Formulierung und Freisetzungssysteme

Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von funktionellen Inhaltsstoffen oder Wirkstoffen ist der Transport der Substanzen an ihren Zielort, beispielsweise in ein Gewebe oder eine Zelle. Eine Barriere, die es dabei zu überwinden gilt, sind die Zellmembranen. Werden Wirkstoffe zudem auf ihrem Weg im Körper verändert, so kann dies verhindern, dass die Substanzen am Zielort ihre gewünschte Wirkung entfalten. Um diese Hürden zu umgehen, arbeiten wir am Fraunhofer IGB an Strukturen, die Stoffe gezielt zum Wirkort transportieren (Drug Delivery) und dort kontrolliert abgeben (Drug Release).

Unser Angebot: Vom Inhaltsstoff bis zur Funktionsprüfung

Potenzielle funktionelle Inhalststoffe für Lebensmittel- oder Kosmetika gewinnen wir beispielsweise aus Mikroalgen. Hierzu setzen wir neben Extraktionsverfahren auch physikalische Verfahren wie die Hochdruckwechseltechnologie (Pressure Change Technology, PCT) ein.

Den Wirk- oder Effektstoff formulieren wir beispielsweise in eine Matrix, die aus biobasierten, polymeren oder silikatischen Materialien in Form von (Nano-)Partikeln oder Schichten besteht.

Für die Formulierung nutzen wir verschiedene Verfahren, wie beispielsweise Sprühtechnologien, Lösungsmittelverdampfung, Emulsionen oder Dispersionen.

Die Funktionsprüfung der Formulierung rundet unser Angebot ab.

Eine Übersicht über die am Fraunhofer IGB etablierten Produkte und Technologien für verschiedene Branchen und Anwendungen gibt die folgende Tabelle.

Kompetenz-Anwendungs-Matrix

  Inhaltsstoffe Matrix Formulierung Funktionsprüfung
Lebensmittel

Funktionelle Inhaltsstoffe aus Algenbiomasse

PCT

Enzyme

Organische Säuren

  PCT

Analyse der Zusammensetzung mittels GC, HPLC, IR

Freisetzung, Stabilität, Verkapselungseffizienz

Agrar Funktionelle Inhaltsstoffe aus Algenbiomasse   x Freisetzung, Stabilität, Verkapselungseffizienz
Futtermittel

Funktionelle Inhaltsstoffe aus Algenbiomasse

PCT

    Analyse der Zusammensetzung mittels GC, HPLC, IR
Textil Chitosan aus Insektenchitin   x

Bioaktivität, Bioverfügbarkeit

Freisetzung, Stabilität, Verkapselungseffizienz

Chemie

Biotenside

Dicarbonsäuren

Epoxide

x x

Freisetzung, Stabilität, Verkapselungseffizienz

Zytotoxizität, Penetration und Irritation, Biofunktionalität

Kosmetik

Funktionelle Inhaltsstoffe aus Algenbiomasse

PCT

Biotenside

x x

Analyse der Zusammensetzung mittels GC, HPLC, IR

Freisetzung, Stabilität, Verkapselungseffizienz

Zytotoxizität, Penetration und Irritation, Biofunktionalität

Pharma

Funktionelle Inhaltsstoffe aus Algenbiomasse

PCT

Mammalische Zelllinien zur rekombinanten Produktion von Proteinen

Proteinexpression in Hefe

Proteinreinigung

x

Mammalische Zelllinien zur Formulierung von Pharmaproteinen

Virus-like Particles für Vakzinierung und Drug Delivery

Verkapselung mittels Elektrospinning

Bioaktivität, Bioverfügbarkeit

Freisetzung, Stabilität, Verkapselungseffizienz

Zytotoxizität, Penetration und Irritation, Biofunktionalität

Inhaltsstoffe

Funktionelle Inhaltsstoffe aus Mikroalgenbiomasse

Mikroalgen liefern wertvolle Inhaltsstoffe wie omega-3-Fettsäuren, Carotinoide und Proteine. Vor der Extraktion wird die Algenbiomasse mit einer Rührwerkskugelmühle oder im Hochdruckhomogenisator (für Algensuspensionen mit 5-15 Gew.% Biotrockenmasse) aufgeschlossen.

Zur Gewinnung der Inhaltsstoffe haben wir am Fraunhofer IGB ein Batch-Verfahren zur Hochdruckflüssigextraktion (PLE) etabliert, das derzeit in den Pilotmaßstab übertragen wird. Algeninhaltstoffe unterschiedlicher Polarität können hierbei mit Lösemitteln oder Lösemittelgemischen entsprechender Polarität bei Temperaturen bis 150 °C extrahiert werden.

Effekte

 

PCT (pressure change technology)

Die Hochdruckwechseltechnologie wird am Fraunhofer IGB als kontinuierliches Hochdruckverfahren eingesetzt und für den Zellaufschluss, zur Pasteurisierung und für die physikalische Stabilisierung von flüssigen Produkten unter Inertgasatmosphäre untersucht. Darüber hinaus lässt sich die PCT zur Entwässerung, Partikelherstellung und Extraktion einsetzen.

Effekte

 

Biotechnische Herstellung von organischen Säuren, Biotensiden, Chitin und Enzymen

Das Fraunhofer IGB entwickelt und optimiert biotechnische Prozesse zur Konversion biogener Roh- und Reststoffe bis in den Technikums- bis m³-Maßstab. Zur Freisetzung der Inhaltsstoffe werden verschiedene Aufarbeitungstechniken wie Kristallisation und Flüssigextraktion, Chromatographie und Hochdruckaufschluss eingesetzt. Verfahren zur Herstellung von folgender Inhaltsstoffe wurden bereits erfolgreich etabliert:

  • Biotenside (Mannosylerythritollipid, Cellobioselipid)
  • Dicarbonsäuren: 1,18-Octacecensäure, Furandicarbonsäure, Itaconsäure, Äpfelsäure, Xylonsäure
  • Epoxide aus Pflanzenölen, Alkenen, Fettsäuren
  • Chitin und Zucker aus Insekten- und Krabbenschalen, Holz und Gräsern

Anwendungen
Kosmetik, Reinigungsmittelbranche, Textilindustrie, Kunststoffindustrie, Farben, Lacke, Harze, Baustoffe, Additive (Weichmacher etc.)

 

Entwicklung von mammalischen Zelllinien

zur rekombinanten Produktion von Proteinen, deren Aufreinigung, Formulierung und Testung auf Aktivität

 

Proteinexpression in Hefe und Proteinreinigung

Hefe-(Pilz)-Kultur, Viruspartikel-Assembly, Partikelcharakterisierung (SDS-PAGE, Westernblot, ELISA, Nachweis Homogenität, Reinheit), Ultra-Zentrifugation, Elektronenmikroskopie

Matrix / Partikel

Modifikation von (Bio-)Polymeren

Polymeranaloge Umsetzungen zur Einstellung der Materialeigenschaften. Folgende Materialien werden konsequent eingesetzt: Kohlenhydrate wie beispielsweise Inulin oder Stärke. Modifikation für textile Anwendungen beispielsweise Chitosan im Projekt Chitotex.

 

Funktionelle Nanopartikel

Miniemulsionen verwenden wir zur Herstellung synthetischer oder biobasierter funktioneller Nanopartikel. Dabei lassen sich Polymere (z. B. Biopolymere) wie auch Monomere (Styrol, MMA) zu Nanopartikeln verarbeiten. Polymerpartikel stellen wir auch ohne Quervernetzer her. Die Partikel können Wirk- und Effektstoffe verkapseln oder an der Oberfläche tragen.

Formulierung

Emulsionsverfahren zur Verkapselung von hydrophilen und hydrophoben Wirk- und Effektstoffen

beispielsweise Wachstumsfaktoren und Proteinen

 

Sprühtrocknung von Wirk- und Effektstoffen mit (bio)polymerbasierten Materialien

mittels Mini-Sprühtrockner (B-290) von Büchi. Einsatz von Zwei- und Dreistoffdüsen auch unter Inertgas für organische Lösemittel. Beispiele für erfolgreich verkapselte Wirkstoffe sind Mesalazin, Soluferon, Dexpanthenol, Lysozym und Antibiotika (Clindamycin). Auch Anwendungen in der Tiermedizin wurden umgesetzt.

 

Adsorptive Beladung von Polymeren und porösen Silikapartikeln

mit Wirkstoffen, Enzymen, Hormonen, Steroiden, Duftstoffen und Vitaminen.

 

Flächiges Abscheiden von Formulierungen auf Schichten

Beispielsweise Wundauflagen, Beschichtung von Stents mit Wirkstoffen (Drug eluting stents).

 

Hydrogel-Formulierung mit beladenen Partikeln

z. B. für Nasengel-Anwendungen, wie im Projekt N2B-Patch oder die Formulierung von Nasengelen für Pharmafirmen. Der Wirkstoff hier ist ein Medikament für die Behandlung von Multiple Sklerose.

 

Herstellung multifunktioneller Partikel für ein kontrolliertes Drug Targeting

Hier werden spezifische Moleküle (Antikörper, Proteine, andere erkennende Strukturen) auf Partikeln immobilisiert. Der Partikel kann weiter mit Signalmolekülen im Kern oder auf der Schale ausgestattet werden. Projektbeispiele sind TNF-Nanocytes und Endoskop.

 

Formulierung mit PCT

Die Hochdruckwechseltechnologie lässt sich neben der Gewinnung von Inhaltsstoffen und Stabilisierung von Extrakten auch zur Formulierung einsetzen. Am Beispiel für Lecithin/Carotin konnte dies erfolgreich demonstriert werden.

 

Verkapselung von Wirkstoffen mittels Elektrospinning

Mittels Elektrospinnen ist es möglich, dreidimensionale faserförmige Trägersubstrate und Membranen zu erzeugen. Am Fraunhofer IGB generieren wir elektrogesponnene Trägersubstrate aus natürlichen oder synthetischen Polymeren u.a. als Drug-Delivery-Systeme.

 

Virus-like particles für Vakzinierung und Drug Delivery

Einen neuen Ansatz zum Verpacken und zum gezielten Transport von Wirkstoffen verfolgen wir am IGB mit virusähnlichen Partikeln (Virus-like Particles) als Vehikel. Wir etablieren Virus-like Particles (multivalente Polymere) als Impfstoffe und für die Wirkstofffreisetzung durch Self-Assembly nach Proteinexpression in Hefe. Die Partikel modifizieren wir als Fusionsprotein oder durch Einschluss von RNAs bzw. Toxinen.

Charakterisierung und Funktionsprüfung

Akkreditierte Testung der Zytotoxizität

Die Zytotoxizität bzw. Biokompatibilität von Materialien, Partikeln und Wirkstoffen untersuchen wir am Fraunhofer IGB nach DIN EN ISO 10993-5.

 

Freisetzungsuntersuchungen

mittels Durchflusszelle nach USP4 und Ph. Eur. Die Stabilität und die Verkapselungseffizienz können ebenfalls bestimmt werden.

 

Testung von Drug Targeting und Drug Release

Um die Zielsteuerung von Wirkstoffen in multifunktionalen Partikeln zu prüfen und zu validieren, setzen wir am Fraunhofer IGB mammalische 3D- und 2D-Testsysteme ein (GLP). Auch die Freisetzung von Wirksstoffen aus Partikeln, z.B. antimikrobiellen Substanzen, testen wir unter GLP-Bedingungen.

 

Untersuchung von Penetration und Irritation

Unsere dreidimensionalen humanen Hauttestsysteme (Epidermis, Vollhaut) setzen wir für Penetrations- und Irritationsstudien ein.

 

Markerfreie Analytik

Weitere Informationen bei unseren Geschäftsfeldern

Beschichtungen und Materialien für die Medizintechnik

Wirkstoff-Entwicklung

Lebensmittel und Kosmetik

Funktionale Oberflächen und Materialien

Bioökonomie – biobasierte Chemikalien und Materialien

Aufarbeitungs-Technologien

Wasser- und Abwasser-Technologien

Aufbereitung von Roh- und Reststoffen