Magnetische multifunktionale Nanopartikel für die Implantat-dirigierte Wirkstoffanlieferung

Abstract

The targeted treatment of implant-associated infections and organ diseases represents great challenges for physicians concerning the demographic change. For systemic treatment, high drug levels are often necessary to achieve an adequate concentration at the target location, which in turn increases the risk of undesirable side effects and resistance to antimicrobial drugs. The focus of this dissertation is therefore the development, production and characterization of different magnetic core-shell particle systems as drug carriers for targeted, effective treatment. Implant-directed magnetic drug targeting (ID-MDT) offers a promising approach for the selective treatment of implant-associated infections. In this concept, magnetic nanoparticles serve as drug carriers with the combined utilization of an external magnetic field and magnetizable implants. In the first part of this work, magnetic nanoporous silica nanoparticles (MNPSNPs) with superparamagnetic cores and a multifunctional highly porous silica shell as drug carriers are presented. Here, the focus is on particle and pore size adjustment as well as a specific modification with organic fluorophores, polyethylene glycol (PEG), periodic mesoporous organosilica (PMO) and the characterization of the associated material properties. The second part describes the application of the presented multifunctional particles as drug release systems. Using the antibiotic drug enrofloxacin, the influence of different modifications on the release profile is shown. In the third and final part of this thesis, magnetic silica particles (MSPs) serve as drug carriers for another variant of magnetic drug targeting (MDT). Here, after particle uptake by macrophages, a controlled release of drugs for the targeted treatment of organ diseases using hyperthermia is possible.

Die zielgerichtete Behandlung von Implantat-assoziierten Infektionen und Organerkrankungen stellt die Mediziner in Anbetracht des demographischen Wandels vor große Herausforderungen. So sind für eine systemische Behandlung häufig hohe Wirkspiegel für das Erreichen einer adäquaten Konzentration am Zielort notwendig, welche wiederum das Risiko von unerwünschten Nebenwirkungen und zunehmenden Resistenzen gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen erhöhen. Der Fokus der vorliegenden Dissertation liegt daher in der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von unterschiedlichen magnetischen Kern-Schale-Partikelsystemen als Wirkstoffträger für eine zielgerichtete effektive Behandlung. Das Implantat-dirigierte magnetische Wirkstoff-Targeting (ID-MDT) bietet hier einen vielversprechenden Ansatz zur selektiven Behandlung von Implantat-assoziierten Infektionen. Bei diesem Prinzip dienen magnetische Nanopartikel als Wirkstoffträger unter kombinierten Einsatz eines externen angelegten magnetischen Feldes und magnetisierbaren Implantaten. Im ersten Teil dieser Arbeit werden magnetische nanoporöse Silica-Nanopartikel (MNPSNPs) mit superparamagnetischen Kernen und einer multifunktionalen hochporösen Silica-Schale als Wirkstoffträger vorgestellt. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Partikel- und Porengrößeneinstellung sowie der gezielten Funktionalisierung mit organischen Fluorophoren, Polyethylenglycol (PEG), periodisch mesoporösem Organosilica (PMO) sowie der Charakterisierung der damit verbundenen Materialeigenschaften. Der zweite Teil beschreibt den Einsatz der vorgestellten multifunktionalen Partikel als Wirkstofffreisetzungssysteme. Anhand des Antibiotikums Enrofloxacin wird dabei der Einfluss unterschiedlicher Modifizierungen auf das Freisetzungsprofil gezeigt. Im dritten und letzten Teil dieser Dissertation dienen magnetische Silica-Partikel (MSPs) als Wirkstoffträger für eine weitere Variante des magnetischen Wirkstoff-Targetings (MDT). Hierbei ist nach einer Partikelaufnahme durch Makrophagen unter Einsatz von Hyperthermie eine gesteuerte Freisetzung von Wirkstoffen für die zielgerichtete Behandlung von Organerkrankungen möglich.