Ulm, Univ., Diss., 2008.

More and more newly registered drugs are proteins. Although many of them suffer from instabilities in aqueous media, the most common way of protein drug administration still is the injection of a solution. Numerous protein drugs require frequent administration, but suitable controlled release systems for proteins are rare. Chapter 1 presents current advances in the field of controlled delivery of particulate protein formulations. While the main focus lies on batch crystallized proteins, amorphous particulate proteins are also discussed in this work. The reason is that, on the one hand precipitated protein particles hold some of the advantages of crystalline proteins and on the other hand the physical state of the protein may simply be unknown for many drug delivery systems or semi-crystalline particles have been used. Crystallization and precipitations methods as well as controlled delivery methods with and without encapsulation in a polymeric delivery system are summarized and critically discussed. In chapter 2 a novel way of protein crystal encapsulation by electrospinning is introduced. Electrospinning of proteins has been shown to be challenging via the use of organic solvents, frequently resulting in protein unfolding or aggregation. Encapsulation of protein crystals represents an attractive but largely unexplored alternative to established protein encapsulation techniques because of increased thermodynamic stability and improved solvent resistance of the crystalline state. We herein explore the electrospinning of protein crystal suspensions and establish basic design principles for this novel type of protein delivery system. Poly-ε-caprolactone (PCL) is an excellent polymer for electrospinning and matrix-controlled drug delivery combining optimal processability and good biocompatibility. PCL was deployed as a matrix, and lysozyme was used as a crystallizing model protein. By rational combination of lysozyme crystals with a diameter of 0.7 or 2.1 μm and a PCL fiber diameter between 1.6 and 10 μm, release within the first 24 h could be varied between approximately 10 and 100%. Lysozyme loading of PCL microfibers between 0.5 and 5% was achieved without affecting processability. While relative release was unaffected by loading percentage, the amount of lysozyme released could be tailored. PCL was blended with poly(ethylene glycol) and poly(lactic-co-glycolic acid) to further modify the release rate. Under optimized conditions, an almost constant lysozyme release over 11 weeks was achieved. Chapter 3 takes on the findings made in chapter 2 and further modifies the properties of the nonwovens as protein crystal delivery system. Nonwoven scaffolds consisting of poly-ε-caprolactone (PCL), poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and polidocanol (PD), and loaded with lysozyme crystals were prepared by electrospinning. The composition of the matrix was varied and the effect of PD content in binary mixtures, and of PD and PLGA content in ternary mixtures regarding processability, fiber morphology, water sorption, swelling and drug release was studied. Binary PCL/PD blend nonwovens showed a PD-dependent increase in swelling of up to 30% and of lysozyme burst release of up to 45% associated with changes of the fiber morphology. Furthermore, addition of free PD to the release medium resulted in a significant increase of lysozyme burst release from pure PCL nonwovens from approximately 2% to 35%. Using ternary PCL/PD/PLGA blends, matrix degradation could be significantly improved over PCL/PD blends, resulting in a biphasic release of lysozyme with constant release over 9 weeks, followed by constant release with a reduced rate over additional 4 weeks. Based on these results, protein release from PCL scaffolds is improved by blending with PD due to improved lysozyme desorption from the polymer surface and PD-dependent matrix swelling. Chapter 4 gives deeper insight on lysozyme batch crystallization and shows the influences of the temperature on the precipitation excipients. Yet up to now protein crystallization in a pharmaceutical useful scale displays a challenge with crystal size and purity being important but difficult to control parameters. Some of these influences are being discussed here and a detailed description of crystallization methods and the achieved crystals are demonstrated. Therapeutic use of such protein crystals may require further modification of the protein release rate through encapsulation. Silk fibroin (SF) harvested from the cocoons of Bombyx mori is a well-established protein suitable for encapsulation of small molecules as well as proteins for controlled drug delivery. This novel polymer was deployed for as carrier for the model drug crystals. Lysozyme again was used as a crystallizable protein and the effect of process- as well as formulation parameters of batch crystallization on crystal size were investigated using statistical design of experiments. Lysozyme crystal size depended on temperature and sodium chloride and poly(ethylenglycol) concentration of precipitant solution. Under optimized conditions, lysozyme crystals in a size range of approximately 0.3 to 10 µm were obtained. Furthermore, a solid-in-oil-in-water process for encapsulation of lysozyme crystals into SF was developed. Using this process, coating of protein crystals with another protein was achieved for the first time. Encapsulation resulted in a significant reduction of dissolution rate of lysozyme crystals, leading to prolonged release over up to 24 hours. / Immer mehr neu zugelassene Arzneimittel sind Proteine. Obwohl viele von ihnen in wässrigen Milieus sehr instabil sind, werden die meisten Proteine immer noch als Parenteralia formuliert. Kontrollierte Freisetzungssysteme sind selten, und das obwohl zahlreiche Proteine regelmäßig verabreicht werden müssen. Kapitel 1 befasst sich mit den aktuellen Fortschritten im Bereich der kontrollierten Darreichungsformen für Proteinpartikel. Das Hauptaugenmerk liegt klar auf den „batch“ kristallisierten Proteinen, aber auch allgemeine ‚amorphe‘ Proteinpartikel werden diskutiert. Das liegt daran, dass zum einen präzipitierte Proteinpartikel ebenfalls einige Vorteile der Proteinkristalle haben und zum anderen wurde in einigen Fällen der physikalische Zustand der Proteine nicht bestimmt oder es wurden zumindest semi-kristalline Proteinpartikel verwendet. In diesem Kapitel werden Kristallisations- und Präzipitationsmethoden sowie kontrollierte Freisetzungssysteme mit und ohne vorherige Einbettung in ein Polymersystem zusammengefasst und kritisch diskutiert. Kapitel 2 stellt eine neue Methode der Proteinkristalleinbettung durch Electrospinning vor. Electrospinning von Proteinen hat sich aufgrund des häufigen Einsatzes von organischen Lösemitteln als schwierig heraus gestellt und führt häufig zum Entfalten oder Denaturieren des Proteins. Aufgrund höherer thermodynamischer Stabilität und verbesserter Kompatibilität mit organischen Lösemitteln haben sich Proteinkristalle hier als attraktive wenngleich bisher ziemlich unbeachtete Alternative heraus gestellt. In diesem Kapitel wird das das Electrospinning von Proteinkristallsuspensionen erforscht und grundlegende Bedingungen für diese neuartige Art der Proteinverkapselung etabliert. Poly-ε-caprolacton (PCL) eignet sich hervorragend für das Electrospinning und zeichnet sich durch matrixkontrollierte Freisetzung, einfache Handhabbarkeit sowie gute Biokompatibilität aus. PCL wurde als Matrix und Lysozym als Modelprotein eingesetzt. Mittels Kombination zweier Lysozymkristalldurchmesser, 0,7 oder 2,1 µm, und der Variation des PCL-Fadendurchmessers zwischen 1,6 und 10 µm konnte die Initialfreisetzung innerhalb der ersten 24 Stunden zwischen ca. 10 und 100 % modifiziert werden. Die Beladung der PCL Mikrofäden mit Lysozym zwischen 0,5 und 5 % konnte ohne Beeinträchtigung des Herstellungsprozesses erreicht werden. Hierdurch konnte die gesamt freigesetzte Menge an Lysozym variiert werden, während die relative freigesetzte Menge konstant blieb. Um weitere Modifikationen an der Freisetzungsrate vorzunehmen, wurden Poly(ethylen glycol) und Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) dem PCL beigemischt. Dadurch konnte unter optimierten Bedingungen eine Freisetzungsdauer von über 11 Wochen erreicht werden. Kapitel 3 greift die Entdeckungen des zweiten Kapitels auf und nimmt weitere Modifikationen an den Fasermatten vor. Die mit Proteinkristallen beladenen Fasermatten wurden wieder durch Electrospinning hergestellt und bestehen aus PCL, PLGA und Polidocanol (PD). Die Zusammensetzung der Matrix wurde variiert und die Auswirkungen des PD-Gehalts in binären Mischung, sowie des PD- und PLGA-Gehalts in ternären Mischsystemen auf die Verarbeitbarkeit, Fadenmorphologie, Wassersorption, Quellung und Wirkstofffreisetzung untersucht. Binäre Fasermatten aus einer Mischung aus PCL/PD zeigten PD-abhängige Zunahme der Quellung von bis zu 30 % und eine Zunahme der Initialfreisetzung von bis 45 %. Dieser Anstiege werden einer Veränderung der Fasermorphologie zugeschrieben. Das Hinzufügen von freiem PD zum Freisetzungsmedium von reinen PCL Fasermatten führte zu einer Zunahme der Initialfreisetzung von ca. 2 % auf etwa 35 %. Durch den Einsatz von ternären Mischsystem, bestehend aus PCL/PD/PLGA, kam es zu einem signifikant erhöhten Matrixabbau gegenüber den PCL/PD Mischungen. Das führte wiederrum zu einem zweiphasigen Freisetzungsverhalten, das durch eine konstante Freisetzungsrate innerhalb von 9 Wochen, sowie eine anschließende langsamere, ebenfalls konstante Freisetzung über weitere 4 Wochen gekennzeichnet war. Aufgrund dieser Ergebnisse kann gesagt werden, dass die Proteinfreisetzung aus PCL Matrices durch das Hinzufügen von PD aufgrund von verbesserter Lysozymdesorption vom Polymer sowie PD-abhängiger Matrixquellung verbessert werden konnte. Kapitel 4 bringt tiefere Erkenntnisse bezüglich der Lysozym Batchkristallisation und zeigt den Einfluss der Temperatur auf die verwendeten Fällungsreagenzien. Bis heute stellt die Kristallisation von Proteinen in einem pharmazeutisch sinnvollen Maßstab eine Herausforderung dar, wobei die Kristallgröße und die Reinheit wichtige und dennoch schwer kontrollierbare Parameter sind. Einige dieser Einflüsse werden hier näher beleuchtet und Kristallisationsmethoden sowie die erhaltenen Kristalle näher beschrieben. Lysozym wurde erneut als kristallisierbares Protein eingesetzt und die Einflüsse der Prozess- sowie Formulierungsparameter der Batch-Kristallisation mit Hilfe von statistischen Experimentendesigns (Design of Experiment, DoE) untersucht. Die Kristallgröße wurde durch die Temperatur sowie die Natriumchlorid- und Poly(ethylenglycol)konzentration der Fällungslösung bestimmt. Unter kontrollierten Bedingungen konnten Kristallgrößen in einem Bereich zwischen ca. 0.3 bis 10 µm erreicht werden. Darüber hinaus wurde ein „solid-in-oil-in-water“ (Feststoff-in-Öl-in-Wasser) Verfahren entwickelt mit dem Lysozymkristalle in Seidenfibroin eingebettet werden konnten. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden erstmals Proteinkristalle mit einem anderen Protein überzogen. Diese Einbettung brachte eine signifikante Auflösungsverzögerung mit einer verlängerten Freisetzung über 24 Stunden.

Thesis (doctoral)--Universität, Kiel, 2003.

Zugl.: Bonn, Univ., Diss., 2007

Ulm, Univ. Diss., 2006.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2005.

Die Ergebnisse verschiedener in vitro Untersuchungen und Tierstudien deuten darauf hin, dass Anthocyane zur Prävention und Therapie von intestinalen Erkrankungen wie akutem Durchfall oder chronisch entzündlichen Darm¬erkrankungen (CED) sowie Darmkrebs geeignete Naturstoffe sind. Mit bis zu 780 mg/100 g Frischgewicht weisen Heidelbeeren (Vaccinium myrtillus L.) besonders hohe Anthocyan¬¬gehalte auf. In getrockneter Form sind diese Beeren ein bewährtes Therapeutikum in der Volksheilkunde und werden als pharmazeutische Droge Myrtilli fructus zur Unterstützung der Therapie unspezifischer akuter Durchfall¬erkrankungen eingesetzt. Diese traditionellen Anwendungen hat man jüngst in einer Studie am Modell der experimentellen murinen DSS-Colitis aufgegriffen, in welcher ein therapeutischer Effekt von getrockneten Heidelbeeren (gHB) nachwiesen wurde. Ob die Anthocyane oder andere Inhaltsstoffe verantwortlich für die beobachteten Wirkungen sind, ist noch unbekannt. Ein erstes Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, gHB zu charakterisieren, indem potentielle Wirkkomponenten anhand analytischer Inhalts-stoffbestimmung identifiziert und bei der Trocknung ablaufende Prozesse untersucht wurden: I. Nach extraktiver Probenaufarbeitung wurden Anthocyanprofil und -gehalt von gHB-Handelsware mittels HPLC-ESI-MS/MS und HPLC-UV/Vis bestimmt. Dabei zeigte sich, dass sich das Anthocyanprofil der untersuchten gHB, die in oben genanntem DSS-Colitis-Modell verwendet worden waren, von dem frischer Wildheidelbeeren (V. myrtillus L.) unterschied. Die gHB wiesen zusätzlich eine Delphinidin-hexose-pentose sowie verschiedene Anthocyanpentosen auf, wie sie für die Heidelbeerart V. arctostaphylos L. charakteristisch sind. Infolgedessen ist davon auszugehen, dass V. arcto-staphylos L.-Beeren zur Herstellung der gHB verwendet wurden. In den untersuchten gHB wurde ein Anthocyangehalt von 384 ± 39 mg/100g TM bestimmt. Im Vergleich zu frischen V. myrtillus L.- sowie zu V. acto¬staphylos L.-Früchten wiesen die gHB damit einen deutlich geringeren Anthocyan-gehalt auf. II. Als momomere Nicht-Anthocyan-Polyphenole wurden verschiedene phenolische Säuren, Quercetinglycoside sowie das Aglycon Quercetin mittels HPLC-ESI-MS/MS bzw. HPLC-DAD identifiziert und quantifiziert. Chlorogensäure stellte dabei mit 147 ± 5 mg/100 g TM die Haupt¬kompo¬nen-te dar. Der Gesamtgehalt an monomeren Nicht-Anthocyan-Poly¬phenolen von 288 ± 8 mg/100 g TM war mit dem der Anthocyane vergleich¬bar. III. Kondensierte Gerbstoffe (Procyanidine) in gHB wurden mittels Thiolyse erfasst. Mit 2,23 ± 0,05 g/100 g TM war ihr Anteil dreimal höher als die Summe der monomeren Polyphenole, Anthocyane, phenolische Säuren und Flavonole. IV. Mit 44 ± 2 g/100 g TM waren Ballaststoffe die dominierende Nährstoff¬gruppe in gHB. Zur Untersuchung der Zusammensetzung dieser Fraktion wurden nach Hydrolyse Neutralzucker als Alditolacetate mittels HRGC-MS bzw. HRGC-FID analysiert sowie Uronsäuren photo¬metrisch bestimmt. Derart identifizierte Hauptbausteine der Zellwandpolysaccharide waren Glucose, Xylose sowie Uronsäure. Als Rückstand nach Hydrolyse wurde gravi¬-metrisch das sog. Klason-Lignin erfasst. Zellwandpoly¬saccharide und Klason-Lignin waren mit jeweils ca. 36 % in der Ballaststofffraktion enthalten und stellten deren Haupt¬komponenten dar. V. Als Indikator für die thermische Belastung bei Trocknung der gHB wurde 5 Hydroxymethylfurfural mit HPLC-MS/MS und HPLC-DAD nachgewiesen und quantifiziert. Der ermittelte Gehalt von 7,9 ± 0,2 mg/100 g TM lag in einem für getrocknete Früchte üblichen Bereich. VI. Um den Einfluss der Trocknung auf den Polyphenolgehalt direkt zu verfolgen, wurden frische Kulturheidelbeeren (V. corymbosum L.) bei 30°C, 50°C und 70°C im Umlufttrocken¬schrank bis zur Gewichtskonstanz ge-trocknet. Vor und nach Trocknung wurden Polyphenole mittels HPLC-MS/MS und HPLC-DAD bzw. HPLC-UV/Vis untersucht. Trocknung bei 30°C führte zu einer leichten Zunahme im Anthocyangehalt, wohingegen der Temperaturanstieg auf 50°C sowie 70°C mit einem deutlichen Anthocyan-abbau verbunden war. Phenolische Säuren und Flavonole erwiesen sich als thermostabiler; ein geringer Abbau wurde nur bei Chlorogensäure beobachtet. VII. Die Stabilität der Anthocyanine Cyanidin-3-galactosid und Cyanidin-3-glucosid wurde in einem in vitro Modell untersucht, das die Bedingungen in der Pflanzenzelle während der Trocknung von Früchten simulierte. Der dabei beobachtete Anthocyanabbau wies eine Reaktionskinetik 1. Ordnung auf. Die Reaktionsgeschwindigkeit war stark von der Temperatur abhängig, der Zuckerrest hatte dagegen keinen Einfluss. Als Abbauprodukt wurde Protocatechusäure mittels HPLC-DAD-MS/MS identifiziert. Neben der Menge der mit der Nahrung aufgenommener Anthocyane ist deren Verfügbarkeit am Wirkort die Grundlage für potentielle Effekte. Während der Passage durch den Gastrointestinaltrakt (GIT) unterliegen Anthocyane bekanntlich einem chemischen und mikrobiellen Abbau, wodurch die effektive Wirkkonzentration stark vermindert wird. Colon-Targeting, bei dem Wirkstoffe durch Verkapselung vor einem chemischen und enzymatischen Abbau im oberen GIT geschützt werden, stellt eine Möglichkeit dar, die Verfügbarkeit von Anthocyanen für direkte Effekte im Dickdarm zu erhöhen. Die Zielsetzung im zweiten Teil der Arbeit beinhaltete daher die Herstellung und Charakterisierung von im Lebens¬mittelbereich zugelassenen Formulierungen für das Colon-Targeting von Anthocyanen. Für diese Studien dienten kommerziell aus Wildheidelbeeren V. myrtillus L. gewonnene Extrakte (Anthocyangehalte von 65 bis 84 g/100g) als Anthocyanquelle. I. Zur Charakterisierung der Freisetzungseigenschaften der hergestellten Colon-Targeting-Formulierungen wurde ein in vitro und ex vivo Modell entwickelt und angewendet, das durch aufeinanderfolgende Inkubation der Materialien in Magen¬saft¬simulanz (3 h bei pH 2) und Ileostomie- (4 h bei pH 6,3) sowie Colo-stomieflüssigkeit (15 h bei pH 6,2) die Passage des humanen GIT simulierte. Freigesetzte Anthocyangehalte wurden mittels HPLC-DAD erfasst. II. Im Labormaßstab wurde der Heidelbeerextrakt mittels Eintropf¬technik nach dem Prinzip der ionotropen Gelierung mit Calciumionen in eine Matrix aus amidiertem Pektin verkapselt. Durch anschließendes hydrophobes Coating mit Schellack wurde die vorzeitige Freisetzung der Pigmente aus den Anthocyan-Pektin-Kugeln (APK) P4BRT im Magensaft¬simulanz deutlich ver¬ringert, sodass mit Schellack gecoateten APK P4BSch im genannten Modell-System ein Anthocyantransport in den Dickdarm erreicht wurde. III. Aufgrund seiner Säureunlöslichkeit wurde auch die Eignung von Kollagen aus dem Meeresschwamm Chondrosia reniformis Nardo als Verkapselungsmatrix unter¬sucht. Es gelang, Heidelbeerextrakt in dieses Material zu verkapseln. Trotz partieller Magensaftresistenz waren die Formulierungen jedoch aufgrund von Degradation im simulierten Dünndarm nicht zum Colon-Targeting geeignet. IV. Zur Bereitstellung von mit Schellack gecoateten APK für in vivo Studien war eine Steigerung der Produktionsrate vom Gramm- in den Kilogramm-Maßstab erforderlich, was durch Einsatz der „Laminar Jet Break-up“-Technologie realisiert wurde. APK P4BG wurden mit dieser Methode ebenfalls durch iono-trope Gelierung einer anthocyanhaltigen Pektinlösung in Gegenwart von Calcium¬¬¬¬ionen hergestellt. Im Unterschied zum Labormaßstab war der Einsatz von Glycerin als Weichmacher in der Formulierung erforderlich. Das anschlie-ßende Coating der so hergestellten APK P4BG erfolgte mittels Wurster-Technologie unter Verwendung von wässriger Schellack¬lösung. Materialien mit Coatinglevel von 8, 15 bzw. 19 % w/w (P4BGwSch8, P4BwSch15 und P4BwSch19) wurden erzeugt. Die Formulierungen wiesen Anthocyangehalte von 2,2 bis 2,6 g/100g auf. Im vorgestellten in vitro und ex vivo Inkubations-Modell zeigten un¬modifizierte APK P4BG eine vorzeitige Anthocyan-Freisetzung in Magensaft¬simulanz infolge schneller Ablösung der sehr gut wasserlöslichen Pigmente von der Oberfläche. Dieser Effekt wurde durch Coating mit Schellack in Abhängigkeit vom Coatinglevel verringert. Das Material P4BGwSch19 stellte das am besten geeignete Colon-Targeting-System dar, da mit diesem Anthocyane im simulierten Magen und Dünndarm zurückgehalten und im Dick-darm freigesetzt wurden. V. Um das Auflösungsverhalten der Schellackschicht zu optimieren, wurden APK P4BG mit wässriger Schellacklösung gecoatet, welcher der wasserlösliche Poren¬bildner Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) in Konzen¬trationen von 5 % bzw. 15 % (w/w, bezogen auf Schellack) zugesetzt war. Die so herge¬stell-ten gecoateten APK HPMC5 und HPMC15 zeigten eine verbesserte Magen¬¬saft-resistenz im Vergleich zum nur mit Schellack gecoateten Material. Aufgrund des mit 5 % vergleichweise geringen HPMC-Anteils ähnelte das weitere Freisetzungsverhalten von HPMC5 dem von P4BGwSch19. Mit HPMC15 wurde bei beschleunigter Anthocyan-Freisetzung in Ileo¬stomie¬flüssigkeit ein vollstän¬diger Abbau des Materials in Colostomie¬flüssigkeit erzielt. VI. Der in vivo Effekt des entwickelten anthocyanhaltigen Colon-Targeting-Systems P4BGwSch19 bei entzündlichen Darmerkrankungen wurde am Modell der murinen DSS-Colitis untersucht. Im Gegensatz zur Gabe der identischen Dosis an unverkapseltem Heidelbeerextrakt resultierte die orale Zufuhr der mit Schellack gecoateten APK in keinem signifikanten Unterschied in Colonlänge, histolog¬ischem Score sowie IL6- und IFNγ-Sekretion im Vergleich zu Placebo- und Kontrollgruppen. Eine unzureichende Eignung des verwendeten murinen Modells für Freisetzungsstudien könnte hierfür verantwortlich sein. / Results of various in vitro tests and animal models indicate the potential of anthocyanins as natural substances in the prevention and therapy of intestinal diseases such as acute diarrhea or chronic inflammatory bowel disease. Bilberries (V. myrtillus L.) possess notably high anthocyanin contents up to 780 mg/100g fresh weight. After drying these berries represent a proven remedy in folk medicine. In addition, they are applied as pharmaceutical drug Myrtillus fructus to support the therapy of unspecific acute diarrheal diseases. Recently, this traditional usage was picked up in a model study on experimental murine DSS colitis that demonstrated a therapeutic effect of dried bilberries (DBB). However, so far it is not known whether anthocyanins or other ingredients account for the observed results. Thus, the first object of the present work was to characterize DBB by identification of potential active compounds with analytical methods as well as by analysis of processes occurring during drying. I. After extractive sample preparation the anthocyanin profil and the content of commercially available DBB were determined by HPLC-ESI-MS/MS and HPLC-UV/Vis. It was shown that anthocyanin profil of the analyzed DBB, used in the above mentioned DSS colitis model, differed from that of fresh bilberries (V. myrtillus L.). DBB additionally contained a delphinidin hexose pentose as well as several anthocyanin pentoses, characteristic for the bilberry species V. arctostaphylos L. Thus, it is assumed that berries of V. arctostaphylos L. were used for manufacturing of DBB. The analyzed DBB revealed an anthocyanin content of 384 ± 39 mg/100g dry matter (dm). In comparison to fresh V. myrtillus L. as well as V. arctostaphylos L. fruits the berries showed a significantly reduced anthocyanin content. II. Phenolic acids, quercetin glycosides as well as the aglycon quercetin were identified as monomeric non anthocyanin like polyphenols and quantified by HPLC-ESI-MS/MS and HPLC-DAD, respectively. With 147 ± 5 mg/100g dm chlorogenic acid represented the dominating compound. The overall content of non-anthocyanin like polyphenols of 288 ± 8 mg/100g was similar to the anthocyanin content. III. Condensed tannins (procyanidins) in DBB were analyzed by thiolysis. With 2.23 ± 0.05 g/100g dm the content of condensed tannins was found to be three times higher compared to the sum of monomeric polyphenols (anthocyanins, phenolic acids, flavonols). IV. With 44 ± 2 g/100g dm dietary fiber was the dominant nutrient group in dried bilberries. To characterize the composition of this fraction the neutral sugars were analyzed after acid hydrolysis and derivatization to alditol acetates by HRGC-MS and HRGC-FID, respectively. Uronic acids were investigated photo-metrically. Main cell wall constituents identified by this way were glucose, xylose as well as uronic acid. As the residue after acid hydrolysis Klason-Lignin was determined by gravimetric technique. Cell wall polysaccharide as well as Klason-Lignin were enclosed each with approximately 36 % in the fiber fraction, hence representing the dominating compounds. V. 5-(Hydroxymethyl)furfural was detected as an indicator of thermal treatment during drying of the DBB and quantified by HPLC-MS/MS and HPLC-DAD. The content of 7.9 ± 0.2 mg/100g found is characteristic for dried fruits. VI. In order to directly investigate the influence of drying on the polyphenol content, fresh bilberries V. corymbosum L. were dehydrated in a drying cabinet at 30°C, 50°C as well as 70°C to constant weight. Before and after drying polyhenols were analyzed by HPLC-MS/MS as well as HPLC-DAD and HPLC-UV/Vis, respectively. During drying at 30°C a slight increase of anthocyanin content was found. Rise of temperature to 50°C and 70°C was connected with clear anthocyanin degradation. Phenolic acids and flavonols possessed accelerated thermo resistance. A slight degradation was determined only for chlorogenic acid. VII. Stability of anthocyanins cyanidin-3-galactoside and cyanidin-3-glucoside was studied in an in vitro model simulating the conditions in the plant cell during drying of fruits. The observed anthocyanin degradation showed a reaction kinetic of 1st order. Reaction speed had a strong temperature dependency. In contrast, the type of sugar residue had no influence. Protocatechuic acid was identified by HPLC-DAD-MS/MS as degradation product. Besides the daily amount of anthocyanins ingested, their availability at the site of action represents the basis of the pigments’ potential effects. As it is gener¬al¬ly known, during passage of the gastrointestinal tract (GIT) anthocyanins are chemically and microbiologically degraded. This results in a severe decrease of the active dose. Colon-targeting, to protect the of active compounds from chemical and enzymatic decomposition in the upper GIT by encapsulation is a possibility to increase the availability of anthocyanins for direct effects in the colon. Thus, the objective in the second part of this work was the preparation and characterization of formulations for dietary colon-targeting of anthocyanins. In these studies, commercially manufactured extracts from bilberries V. myrtillus L. (anthocyanin content from 65 to 84 g/100g) were applied as source of anthocyanins. I. For characterization of the release properties of the designed colon-targeting-systems an in vitro and ex vivo model was used mimicking the transit of the human GIT by consecutive incubation in simulated gastric fluid (3 h, pH 2), ileostomy fluid (4 h, pH 6,3) as well as colostomy fluid (15 h, pH 6,2). The content of anthocyanins released were analyzed by HPLC-DAD. II. In laboratory scale bilberry extract was encapsulated in a matrix of amidated pectin by ionotropic gelation in the presence of calcium ions. Conventional dripping method was applied. By additional hydrophobic coating with shellac, premature release of pigments from anthocyanin pectin beads (APB) P4BRT in simulated gastric fluid was significantly reduced. Thus, an anthocyanin transport in the colon was demonstrated with shellac coated APB P4BSch in the applied model system. III. Due to its insolubility in acid media, applicability of marine sponge collagen from Chondrosia reniformis nardo as a matrix for encapsulation was also studied. We succeeded in encapsulating bilberry extract into this material. Despite partial resistance towards degradation in the simulated stomach the materials were not suitable for colon-targeting as they were degraded in ileostomy fluid. IV. To provide shellac coated ABP for in vivo tests an increase in production rate from the gram to the kilogram scale was necessary. It was realized by application of laminar jet break up-technology for manufacturing of APB P4BG by ionotropic gelation of an anthocyanin pectin solution in the presence of calcium ions. In contrast to laboratory scale, the usage of glycerol as a plasticizer in the material was necessary. Subsequent coating of these APB P4BG was performed by Wurster technique with aqueous shellac solution. Formulations with coating levels of 8, 15 and 19 % w/w, respectively, were prepared showing anthocyanin contents from 2.2 to 2.6 g/100g. In the mentioned in vitro and ex vivo model system unmodified APB P4BG showed premature anthocyanin release in simulated gastric fluid due to fast dissolution of the highly soluble pigments from the surface. This effect was reduced by shellac coating in relation to the coating level. Material P4BGwSch19 represented the most suitable colon-targeting-sys¬tem, as anthocyanins were retarded in the simulated stomach as well as the ileum and were released in the colon. V. To optimize dissolution properties of the shellac film, ABP were coated with aqueous shellac solution containing the water soluble pore former hydroxypropyl methylcellulose in concentrations of 5 and 15 % (w/w, based on shellac), respectively. Compared to shellac coated materials these formulations HPMC5 and HPMC15 exhibited an improved gastric resistance. Due to the comparatively low HPMC content of 5 % the release properties of HPMC5 were similar to that of P4BGwSch19. HPMC15 showed in connection with accelerated anthocyanin release in ileostomy fluid material a complete degradation in colostomy fluid. VI. The in vivo effect of the designed anthocyanin colon targeting-system P4BGwSch19 was studied in the model of murine DSS colitis. In contrast to application of the same dose of unmodified bilberry extract, feeding of shellac coated APB resulted in no significant difference of colon length, histological score as well as IL6- and IFNγ-secretion compared to placebo and control groups. As a consequence of this inconsistency, it has to be checked whether the murine model used is suitable for studying release properties.

Die Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung von Halbleiterwaferbondtechnologien mit strukturierten Glaszwischenschichten. Im Mittelpunkt steht dabei das Glaslotbonden mittels niedrigschmelzender Gläser, die als Pasten durch Siebdruck strukturiert aufgetragen und thermisch konditioniert werden, bevor sie thermo-kompressiv gebondet werden. Die Eigenschaften der Bondverbindung und des Glaslotes wurden untersucht. Weiterhin sind unterschiedliche Anwendungsbeispiele (oberflächenmikromechanische und optische Sensoren, sowie trimmbare Widerstände) aufgeführt. / This work is a contribution to the development of semiconductor wafer bonding technologies by structured glass inter layers. The main aspect is the glass frit bonding using low melting point glass, deposited as a paste by screen printing as structured layer and thermal conditioned to a real glass before the thermo-compressive bonding. The properties of the bond interface and the bonding glass are investigated. Several examples (surface micro-mechanical and optical sensors as well as trimmable resistors) are given.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein prinzipieller Zugang zur Mikroverkapselung anorganischer Latentwärmespeichermaterialien (LWS) erarbeitet. Dazu wurden zwei basische, kristallwasserreiche Salzhydrate mit Schmelztemperaturen im Umgebungstemperaturbereich als Kernmaterialien und anorganisch-organische Hybridpolymere mit kovalent verbundenen anorganischen und organischen Struktureinheiten (ORMOCER®e) als Verkapselungsmaterial verwendet. Der Prozess verläuft grenzflächenselektiv in der flüssigen Phase, initiiert durch die basischen LWS, in Form einer auch bei milden Temperaturen ablaufenden Michael-Typ-Addition zwischen Acrylat- (Acr) und Thiolmonomeren (SH). Optimierte Verkapselungsergebnisse wurden mit Hybridmonomeren erreicht, deren funktionelle Gruppen in einem unstöchiometrischen Verhältnis von Acr:SH ≈ 5:1 vorlagen und über das anorganische Rückgrat vorverknüpft waren. Bei Verwendung eines Mikrodosiersystems wurden gleichmäßige, geschlossene Mikrokapseln mit Durchmessern von etwa 40–50 µm bei Schichtdicken von < 5 µm erhalten. Aufgrund einer zu geringen inhärenten Barrierewirkung der verwendeten Hybridpolymere gegenüber Wasserdampf konnten jedoch erhebliche Kristallwasserverluste nicht verhindert werden, sodass die erhaltenen Mikrokapseln noch nicht zur Anwendung als LWS geeignet sind. Da die beobachtete Tolerierung und sogar Bevorzugung für das deutliche Missverhältnis zwischen den polymerisierenden Gruppen für eine Stufenpolymerisation sehr ungewöhnlich ist, wurden an Modellsystemen Untersuchungen zur Aufklärung des Reaktionsmechanismus vorgenommen. Dazu wurde zunächst ein Mercaptosiloxan (MS) hergestellt, dessen Ringgrößen- bzw. Funktionalitätsverteilung mittels 29Si-NMR- und GPC-Messungen sehr gut aufgeklärt werden konnte. Dieses wurde für Verkapselungsversuche mit Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA) kombiniert und das Verhältnis funktioneller Gruppen Acr:SH systematisch variiert. An den erhaltenen Proben konnte via µ-Raman-Tiefenscan-Untersuchungen der Einfluss der Harzzusammensetzung auf die Kapselschichten aufgeklärt werden. Während bei Acr:SH = 1:1 maximale Schichtdicken erhalten wurden, ergaben sich bei Acrylatüberschuss von 4:1 bis 6:1 optimierte Schichten im Sinne der Vorgaben, die gleichmäßig dünn und vollständig waren. Bei Thiolüberschuss wurden dagegen keine vollständig ausgebildeten Schichten erhalten. Das für die LWS-Verkapselungen verwendete Modellsystem TMPTA/MS wurde zusätzlich in Volumenpolymerisationen in homogener organischer Phase untersucht, die mit der Base Triethylamin initiiert wurden. Dabei wurden die stöchiometriebezogenen Vergelungsgrenzen bestimmt. Die detektierte Grenze bei Acr:SH < 5:1 für Acrylatüberschuss lag signifikant unterhalb von Verhältnissen funktioneller Gruppen, für die in Verkapselungsversuchen noch geschlossene Schichten erhalten wurden. Entlang der flüssig-flüssig-Grenzfläche wird somit der Gelpunkt lokal innerhalb eines breiteren Bereichs des Verhältnisses funktioneller Gruppen in der Harzmischung erreicht, als bei einer Polymerisation im gesamten Volumen. Durch weitergehende Untersuchungen zum Vernetzungsverhalten in Abhängigkeit vom Verhältnis funktioneller Gruppen weiterer Acrylat- und Thiolmonomere mit anderen (durchschnittlichen) Funktionalitäten konnte das grundsätzliche Vorliegen eines Stufenmechanismus untermauert werden. Aus einer Kombination der Flory-Stockmayer-Theorie mit der Carothers’schen Gleichung konnten theoretische Vergelungsgrenzintervalle hergeleitet werden. Die experimentell bestimmten Vergelungsgrenzen standen in vollständiger Übereinstimmung mit den theoretisch errechneten Intervallen. Innerhalb des Modellsystems TMPTA/MS konnten zudem weitere Materialeigenschaften bestimmt und zusätzliche Erkenntnisse zum Vernetzungsverhalten gewonnen werden. Durch In-situ-Messungen mittels µ-Raman-Spektroskopie wurde die Entwicklung der Umsetzungsgrade N(C=C) und N(S–H) von Acrylat und Thiol im Verlauf der Reaktionszeit untersucht. Dabei wurden einige Einschränkungen der verwendeten Messmethode identifiziert und beschrieben. Mittels in-situ-mechanischer Spektroskopie nach Chambon und Winter konnte weiterhin das Vergelungsverhalten des Systems in Abhängigkeit von Monomerzusammensetzung, Initiatorkonzentration und Temperatur und Unterschiede innerhalb der kritischen Gele systematisch charakterisiert werden. Die stabilsten kritischen Gele und kürzesten Gelzeiten wurden für hohe Basenkonzentrationen und bei stöchiometrischem Monomerverhältnis, aber auch für Acrylatüberschuss bis Acr:SH = 3:1, erhalten. Damit konnte auch innerhalb der Volumenpolymerisationen eine Bevorzugung des untersuchten Monomersystems für Acrylatüberschuss nachgewiesen werden. Weiterhin wurde das Geschwindigkeitsgesetz der Reaktion aufgeklärt. Es ergab sich bis zum Gelpunkt, zu je erster Ordnung in den beiden Monomeren und der Initiatorbase. Außerdem wurde die Aktivierungsenthalpie der Polymerisation in homogener Phase mittels einer Arrhenius-Auftragung bestimmt. / In the framework of this thesis, an approach to the microencapsulation of inorganic phase change materials (PCM) was developed. Two alkaline salt hydrate mixtures with high amounts of crystal water and melting ranges at ambient temperature were chosen as core materials. These were encapsulated using hybrid polymers, i.e. materials with covalently connected inorganic and organic moieties (ORMOCER®s). The process developed proceeds as a Michael-type addition polymerization of thiol (SH) to acrylate (Acr) monomers, selectively under mild reaction conditions at the liquid-liquid interface, and it is initiated by the PCM core. Best encapsulation results were obtained using hybrid monomers with organic functional groups, being covalently linked via the inorganic backbone, at a ratio of Acr:SH ≈ 5:1. If a microdispenser was employed to dose the PCM, uniform and enclosed microcapsules of 40–50 µm diameter and < 5 µm coating thickness were produced. The achieved encapsulation performance is a promising improvement towards a hermetic microencapsulation of inorganic PCM. However, due to the inherently too high water vapor permeability of the employed hybrid polymers, the capsules loose water gradually. Therefore, this still inhibits an application as PCM materials for ambient temperatures. Since the preference for off-stoichiometric polymerizing groups which was found is exceptional for a step-growth polymerization, the reaction mechanism was further investigated using a model system. For that purpose, a mercaptosiloxane (MS) was synthesized, whose inorganic condensation was almost exhaustive, and the siloxane ring size and SH functionality distribution, respectively, was well ascertainable through 29Si-NMR and GPC measurements. This material was combined with trimethylolpropane triacrylate (TMPTA) for encapsulation experiments, and the ratio Acr:SH was systematically varied. The influence of the resins’ acrylate to thiol ratio on the encapsulation performance was elucidated by µ-Raman depth scan measurements of the resulting capsules. With a stoichiometric ratio of Acr:SH = 1:1, a maximum coating thickness was obtained, but a significant acrylate excess of about Acr:SH = 4:1 to 6:1 yielded optimized results with respect to the applications requirements: even, thin, and complete coatings. In contrast, no homogeneous coatings were attained with thiol excess in the material. The model system TMPTA/MS was also employed for bulk polymerizations in a homogeneous organic medium, initiated by triethylamine, which allowed the detection of the critical molar ratios (CMR) of TMPTA/MS. The experimental CMR for acrylate excess at Acr:SH < 5:1 was significantly lower than molar ratios that allowed complete PCM capsule coatings. Therefore, the local CMR at the liquid-liquid phase boundary appeared to be considerably enlarged compared to the polymerization in bulk. In the framework of this thesis, an approach to the microencapsulation of inorganic phase change materials (PCM) was developed. Two alkaline salt hydrate mixtures with high amounts of crystal water and melting ranges at ambient temperature were chosen as core materials. These were encapsulated using hybrid polymers, i.e. materials with covalently connected inorganic and organic moieties (ORMOCER®s). The process developed proceeds as a Michael-type addition polymerization of thiol (SH) to acrylate (Acr) monomers, selectively under mild reaction conditions at the liquid-liquid interface, and it is initiated by the PCM core. Best encapsulation results were obtained using hybrid monomers with organic functional groups, being covalently linked via the inorganic backbone, at a ratio of Acr:SH ≈ 5:1. If a microdispenser was employed to dose the PCM, uniform and enclosed microcapsules of 40–50 µm diameter and < 5 µm coating thickness were produced. The achieved encapsulation performance is a promising improvement towards a hermetic microencapsulation of inorganic PCM. However, due to the inherently too high water vapor permeability of the employed hybrid polymers, the capsules loose water gradually. Therefore, this still inhibits an application as PCM materials for ambient temperatures. Since the preference for off-stoichiometric polymerizing groups which was found is exceptional for a step-growth polymerization, the reaction mechanism was further investigated using a model system. For that purpose, a mercaptosiloxane (MS) was synthesized, whose inorganic condensation was almost exhaustive, and the siloxane ring size and SH functionality distribution, respectively, was well ascertainable through 29Si-NMR and GPC measurements. This material was combined with trimethylolpropane triacrylate (TMPTA) for encapsulation experiments, and the ratio Acr:SH was systematically varied. The influence of the resins’ acrylate to thiol ratio on the encapsulation performance was elucidated by µ-Raman depth scan measurements of the resulting capsules. With a stoichiometric ratio of Acr:SH = 1:1, a maximum coating thickness was obtained, but a significant acrylate excess of about Acr:SH = 4:1 to 6:1 yielded optimized results with respect to the applications requirements: even, thin, and complete coatings. In contrast, no homogeneous coatings were attained with thiol excess in the material. The model system TMPTA/MS was also employed for bulk polymerizations in a homogeneous organic medium, initiated by triethylamine, which allowed the detection of the critical molar ratios (CMR) of TMPTA/MS. The experimental CMR for acrylate excess at Acr:SH < 5:1 was significantly lower than molar ratios that allowed complete PCM capsule coatings. Therefore, the local CMR at the liquid-liquid phase boundary appeared to be considerably enlarged compared to the polymerization in bulk. Further analysis of experimental CMR values for other acrylate and thiol monomers with different functionalities confirmed the step-growth behavior of the investigated reaction. By a combination of the theoretical CMRSt after Dušek et al., which is based on the Flory-Stockmayer theory, and the Carothers’ equation, theoretical CMR intervals were derived. The experimentally determined CMRs were all located well within these calculated ranges. For the model system TMPTA/MS, further material properties and additional results on the crosslinking performance were achieved. The conversion progress of acrylate and thiol during polymerization was followed via in situ µ-Raman measurements. This also has revealed some limitations of this spectroscopic method which were specified and considered for data evaluation and interpretation. The gelation characteristics and properties of the critical gels as a function of acrylate to thiol ratio, initiator concentration, and temperature were investigated in situ by means of the mechanical spectroscopy approach after Chambon and Winter. Stiffest critical gels and shortest gelation times were detected at high initiator concentrations and for stoichiometric monomer mixtures as well as for acrylate excess up to Acr:SH = 3:1. Thus, it was possible to prove a preference of this monomer system for an acrylate excess also in bulk polymerizations. Furthermore, the overall rate equation for the polymerization of TMPTA and MS was determined to be third order, and first order in each monomer concentration and in the initiator concentration, respectively, up to the gel point. Finally, the activation enthalpy for the bulk polymerization was found to amount to (18,3 ± 0,7) kJ/mol by means of an Arrhenius plot.