF: tetramethyl-tetraselenafulvalene). The 4 K neutron-scattering structure refinement of the fully deuterated (TMTSF)2PF6-D12 salt allows locating precisely the methyl groups at 4 K. This structure is compared to the one of the fully hydrogenated (TMTSF)2PF6-H12 salt previously determined at the same temperature. Surprisingly, it is found that deuteration corresponds to the application of a negative pressure of 5×102 MPa to the H12 salt. Accurate measurements of the Bragg intensity show anomalous thermal variations at low temperature both in the deuterated PF 6 and AsF6 salts. Two different thermal behaviors have been distinguished. Small Bragg-angle measurements reflect the presence of low-frequency modes at characteristic energies θE = 8.3 K and θE = 6.7 K for the PF6-D12 and AsF6-D12 salts, respectively. These modes correspond to the low-temperature methyl group motion. Large Bragg-angle measurements evidence an unexpected structural change around 55 K, which probably corresponds to the linkage of the anions to the methyl groups via the formation of F...D-CD2 bonds observed in the 4 K structural refinement. Finally we show that the thermal expansion coefficient of (TMTSF)2PF6 is dominated by the librational motion of the PF6 units. We quantitatively analyze the low-temperature variation of the lattice expansion via the contribution of Einstein oscillators, which allows us to determine for the first time the characteristic frequency of the PF6 librations: θE ≈ 50 K and θE = 76 K for the PF6-D12 and PF6-H12 salts, respectively. © 2013 American Physical Society.

Structural and functional studies with mytoxin II from Bothrops moojeni reveal remarkable similarities and differences compared to other catalytically inactive phospholipases A2-like

Lys49-phospholipases A2 (Lys49-PLA2s) are proteins found in bothropic snake venoms (Viperidae family) and belong to a class of proteins which presents a phospholipase A2 scaffold but are catalytically inactive. These proteins (also known as PLA2s-like toxins) exert a pronounced local myotoxic effect and are not neutralized by antivenom, being their study relevant in terms of medical and scientific interest. Despite of the several studies reported in the literature for this class of proteins only a partial consensus has been achieved concerning their functional-structural relationships. In this work, we present a comprehensive structural and functional study with the MjTX-II, a dimeric Lys49-PLA2 from Bothrops moojeni venom which includes: (i) high-resolution crystal structure; (ii) dynamic light scattering and bioinformatics studies in order to confirm its biological assembly; (iii) myographic and electrophysiological studies and, (iv) comparative studies with other Lys49-PLA2s. These comparative analyses let us to get important insights into the role of Lys122 amino acid, previously indicated as responsible for Lys49-PLA2s catalytic inactivity and added important elements to establish the correct biological assembly for this class of proteins. Furthermore, we show two unique sequential features of MjTX-II (an amino acid insertion and a mutation) in comparison to all bothropic Lys49-PLA2s that lead to a distinct way of ligand binding at the toxin's hydrophobic channel and also, allowed the presence of an additional ligand molecule in this region. These facts suggest a possible particular mode of binding for long-chain ligands that interacts with MjTX-II hydrophobic channel, a feature that may directly affect the design of structure-based ligands for Lys49-PLA2s. © 2013 Elsevier Ltd.

Influence of a dynamical gluon mass in the pp and (p)over-bar-p forward scattering

We compute the tree level cross section for gluon-gluon elastic scattering taking into account a dynamical gluon mass, and show that this mass scale is a natural regulator for this subprocess cross section. Using an eikonal approach in order to examine the relationship between this gluon-gluon scattering and the elastic pp and (p) over barp channels, we found that the dynamical gluon mass is of the same order of magnitude as the ad hoc infrared mass scale m(0) underlying eikonalized QCD-inspired models. We argue that this correspondence is not an accidental result, and that this dynamical scale indeed represents the onset of nonperturbative contributions to the elastic hadron-hadron scattering. We apply the eikonal model with a dynamical infrared mass scale to obtain predictions for sigma(tot)(pp,(p) over barp), rho(pp,(p) over barp), slope B-pp,B-(p) over barp, and differential elastic scattering cross section d sigma((p) over barp)/dt at Tevatron and CERN-LHC energies.

Association and Structure of Thermosensitive Comblike Block Copolymers in Aqueous Solutions

The structures and association properties of thermosensitive block copolymers of poly(methoxyoligo( ethylene glycol) norbornenyl esters) in D2O were investigated by small angle neutron scattering (SANS). Each block is a comblike polymer with a polynorbornene (PNB) backbone and oligo ethylene glycol (OEG) side chains (one side chain per NB repeat unit). The chemical formula of the block copolymer is (OEG3NB) 79- (OEG6.6NB) 67, where subscripts represent the degree of polymerization (DP) of OEG and NB in each block. The polymer concentration was fixed at 2.0 wt % and the structural changes were investigated over a temperature range between 25 and 68°C. It was found that at room temperature polymers associate to form micelles with a spherical core formed by the block (OEG3NB) 79 and corona formed by the block (OEG6.6NB) 67 and that the shape of the polymer in the corona could be described by the form factor of rigid cylinders. At elevated temperatures, the aggregation number increased and the micelles became more compact. At temperatures around the cloud point temperature (CPT) T ) 60 °C a correlation peak started to appear and became pronounced at 68 °C due to the formation of a partially ordered structure with a correlation length ∼349 Å.

Gold-platinum alloys and Vegard's law on the nanoscale

The structure of gold-platinum nanoparticles is heavily debated as theoretical calculations predict core-shell particles, whereas x-ray diffraction experiments frequently detect randomly mixed alloys. By calculating the structure of gold-platinum nanoparticles with diameters of up to approximate to 3.5 nm and simulating their x-ray diffraction patterns, we show that these seemingly opposing findings need not be in contradiction: Shells of gold are hardly visible in usual x-ray scattering, and the interpretation of Vegard's law is ambiguous on the nanoscale. DOI: 10.1103/PhysRevB.86.241403

Synthesis and Characterization of Gold/Alanine Nanocomposites with Potential Properties for Medical Application as Radiation Sensors

Radiation dose assessment is essential for several medical treatments and diagnostic procedures. In this context, nanotechnology has been used in the development of improved radiation sensors, with higher sensitivity as well as smaller sizes and energy dependence. This paper deals with the synthesis and characterization of gold/alanine nanocomposites with varying mass percentage of gold, for application as radiation sensors. Alanine is an excellent stabilizing agent for gold nanoparticles because the size of the nanoparticles does not augment with increasing mass percentage of gold, as evidenced by UV-vis spectroscopy, dynamic light scattering, and transmission electron microscopy. X-ray diffraction patterns suggest that the alanine crystalline orientation undergoes alterations upon the addition of gold nanoparticles. Fourier transform infrared spectroscopy indicates that there is interaction between the gold nanoparticles and the amine group of the alanine molecules, which may be the reason for the enhanced stability of the nanocomposite. The application of the nanocomposites as radiation detectors was evaluated by the electron spin resonance technique. The sensitivity is improved almost 3 times in the case of the nanocomposite containing 3% (w/w) gold, so it can be easily tuned by changing the amount of gold nanoparticles in the nanocomposites, without the size of the nanoparticles influencing the radiation absorption. In conclusion, the featured properties, such as homogeneity, nanoparticle size stability, and enhanced sensitivity, make these nanocomposites potential candidates for the construction of small-sized radiation sensors with tunable sensitivity for application in several medical procedures.

Low energy elastic and electronically inelastic electron scattering from biomolecules.

Reactions initiated by collisions with low-energy secondary electrons has been found to be the prominent mechanism toward the radiation damage on living tissues through DNA strand breaks. Now it is widely accepted that during the interaction with these secondary species the selective breaking of chemical bonds is triggered by dissociative electron attachment (DEA), that is, the capture of the incident electron and the formation of temporary negative ion states [1,2,3]. One of the approaches largely used toward a deeper understanding of the radiation damage to DNA is through modeling of DEA with its basic constituents (nucleotide bases, sugar and other subunits). We have tried to simplify this approach and attempt to make it comprehensible at a more fundamental level by looking at even simple molecules. Studies involving organic systems such as carboxylic acids, alcohols and simple ¯ve-membered heterocyclic compounds are taken as starting points for these understanding. In the present study we investigate the role played by elastic scattering and electronic excitation of molecules on electron-driven chemical processes. Special attention is focused on the analysis of the in°uence of polarization and multichannel coupling e®ects on the magnitude of elastic and electronically inelastic cross-sections. Our aim is also to investigate the existence of resonances in the elastic and electronically inelastic channels as well as to characterize them with respect to its type (shape, core-excited or Feshbach), symmetry and position. The relevance of these issues is evaluated within the context of possible applications for the modeling of discharge environments and implications in the understanding of mutagenic rupture of DNA chains. The scattering calculations were carried out with the Schwinger multichannel method (SMC) [4] and its implementation with pseudopotentials (SMCPP) [5] at di®erent levels of approximation for impact energies ranging from 0.5 eV to 30 eV. References [1] B. Boudai®a, P. Cloutier, D. Hunting, M. A. Huels and L. Sanche, Science 287, 1658 (2000). [2] X. Pan, P. Cloutier, D. Hunting and L. Sanche, Phys. Rev. Lett. 90, 208102 (2003). [3] F. Martin, P. D. Burrow, Z. Cai, P. Cloutier, D. Hunting and L. Sanche, Phys. Rev. Lett. 93, 068101 (2004). [4] K. Takatsuka and V. McKoy, Phys. Rev. A 24, 2437 (1981); ibid. Phys. Rev. A 30, 1734 (1984). [5] M. H. F. Bettega, L. G. Ferreira and M. A. P. Lima, Phys. Rev. A 47, 1111 (1993).

Complexes of polyelectrolytes with defined charge distance and different dendrimer counterions

Complexes of polyelectrolytes with defined charge distance and different dendrimer counterions Magdalena Chelmecka Max Planck Institute for Polymer Research; Ackermannweg 10; D-55128 Mainz ; Tel.: (+49) 06131- 379 – 226 A study of complexes in solution is of interest to investigate whether the formation of well-defined assemblies like in classical surfactant systems is possible. Aim of this thesis is to investigate the electrostatic self-assembly of linear polycations of varying charge distance with “large” counterions of varying architecture. We especially investigate the morphology of objects formed, but also their stability under salt free condition and after low molecular mass salt addition. As polycations, Poly(dialkylimino)-alkylene salts (Ionenes) I65MeBr and I25MeBr were chosen. Ionenes are synthesized via Menschutkin reaction and characterized by standard methods. Counterions are Polyamidoamine (PAMAM) dendrimers of generations G2.5, G5.5, G7.5 with -COONa surface groups and shape-persistent, Polyphenylene dendrimers of generation G1 with surface -COOH groups. A complex interplay of interactions is expected to direct the self assembly via electrostatic interaction, geometric factors, hydrophobic interaction or hydrogen bonds. Methods used for the investigation of complexes are: UV-spectroscopy, pH-metric techniques, dynamic and static light scattering, small angle neutron scattering,  potential measurements and potentiometric titration. Under certain conditions, (i.e. charge ratio of compounds, charge density of ionene and dendrimer also concentration of sample) polyelectrolyte systems composed of ionenes and dendrimers build complexes in solution. System compounds are typical polyelectrolytes, but structures which they build behave not usual for typical polyelectrolytes. In a one diffusion mode regime aggregates of about 100 nm hydrodynamic radius have been found. Such aggregates are core-shell or anisotropic core shell structures in the case of ionenes/PAMAM dendrimers complexes. These complexes are stable even at high ionic strength. In case of ionenes with poly(phenylene) dendrimers, hard sphere-like objects or spherical objects with hairy-like surface have been found in a one diffusion mode regime. Their stability at high ionic strength is lower. For the ionenes/poly(phenylene) dendrimers systems one transition point has been found from one to two diffusion processes, towards increasing ionene concentration, i.e. for the samples with fixed dendrimer concentration towards increasing ionic strength. For the diffusion profile of ionene/PAMAM dendrimers in most cases two transition regimes are observed. One at very low ionene concentration, the second one at high ionene concentrations, which again means for the samples with fixed dendrimer concentration, also at higher ionic strength. Both two mode regimes are separated by the one mode regime. As was confirmed experimentally, the one diffusion mode regime is caused by the motion of well defined assemblies. The two diffusion mode regimes are caused by the movement of different sized species in solution, large aggregates and middle-size aggregates (oligoaggregates). The location and also the number of transition points in the diffusion profiles is dependent on the ionene to dendrimer charge ratio, charge density of the compounds and concentration. No influence of the molecular mass of the ionene has been found. The aggregates are found to be charged on the surface, however this surface charge does not significantly influence the diffusion properties of the system.

Wet chemistry synthesis towards nanostructures of thermoelectric antimonides

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von nanostrukturierten Antimoniden, wobei die folgenden beiden Themen bearbeitet wurden: rnAus chemischer Sicht wurden neue Synthesewege entwickelt, um Nanopartikel der Verbindungen in den binären Systemen Zn-Sb und Fe-Sb herzustellen (Zn4Sb3, ZnSb, FeSb2, Fe1+xSb). Anders als in konventionellen Festkörperreaktionen, die auf die Synthese von Bulk-Materialien oder Einkristallen zielen, muss die Synthese von Nanopartikeln Agglomerate und Ostwald-Wachstum vermeiden. Daher benötigen annehmbare Reaktionszeiten und vergleichsweise tiefe Reaktionstemperaturen kurze Diffusionswege und tiefe Aktivierungsbarrieren. Demzufolge bedient sich die Synthese der Reaktion von Antimon-Nanopartikeln und geeigneten molekularen oder nanopartikulären Edukten der entsprechenden Übergangsmetalle. Zusätzlich wurden anisotrope ZnSb Strukturen synthetisiert, indem eine Templat-Synthese mit Hilfe von anodisierten Aluminiumoxid- oder Polycarbonat-Membranen angewandt wurde. rnDie erhaltenen Produkte wurden hauptsächlich durch Röntgen-Diffraktion und Elektronenmikroskopie untersucht. Die Auswertung der Pulver Röntgendiffraktions-Daten stellte eine Herausforderung dar, da die Nanostrukturierung und die Anwesenheit von mehreren Phasen zu verbreiterten und überlagernden Reflexen führen. Zusätzliche Fe-Mößbauer Messungen wurden im Falle der Fe-Sb Produkte vorgenommen, um detailliertere Informationen über die genaue Zusammensetzung zu erhalten. Die erstmals hergestellte Phase Zn1+xSb wurde einer detaillierten Kristallstrukturanalyse unterzogen, die mit Hilfe einer neuen Diffraktionsmethode, der automatisierten Elektronen Diffraktions Tomographie, durchgeführt wurde.rnrnAus physikalischer Sicht sind Zn4Sb3, ZnSb und FeSb2 interessante thermoelektrische Materialien, die aufgrund ihrer Fähigkeit thermische in elektrische Energie umzuwandeln, großes Interesse geweckt haben. Nanostrukturierte thermoelektrische Materialien zeigen dabei eine höhere Umwandlungseffizienz zu erhöhen, da deren thermische Leitfähigkeit herabgesetzt ist. Da thermoelektrische Bauteile aus dichten Bulk-Materialien gefertigt werden, spielte die Verfestigung der synthetisierten nanopartikulären Pulver eine große Rolle. Die als „Spark Plasma Sintering“ bezeichnete Methode wurde eingesetzt, um die Proben zu pressen. Dies ermöglicht schnelles Heizen und Abkühlen der Probe und kann so das bei klassischen Heißpress-Methoden unvermeidliche Kristallitwachstum verringern. Die optimalen Bedingungen für das Spark Plasma Sintern zu finden, ist Inhalt von bestehender und weiterführender Forschung. rnEin Problem stellt die Stabilität der Proben während des Sinterns dar. Trotz des schnellen Pressens wurde eine teilweise Zersetzung im Falle des Zn1+xSb beobachtet, wie mit Hilfe von Synchrotrondiffraktionsuntersuchungen aufgedeckt wurde. Morphologie und Dichte der verschiedenen verfestigten Materialien wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Lasermikroskopie bestimmt. Die Gitterdynamik wurde mit Hilfe von Wärmekapazitätsmessungen- und inelastischer Kern-Streuung untersucht. Die Wärmeleitfähigkeit der nanostrukturierten Materialien ist im Vergleich zu den Festkörpern ist drastisch reduziert - im Falle des FeSb2 um mehr als zwei Größenordnungen. Abhängig von der Zusammensetzung und mechanischen Härte wurden für einen Teil der verfestigten Nanomaterialien die thermoelektrische Eigenschaften, wie Seebeck Koeffizient, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, gemessen.rn

Structural characterization of intermediate and metastable phases by electron microscopy

Structure characterization of nanocrystalline intermediates and metastable phases is of primary importance for a deep understanding of synthetic processes undergoing solid-to-solid state phase transitions. Understanding the evolution from the first nucleation stage to the final synthetic product supports not only the optimization of existing processes, but might assist in tailoring new synthetic paths. A systematic investigation of intermediates and metastable phases is hampered because it is impossible to produce large crystals and only in few cases a pure synthetic product can be obtained. Structure investigation by X-ray powder diffraction methods is still challenging on nanoscale, especially when the sample is polyphasic. Electron diffraction has the advantage to collect data from single nanoscopic crystals, but is limited by data incompleteness, dynamical effects and fast deterioration of the sample under the electron beam. Automated diffraction tomography (ADT), a recently developed technique, making possible to collect more complete three-dimensional electron diffraction data and to reduce at the same time dynamical scattering and beam damage, thus allowing to investigate even beam sensitive materials (f.e. hydrated phases and organics). At present, ADT is the only technique able to deliver complete three-dimensional structural information from single nanoscopic grains, independently from other surrounding phases. Thus, ADT is an ideal technique for the study of on-going processes where different phases exist at the same time and undergo several structural transitions. In this study ADT was used as the main technique for structural characterization for three different systems and combined subsequently with other techniques, among which high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), cryo-TEM imaging, X-ray powder diffraction (XRPD) and energy disperse X-ray spectroscopy (EDX).rnAs possible laser host materials, i.e. materials with a broad band emission in the near-infrared region, two unknown phases were investigated in the ternary oxide system M2O-Al2O3-WO3 (M = K, Na). Both phases exhibit low purity as well as non-homogeneous size distribution and particle morphology. The structures solved by ADT are also affected by pseudo-symmetry. rnSodium titanate nanotubes and nanowires are both intermediate products in the synthesis of TiO2 nanorods which are used as additives to colloidal TiO2 film for improving efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSC). The structural transition from nantubes to nanowires was investigated in a step by step time-resolved study. Nanowires were discovered to consist of a hitherto unknown phase of sodium titanate. This new phase, typically affected by pervasive defects like mutual layer shift, was structurally determined ab-initio on the basis of ADT data. rnThe third system is related with calcium carbonate nucleation and early crystallization. The first part of this study is dedicated to the extensive investigations of calcium carbonate formation in a step by step analysis, up to the appearance of crystalline individua. The second part is dedicated to the structure determination by ADT of the first-to-form anhydrated phase of CaCO3: vaterite. An exhaustive structure analysis of vaterite had previously been hampered by diffuse scattering, extra periodicities and fast deterioration of the material under electron irradiation. rn

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results.

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

FaSSIF-C, a Cholesterol containing biorelevant intestinal model medium for development and test of oral drug formulations

Biorelevante Medien sind entwickelt worden, um die Bedingungen im Magen-Darm-Trakt vor und nach der Mahlzeit zu imitieren. Mit FaSSIF und FeSSIF wurden Medien eingeführt, die nicht nur die pH- und Puffer-Kapazität des Dünndarms widerspiegeln, sondern auch Lipid und physiologische Tensid-Arten enthalten. Diese Medien (FaSSIF-V2 und FaSSlFmod6.5) wurden für Bioverfügbarkeitstudien in der Medikamentenentwicklung im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch sind die auf dem Markt verfügbaren Medien immer noch nicht in der Lage, die realen physiologischen Bedingungen zu simulieren. In der jetzigen Zusammensetzung sind nicht alle Kompetenten enthalten, welche natürlicher Weise im Duodenum vorkommen. Darüber hinaus wird nur eine 1:5 Verdünnung von FeSSIF zu FaSSIF angenommen, die individuelle Wasserzufuhr bei Medikamentengabe wird hierdurch jedoch nur eingeschränkt simuliert, obwohl diese von Patient zu Patient schwanken kann. rnZiel dieser Dissertation war die Verbesserung der Vorhersage der Auflösung und Absorption lipophiler Arzneistoffe durch Simulation der Bedingungen im zweiten Teil des Zwölffingerdarms mit neuen biorelevanten Medien, sowie unter Einwirkung zusätzlicher Detergention als Wirkstoffträger. rnUm den Effekt der Verdünnungsrate und Zeit im Dünndarm zu untersuchen, wurde die Entwicklung der Nanopartikel in der Magen-Darm-Flüssigkeit FaSSIFmod6.5 zu verschiedenen Zeitpunkten und Wassergehalten untersucht. Dafür wurden kinetische Studien an verschieden konzentrierten Modellmedien nach Verdünnungssprung untersucht. Das Modell entspricht der Vermischung der Gallenflüssigkeit mit dem Darminhalt bei variablem Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass Art und Größe der Nanopartikel stark von Verdünnung und Einirkungszeit abhängen. rnrnDie menschliche Darmflüssigkeit enthält Cholesterin, welches in allen früheren Modellmedien fehlt. Daher wurden biokompatible und physiologische Modellflüssigkeiten, FaSSIF-C, entwickelt. Der Cholesteringehalt von FaSSIF - 7C entspricht der Gallenflüssigkeit einer gesunden Frau, FaSSIF - 10C der einer gesunden männlichen Person und FaSSIF - 13C der in einigen Krankheitszuständen. Die intestinale Teilchen-Struktur-Untersuchung mit dynamische Lichtstreuung (DLS) und Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) ergab, dass die Korngröße von Vesikeln mit zunehmender Cholesterin-Konzentration abnahm. Zu hohe Cholesterin-Konzentration bewirkte zusätzlich sehr große Partikel, welche vermutlich aus Cholesterin-reichen “Disks“ bestehen. Die Löslichkeiten einiger BCS Klasse II Wirkstoffe (Fenofibrat, Griseofulvin, Carbamazepin, Danazol) in diesen neuen Medien zeigten, dass die Löslichkeit in unterschiedlicher Weise mit der Cholesteringehalt zusammen hing und dieser Effekt selektiv für die Droge war. rnDarüber hinaus wurde die Wirkung von einigen Tensiden auf die kolloidale Struktur und Löslichkeit von Fenofibrat in FaSSIFmod6.5 und FaSSIF -7C untersucht. Struktur und Löslichkeit waren Tensid- und Konzentrations-abhängig. Im Falle von FaSSIFmod6.5 zeigten die Ergebnisse eine dreifache Verzweigung der Lösungswege. Im Bereich mittlerer Tensidkonzentration wurde eine Löslichkeitslücke der Droge zwischen der Zerstörung der Galle-Liposomen und der Bildung von Tensid-reichen Mizellen beobachtet. In FaSSIF - 7C, zerstörten Tenside in höherer Konzentration die Liposomenstruktur trotz der allgemeinen Stabilisierung der Membranen durch Cholesterin. rnDie in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse ergeben, dass die Anwesenheit von Cholesterin als eine fehlende Komponente der menschlichen Darmflüssigkeit in biorelevanten Medien wichtig ist und dazu beitragen kann, das in vivo Verhalten schwerlöslicher Arzneistoffe im Körper besser vorhersagen zu können. Der Verdünnungsgrad hat einen Einfluss auf die Nanopartikel-Struktur und Tenside beeinflussen die Löslichkeit von Medikamenten in biorelevanten Medien: Dieser Effekt ist sowohl von der Konzentration das Tensids abhängig, als auch dessen Typ.rnrn