Nanokapseln schützen empfindliche Produkte in Kosmetika und Lebensmitteln, bringen Pharma-Wirkstoffe gezielter zum Einsatz, etwa indem diese im Körper erst unter bestimmten Bedingungen freigesetzt werden, und sind auch sonst von großem Interesse. Schweizer Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt einen neuen Typus vor: Hohle Carbon-Bläschen aus drei bis vier graphitartig aufgebauten Lagen aus Kohlenstoffatomen. Sie sind gut wasserlöslich, können hydrophobe Moleküle spontan aufnehmen und setzen sie erst wieder frei, wenn die Konzentration in der Umgebung sehr gering wird – gute Voraussetzungen für einen Wirkstoff-Transporter, der seine Fracht über einen längeren Zeitraum freisetzt.

Nanokapseln auf der Basis reinen Kohlenstoffs sind von besonderem Interesse, weil sie inert und biokompatibel sind. Die bekannteste Form von Kohlenstoff-Hohlkugeln sind Fullerene. Ihr grundlegendes Strukturelement sind sechseckige Waben analog einer Lage Graphit. Fullerene sind jedoch viel zu klein, um als Kapseln zu dienen. Andere, größere Kohlenstoff-Hohlkugeln haben oft große Löcher, weisen nur einen niedrigen Anteil graphitischer Strukturen auf oder lassen sich nicht mit organischen Molekülen beladen.

Die Wissenschaftler um Wendelin J. Stark von der ETH Zürich haben jetzt einen neuen Typ graphitischer Kohlenstoffnanokapseln mit hydrophober Innen- und hydrophiler Außenseite entwickelt. Das ist ideal für wasserunlösliche Wirkstoffe, die z.B. durch das wässrige Milieu unseres Körpers geschleust werden müssen.

Die Synthese geht von kohlenstoffbeschichteten Kobalt-Nanopartikeln aus, auf die die Forscher negativ geladene Polymerketten aufwachsen lassen – wegen der Metallkerne passiert das ausschließlich auf der Bläschenoberfläche. Die Ketten sorgen für eine hohe Wasserlöslichkeit und verhindern ein Verklumpen der Kapseln. Am Ende werden die Metallkerne mit Säure herausgelöst.

Bei der Beladung der Bläschen mit Rhodamin B zeigte sich ein interessanter Effekt: Der hydrophobe Fluoreszenzfarbstoff reichert sich spontan in den Bläschen an – gegen den Konzentrationsgradienten. Vermutlich verhalten sie die Bläschen ähnlich wie z.B. Öltröpfchen in wässriger Phase. Schlecht wasserlösliche Substanzen wandern in einem solchen System bevorzugt in die Ölphase.

Freigesetzt wird der Farbstoff erst, wenn die Außenkonzentration stark verringert wurde. Be- und Entladung zeigen eine unerwartete Hysterese. Die Forscher vermuten, dass das im Inneren der Bläschen akkumulierte Rhodamin B eine Art Tröpfchen bildet – analog einer Öl-in-Wasser-Emulsion. In dieser Form ist der Farbstoff in einem relativ stabilen Zustand, sodass die Freisetzung erst bei einer deutlich niedrigeren Konzentration der umgebenden Lösung einsetzt, als vom Verlauf der Beladung her zu erwarten wäre.

Die befüllbaren Nanokapseln sind mechanisch stabil und bilden stabile Emulsionen mit fast unbegrenzter Lebensdauer. Dieser Ansatz ist interessant für die Herstellung neuartiger Nanotransporter.


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Quelle: Informationsdienst Wissenschaft e. V. / Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (06/2016)


Publikation:
Angewandte Chemie: Presseinfo 17/2016
Wendelin Stark, ETH Zürich
http://dx.doi.org/10.1002/ange.201602745