Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Perlcellulose

Charakteristisch für Perlcellulose als Regenerat vom Typ Cellulose II sind sphärisch geformte, poröse Partikel mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einer guten Bioverträglichkeit. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind diese Cellulosemikropartikel besonders gut für medizinische Anwendungen geeignet. Im Mittelpunkt der Arbeit standen Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Perlcellulosen mit Partikelgrößen von etwa 1 bis10 µm. Im Rahmen der Arbeit wurden zunächst sieben technische Cellulose-2,5-acetate mit vergleichbaren molekularen Eigenschaften auf ihre Eignung zur Herstellung von Perlcellulose nach dem in EP0750007 beschriebenen Acetatverfahren untersucht. Dabei erfolgte der Vergleich verschiedener Eigenschaften. Aus allen untersuchten Celluloseacetaten können Perlcellulosen synthetisiert werden. Als besonders geeignet erwies sich ein Produkt mit einer Molmasse von über 100.000, einem Verhältnis der Molmasse zur numerischen Molmasse von etwa 1,5 und einer guten Löslichkeit in Ethylacetat / Methanol (100:17,5). Die hergestellte Perlcellulose hat eine geringe Partikelgröße und eine relativ enge Größenverteilung. Damit erfüllt dieses Cellulose-2,5-acetat alle Anforderungen für die Synthese von Perlcellulose. Der entscheidende Verfahrensschritt zur Herstellung von Perlcellulose ist das Dispergieren der Emulsion mittels Inline-Ultraturrax. Die Partikelgrößenverteilung hängt im Wesentlichen von den Bedingungen während des Dispergierens ab. Im Rahmen der Arbeit gelang die reproduzierbare Herstellung von Cellulosemicrospheres mit einer Partikelgröße unter 5 µm. Für die Herstellung von Cellulosemikropartikeln mit definierten Eigenschaften ist neben den Synthesebedingungen auch die Charakterisierung der Perlcellulosen von entscheidender Bedeutung. Dafür wurden zunächst etablierte Verfahren verwendet (Partikelgrößenmessung, REM und Quecksilberporosimetrie). Parallel dazu erfolgte die Entwicklung bzw. Einführung neuer Methoden. Im Vordergrund stand die Untersuchung des Sedimentationsverhaltens der Perlcellulosen durch analytisches Zentrifugieren. Davon ausgehend konnte ein Verfahren zur Berechnung der Porosität aus dem Sedimentationsvolumen entwickelt werden. Zum Nachweis der kompletten Deacetylierung der Proben wurde die Ramanspektroskopie genutzt. Durch die Anwendung vorhandener und die Entwicklung neuer Methoden wird die genaue Einstellung von Eigenschaften der Perlcellulosen (z. B. Partikelgröße und deren Verteilung, Morphologie sowie Porosität) ermöglicht und deren Reproduzierbarkeit gewährleistet. Weitere Versuche hatten die Entwicklung von Endotoxinadsorbermaterial auf Basis von Perlcellulose und Polymyxin-B-sulfat (PMB) zum Ziel. Die Kopplung des PMB erfolgte meist nach Aktivierung der Proben mit Epichlorhydrin. Zunächst wurde die eingesetzte Epichlorhydrinmenge variiert, um das Optimum für die Aktivierung der Perlcellulosen zu finden. Weiterhin wurden unterschiedliche Mengen PMB angebunden und die Anbindung an nicht aktivierte Proben untersucht. Die Planung aller Versuche erfolgte jeweils nach Auswertung der an der Donau-Universität Krems durchgeführten Limulus- Amöbocyten- Lysat (LAL)-Tests. Mittels dieser Batchtests wurde die Wirksamkeit des Endotoxinadsorbermaterials sowohl im Vergleich zu unbehandeltem Blutplasma und als auch zu kommerziell erhältlichen Adsorbern auf Polystyrenbasis getestet. Endotoxinadsorber, die bei diesen Tests besonders gut bewertet wurden, konnten in einem up-scale- Versuch erstmals in größeren Mengen synthetisiert werden. Auch die direkte Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial aus Perlcelluloseacetat konnte realisiert werden. Bei diesem neu entwickelten Verfahren erfolgen Deacetylierung und Aktivierung in einem Schritt. Damit kann die Herstellung vereinfacht werden. Zur Gewährleistung der Erstfehlersicherheit in extrakorporalen Blutreinigungssystemen sollen magnetisierte Perlcellulosepartikel als bioverträgliche Marker eingesetzt werden. Versuche zur Magnetisierung von Cellulosemikropartikeln während des Herstellungsprozesses zeigten, dass die Einbindung von Magnetit bei Erhalt der sphärischen Partikelstruktur prinzipiell auch auf diesem homogenen Syntheseweg möglich ist.:1. EINLEITUNG 3 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 5 2.1 CELLULOSE 5 2.1.1 Molekulare Struktur 7 2.1.2 Morphologische Struktur 9 2.1.3 Polymorphie 9 2.1.3.1 Native Cellulose 11 2.1.3.2 Weitere Cellulosemodifikationen 12 2.1.3.3 Umwandlung von Cellulose I in Cellulose II 13 2.1.4 Aktivierung 15 2.2 CELLULOSEACETAT 17 2.2.1 Herstellung 17 2.2.1.1 Technische Herstellung 18 2.2.1.2 Homogene Herstellungsmethoden 19 2.2.2 Eigenschaften und Charakterisierung 20 2.2.3 Verwendung 21 2.3 PERLCELLULOSE 22 2.3.1 Herstellung 23 2.3.1.1 Sprühverfahren 23 2.3.1.2 Suspensionsverfahren 24 2.3.1.3 Acetatverfahren 24 2.3.2 Charakterisierung 26 2.3.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 26 2.3.2.2 Porosität 27 2.2.2.3 Quellwert 28 2.3.2.4 Weitere Methoden 28 2.3.3 Verwendung 30 2.3.3.1 Perlcellulose als Adsorbermaterial 30 2.3.3.2 Adsorption von Endotoxinen 31 2.3.4 Magnetisierung 36 2.3.4.1 Einsatz und Herstellung magnetischer Partikel 36 2.3.4.2 Einbindung von Magnetit in Perlcellulose 39 3. HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE 41 3.1 CELLULOSEACETAT ALS AUSGANGSSTOFF FÜR DIE SYNTHESE VON PERLCELLULOSE 41 3.1.1 Charakterisierung von Celluloseacetaten 41 3.1.1.1 Löslichkeit 41 3.1.1.2 Trübungsmessungen 42 3.1.1.3 Molmassenverteilung 44 3.1.1.4 Verteilung der Substituenten 45 3.1.1.5 Bestimmung des Substitutionsgrades mittels NMR und SEC 46 3.1.2 Einfluss der Celluloseacetate auf die Eigenschaften der Perlcellulose 47 3.1.2.1 Herstellung der Perlcellulosen 47 3.1.2.2 Messung der Partikelgröße 48 3.1.2.3 Charakterisierung der Perlcellulosen mittels Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.3 Schlussfolgerungen 51 3.2 HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE MIT DEFINIERTEN EIGENSCHAFTEN 52 3.2.1 Bildung der Celluloseperlen 52 3.2.2 Dispergieren im Inline- Ultraturrax 54 3.2.2.1 Einfluss der Drehzahl 54 3.2.2.2 Mehrfaches Dispergieren 56 3.2.2.3 Geschwindigkeit der Schlauchpumpe 58 3.2.2.4 Vergleich der Ergebnisse 59 3.2.3 Zusammensetzung der Emulsion 60 3.2.3.1 Salzgehalt 61 3.2.3.2 Methylcellulosekonzentration 62 3.2.3.3 Ethylacetatkonzentration 63 3.2.3.4 Tensidgehalt 65 3.2.3.5 Gleichzeitige Veränderung mehrerer chemischen Parameter 66 3.2.4 Aufbereitung des Perlcelluloseacetats 68 3.2.4.1 Abrotieren der Lösungsmittel 68 3.2.4.2 Reinigung und Deacetylierung 69 3.2.5 Standardbedingungen 69 4. CHARAKTERISIERUNG VON PERLCELLULOSEN 70 4.1 PARTIKELGRÖßENMESSUNG 70 4.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE 70 4.3 QUECKSILBERPOROSIMETRIE 71 4.4 SEDIMENTATIONSVERHALTEN 73 4.4.1 Sedimentationsgeschwindigkeit 73 4.4.2 Berechnung der mittleren Teilchengröße 79 4.4.3 Sedimentationsvolumen 82 4.5 BESTIMMUNG DER POROSITÄT AUS DEM SEDIMENTATIONSVOLUMEN 83 4.5.1 Porositätsuntersuchungen an einer analytischen Multiprobenzentrifuge 83 4.5.2 Porositätsuntersuchungen an einer Laborzentrifuge 84 4.5.3 Vergleich der ermittelten Porositätswerte 85 4.6 RAMANSPEKTROSKOPIE 87 5. PERLCELLULOSE ALS ENDOTOXINADSORBERMATERIAL 88 5.1 ENTWICKLUNG VON ENDOXINADSORBERN AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 88 5.1.1 Aktivierung von Perlcellulose 88 5.1.2 Anbindung von Polymyxin-B-Sulfat 90 5.2 CHARAKTERISIERUNG UND OPTIMIERUNG DES ENDOTOXINADSORBERMATERIALS 90 5.3 UP- SCALE- VERSUCH 96 5.4 WEITERE VERSUCHE MIT PERLCELLULOSE 98 5.5 ANBINDUNG VON PMB AN PERLCELLULOSEACETAT 102 5.6 BEWERTUNG UND AUSBLICK 107 6. MAGNETISCHE MARKERPARTIKEL AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 109 6.1 HOMOGENE EINBINDUNG VON MAGNETIT IN PERLCELLULOSE 109 6.1.1 Auswahl des Dispergiergerätes 111 6.1.2 Optimierung der BUT- Drehzahl und der Dispergierzeit 112 6.1.3. Versuche mit Methylcellulose als Schutzkolloid 120 6.2 CHARAKTERISIERUNG DER MAGNETISIERTEN PERLCELLULOSEPARTIKEL 122 6.2.1 Partikelgröße 122 6.2.2 Rasterelektronenmikroskopie 124 6.2.3 Energiedispersive Röntgenmikroanalyse 126 6.2.4 Bestimmung des Eisengehaltes mittels AAS 128 6.2.5 Magnetische Messungen 129 6.3 BEWERTUNG DER BISHERIGEN ERGEBNISSE 130 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 132 8. EXPERIMENTELLES 135 8.1 CHEMIKALIEN 135 8.2 METHODISCHES 135 8.3 PRÄPARATIONSVORSCHRIFTEN UND ARBEITSANLEITUNGEN 136 8.3.1 Herstellen der Ausgangslösungen 136 8.3.2 Herstellung der Perlcellulosen 137 8.3.2.1 Herstellung des Perlcelluloseacetates 137 8.3.2.2 Deacetylierung des Perlcelluloseacetates 138 8.3.3 Aktivierung von Perlcellulosen 138 8.3.4 Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial 138 8.3.5 Magnetitanbindung 139 LITERATUR 140 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 152 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 154 TABELLENVERZEICHNIS 158Bead cellulose is regenerated cellulose II characterized by spherically shaped, porous particles with a high specific surface and a good biocompatibility. Because of their properties these cellulose microspheres are especially suited for medical applications. The focus of this work was the synthesis, characterization and modification of bead cellulose with particle sizes between 1 to 10 µm. In the frame of this work seven technical cellulose-2.5-acetates were investigated with regard to their suitability for making bead cellulose according to the process described in EP0750007. These cellulose acetates have comparable molecular characteristics. Different properties were compared. Bead celluloses can be synthesized from all investigated cellulose acetates. A product with a molecular weight of more than 100,000 and with a ratio between molecular weight and numeric molecular weight of about 1.5 is special suited. This cellulose-2.5-acetate has a good solubility in ethyl acetate / methanol (100:17.5). The bead cellulose made from it has a low particle size and a relative narrow size distribution. Thus this cellulose acetate complies with the requirements for making bead cellulose. The most important process step for making bead cellulose is the dispersing of the emulsion using an inline-ultraturrax. The distribution of particle size depends mainly on the conditions during dispersing. A reproducible synthesis of cellulose microspheres with a particle size range below 5 µm was successfully achieved. In addition to determining conditions for manufacturing bead cellulose the characterization of the microspheres is essential to obtain bead cellulose with well defined properties. At first well-established methods of characterization were used (particle size measurement, SEM and mercury porosimetry). In parallel new methods were developed and implemented. The main focus was the investigation of sedimentation behaviour of bead cellulose using analytical centrifugation. Based on this knowledge of the sedimentation volume a new method to calculate the porosity was designed. Raman spectroscopy was used for detecting the complete deacetylation of the samples. By using well-established and newly developed methods properties of bead cellulose such as particle size and distribution, morphology and porosity can be accurately adjusted. In this way the reproducible synthesis of cellulose microspheres can be ensured. The aim of further experiments was to develop an endotoxin adsorber material based on a coupling of bead cellulose with Polymyxin B sulfate (PMB). The coupling with PMB was carried out after activation of the samples by using epichlorohydrin. At first the added epichlorohydrin amount was diversified in order to find the optimum for the activation of bead cellulose. Later the coupling of different amounts of PMB took place and the linking of PMB to non activated samples was investigated too. The planning of all experiments occurred after evaluation of Limulus amebocyte lysate (LAL) tests at Danube-University Krems. Using these batch tests the effectiveness of the endotoxin adsorber material was tested compared to untreated blood plasma as well as commercial available adsorbers based on polystyrene. Endotoxin adsorbers showing the best adsorption rate were then synthesized for the first time in larger quantities. Also the direct synthesis of endotoxin adsorber material based on bead cellulose acetate could be realized. Using this newly developed method, deacetylation and activation occur during the same step. This means manufacturing process can be simplified. Using magnetized bead cellulose as biocompatible marker particles is planned to achieve first fault safety in case of a membrane rupture during extracorporeal blood purification. Initial tests have shown that the magnetization of cellulose microspheres is possible during the manufacturing process. The incorporation of magnetite can be realized while keeping the spherical shape of the particles using this homogenous synthesis pathway.:1. EINLEITUNG 3 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 5 2.1 CELLULOSE 5 2.1.1 Molekulare Struktur 7 2.1.2 Morphologische Struktur 9 2.1.3 Polymorphie 9 2.1.3.1 Native Cellulose 11 2.1.3.2 Weitere Cellulosemodifikationen 12 2.1.3.3 Umwandlung von Cellulose I in Cellulose II 13 2.1.4 Aktivierung 15 2.2 CELLULOSEACETAT 17 2.2.1 Herstellung 17 2.2.1.1 Technische Herstellung 18 2.2.1.2 Homogene Herstellungsmethoden 19 2.2.2 Eigenschaften und Charakterisierung 20 2.2.3 Verwendung 21 2.3 PERLCELLULOSE 22 2.3.1 Herstellung 23 2.3.1.1 Sprühverfahren 23 2.3.1.2 Suspensionsverfahren 24 2.3.1.3 Acetatverfahren 24 2.3.2 Charakterisierung 26 2.3.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 26 2.3.2.2 Porosität 27 2.2.2.3 Quellwert 28 2.3.2.4 Weitere Methoden 28 2.3.3 Verwendung 30 2.3.3.1 Perlcellulose als Adsorbermaterial 30 2.3.3.2 Adsorption von Endotoxinen 31 2.3.4 Magnetisierung 36 2.3.4.1 Einsatz und Herstellung magnetischer Partikel 36 2.3.4.2 Einbindung von Magnetit in Perlcellulose 39 3. HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE 41 3.1 CELLULOSEACETAT ALS AUSGANGSSTOFF FÜR DIE SYNTHESE VON PERLCELLULOSE 41 3.1.1 Charakterisierung von Celluloseacetaten 41 3.1.1.1 Löslichkeit 41 3.1.1.2 Trübungsmessungen 42 3.1.1.3 Molmassenverteilung 44 3.1.1.4 Verteilung der Substituenten 45 3.1.1.5 Bestimmung des Substitutionsgrades mittels NMR und SEC 46 3.1.2 Einfluss der Celluloseacetate auf die Eigenschaften der Perlcellulose 47 3.1.2.1 Herstellung der Perlcellulosen 47 3.1.2.2 Messung der Partikelgröße 48 3.1.2.3 Charakterisierung der Perlcellulosen mittels Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.3 Schlussfolgerungen 51 3.2 HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE MIT DEFINIERTEN EIGENSCHAFTEN 52 3.2.1 Bildung der Celluloseperlen 52 3.2.2 Dispergieren im Inline- Ultraturrax 54 3.2.2.1 Einfluss der Drehzahl 54 3.2.2.2 Mehrfaches Dispergieren 56 3.2.2.3 Geschwindigkeit der Schlauchpumpe 58 3.2.2.4 Vergleich der Ergebnisse 59 3.2.3 Zusammensetzung der Emulsion 60 3.2.3.1 Salzgehalt 61 3.2.3.2 Methylcellulosekonzentration 62 3.2.3.3 Ethylacetatkonzentration 63 3.2.3.4 Tensidgehalt 65 3.2.3.5 Gleichzeitige Veränderung mehrerer chemischen Parameter 66 3.2.4 Aufbereitung des Perlcelluloseacetats 68 3.2.4.1 Abrotieren der Lösungsmittel 68 3.2.4.2 Reinigung und Deacetylierung 69 3.2.5 Standardbedingungen 69 4. CHARAKTERISIERUNG VON PERLCELLULOSEN 70 4.1 PARTIKELGRÖßENMESSUNG 70 4.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE 70 4.3 QUECKSILBERPOROSIMETRIE 71 4.4 SEDIMENTATIONSVERHALTEN 73 4.4.1 Sedimentationsgeschwindigkeit 73 4.4.2 Berechnung der mittleren Teilchengröße 79 4.4.3 Sedimentationsvolumen 82 4.5 BESTIMMUNG DER POROSITÄT AUS DEM SEDIMENTATIONSVOLUMEN 83 4.5.1 Porositätsuntersuchungen an einer analytischen Multiprobenzentrifuge 83 4.5.2 Porositätsuntersuchungen an einer Laborzentrifuge 84 4.5.3 Vergleich der ermittelten Porositätswerte 85 4.6 RAMANSPEKTROSKOPIE 87 5. PERLCELLULOSE ALS ENDOTOXINADSORBERMATERIAL 88 5.1 ENTWICKLUNG VON ENDOXINADSORBERN AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 88 5.1.1 Aktivierung von Perlcellulose 88 5.1.2 Anbindung von Polymyxin-B-Sulfat 90 5.2 CHARAKTERISIERUNG UND OPTIMIERUNG DES ENDOTOXINADSORBERMATERIALS 90 5.3 UP- SCALE- VERSUCH 96 5.4 WEITERE VERSUCHE MIT PERLCELLULOSE 98 5.5 ANBINDUNG VON PMB AN PERLCELLULOSEACETAT 102 5.6 BEWERTUNG UND AUSBLICK 107 6. MAGNETISCHE MARKERPARTIKEL AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 109 6.1 HOMOGENE EINBINDUNG VON MAGNETIT IN PERLCELLULOSE 109 6.1.1 Auswahl des Dispergiergerätes 111 6.1.2 Optimierung der BUT- Drehzahl und der Dispergierzeit 112 6.1.3. Versuche mit Methylcellulose als Schutzkolloid 120 6.2 CHARAKTERISIERUNG DER MAGNETISIERTEN PERLCELLULOSEPARTIKEL 122 6.2.1 Partikelgröße 122 6.2.2 Rasterelektronenmikroskopie 124 6.2.3 Energiedispersive Röntgenmikroanalyse 126 6.2.4 Bestimmung des Eisengehaltes mittels AAS 128 6.2.5 Magnetische Messungen 129 6.3 BEWERTUNG DER BISHERIGEN ERGEBNISSE 130 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 132 8. EXPERIMENTELLES 135 8.1 CHEMIKALIEN 135 8.2 METHODISCHES 135 8.3 PRÄPARATIONSVORSCHRIFTEN UND ARBEITSANLEITUNGEN 136 8.3.1 Herstellen der Ausgangslösungen 136 8.3.2 Herstellung der Perlcellulosen 137 8.3.2.1 Herstellung des Perlcelluloseacetates 137 8.3.2.2 Deacetylierung des Perlcelluloseacetates 138 8.3.3 Aktivierung von Perlcellulosen 138 8.3.4 Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial 138 8.3.5 Magnetitanbindung 139 LITERATUR 140 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 152 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 154 TABELLENVERZEICHNIS 15