DE10214226B4 - Drug carrier, process for its preparation and use - Google Patents
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Abstract
Wirkstoffträger mit einem durch überkritische Trocknung hergestellten hydrophilen Metalloxid-Aerogel oder Silica-Aerogel
dadurch gekennzeichnet, dass
die räumliche Struktur des Aerogels (2) mit mindestens einem Wirkstoff (1) beladen ist, wobei die Beladung mit dem Wirkstoff mittels eines überkritischen Gases, in dem der Wirkstoff (1) gelöst ist, erfolgt und
wobei die räumliche Struktur mit Wasser oder einer wässrigen Elektrolytlösung als einem Lösungsmittel (10) zur Freisetzung am Wirkort mindestens eines Wirkstoffes (1) zerstörbar ist.Drug carrier with a produced by supercritical drying hydrophilic metal oxide airgel or silica airgel
characterized in that
the spatial structure of the airgel (2) is loaded with at least one active substance (1), the loading of the active substance being carried out by means of a supercritical gas in which the active substance (1) is dissolved, and
wherein the spatial structure with water or an aqueous electrolyte solution as a solvent (10) for release at the site of action of at least one active substance (1) is destructible.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirkstoffträger nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung des Wirkstoffträgers nach Anspruch 12 und eine Verwendung des Wirkstoffträgers nach Anspruch 9.The The present invention relates to a drug carrier according to claim 1, a method for the preparation of the drug carrier according to claim 12 and a use of the active ingredient carrier according to Claim 9.
Die Wirkungen und Nebenwirkungen von Wirkstoffen, wie z. B. Arzneistoffen oder Geruchsstoffen sind meist abhängig von der Geschwindigkeit und dem Ausmaß ihres Erscheinens am Wirkort. Bei Arzneistoffen z. B. der Bioverfügbarkeit. Die Adsorption eines Wirkstoffs in den Körper erfordert die vorherige Freisetzung aus einer Arzneiform in eine gelöste Form. Es ist daher ein Ziel, die vorhandenen Arzneistoffe in einer therapeutisch optimalen Arzneiform anzubieten.The Effects and side effects of drugs such. B. drugs or odors are mostly dependent on the speed and the extent of her Appearing at the site of action. For drugs z. B. bioavailability. The adsorption of an active substance in the body requires the previous one Release from a drug form into a dissolved form. It is therefore one Goal, the existing drugs in a therapeutically optimal To offer dosage form.
Eine von vielen Möglichkeiten, die Freigabe des Wirkstoffes im Körper zu kontrollieren, ist die Benutzung von sogenannten Hilfsstoffen. Hilfsstoffe sind definiert als Substanzen die es ermöglichen, Arzneistoffe oder Stoffe besonderer Eigenschaften (beide werden zusammen hier als Wirkstoffe bezeichnet) in einer entsprechende Zubereitungsform zu bringen und die des weiteren geeignet sind, die Eigenschaften einer Arzneiform zu verbessern. Zu Hilfsstoffen gehören auch die Trägermaterialien, die selbst keine Wirkstoffe sind, sondern nur dazu dienen, die entsprechenden Wirkstoffe aufzunehmen und im Körper wieder freizugeben. Die Wirkstoffe werden auf eine oder andere Weise auf das Trägermaterial gebracht, oder darin gelöst: Einbettungs- und Gerüstarzneiformen.A of many possibilities is to control the release of the drug in the body the use of so-called adjuvants. Excipients are defined as substances that make it possible Drugs or substances with special properties (both together referred to herein as active ingredients) in a corresponding To bring preparation form and which are further suitable, to improve the properties of a dosage form. To excipients belong also the carrier materials, which are themselves no active ingredients, but only serve the corresponding Absorb active substances and in the body release again. The active ingredients are in one way or another on the carrier material brought or solved in: Embedding and scaffolding medicines.
Der Unterschied zwischen beiden Formen besteht darin, dass die aus einer porösen, unlöslichen und unverdaulichen Matrix bestehenden Gerüsttabletten den Wirkstoff durch Lösungs- und Diffusionsvorgänge unter Beibehaltung der ursprünglichen Komprimatform und -größe freigeben, während die nach dem Einbettungsprinzip hergestellten möglichst porenfreie Zubereitungen (Kapseln, zerfallende Tabletten oder Errosionstabletten) darstellen. Der Wirkstoff wird in diesem Fall durch Diffusion aus den Einzelpartikeln freigegeben.Of the Difference between the two forms is that of a porous insoluble and indigestible matrix existing scaffold tablets through the drug solvent and diffusion processes while preserving the original Release the form and size of the tablet, while the most porous preparations prepared according to the embedding principle (Capsules, disintegrating tablets or erosion tablets). The active substance is in this case by diffusion from the individual particles Approved.
Dadurch wird auch der Freigabemechanismus beeinflusst. Je nach dem gewünschten Freigabemechanismus (schnelle oder verzögerte Freisetzung) werden verschiedene Wirkstoffträger benutzt. Folgende Stoffe seien als Beispiele genannt: Fette, Partialglyceride, Wachse, Polyacrylate, Lactose, Stärkesorten. Als poröse Stoffträger wird häufig hochdisperses Siliciumdioxid (Aerosil) verwendet. Durch Auftragen des Wirkstoffes auf den porösen Träger wird seine Oberfläche stark vergrößert. Dies verbessert meist die Freisetzungskinetik.Thereby the release mechanism is also affected. Depending on the desired Release mechanism (fast or delayed release) will be different excipient used. The following substances are mentioned as examples: fats, partial glycerides, Waxes, polyacrylates, lactose, starches. As a porous substance carrier is often fumed silica (Aerosil) used. By applying of the active ingredient on the porous carrier becomes his surface greatly enlarged. This usually improves the release kinetics.
Aus
der
Nachteilig ist dabei, dass nach dem Trocknen immer noch Reste des Lösungsmittels im Pulver enthalten sind. Dies ist aus medizinischen, hygienischen oder auch geschmacklichen Gründen unerwünscht. Auch wird durch das Lösen im flüssigen Lösungsmittel die dreidimensionale Struktur des Aerogels mit seiner hohen Porosität zerstört. Damit büßt das Aerogel einen Teil seiner wertvollen Eigenschaften ein.adversely is that after drying still residues of the solvent contained in the powder. This is medical, hygienic or for taste reasons undesirable. Also, by solving in the liquid solvent destroyed the three-dimensional structure of the airgel with its high porosity. In order to loses the airgel a part of its valuable properties.
Die
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wirkstoffträger auf Aerogelbasis bereitzustellen, der keine unerwünschten Lösungsmittel enthält und eine effiziente Freisetzung des Wirkstoffes erlaubt.The The object of the present invention is to provide a drug carrier Airgelbasis provide that contains no unwanted solvents and a efficient release of the drug allowed.
Diese Aufgabe wird durch einen Wirkstoffträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a drug carrier with the features of the claim 1 solved.
Der Wirkstoffträger weist ein durch überkritische Trocknung hergestelltes hydrophiles Metalloxid-Aerogel oder Silicia-Aerogel auf, dessen räumliche Struktur mit mindestens einem Wirkstoff beladen ist, wobei die Beladung mit dem Wirkstoff mittels eines überkritischen Gases, in dem der Wirkstoff gelöst ist, erfolgt und wobei die räumliche Struktur, die eine hohe Porosität aufweist, mit Wasser oder einer wässrigen Elektrolytlösung als einem Lösungsmittel zur Freisetzung am Wirkort mindestens eines Wirkstoffs zerstörbar ist. Bei der Zerstörung der räumlichen Struktur des Aerogels wird der Wirkstoff sehr schnell dort freigesetzt, wo er benötigt wird, nämlich am Wirkort. Unter Wirkort wird hier der Ort verstanden, an dem ein Wirkstoff vom Wirkstoffträger in ein anderes System übergeht. Bei einem Arzneiwirkstoff ist das z. B. der Übergang zu einem Gewebe. Unter einem Lösungsmittel werden hier Flüssigkeiten verstanden, die bei Raumtemperatur den kritischen Punkt nicht erreicht haben.Of the excipient indicates by supercritical Drying produced hydrophilic metal oxide airgel or silica airgel on whose spatial Structure is loaded with at least one active substance, the loading with the active ingredient by means of a supercritical Gases in which the active ingredient dissolved is, takes place and where the spatial Structure that has a high porosity with water or an aqueous electrolyte solution as a solvent for release at the site of action of at least one active ingredient is destructible. In the destruction the spatial Structure of the airgel, the active ingredient is released there very quickly, where it is needed namely at the site of action. The term "place of action" here means the place where a Active substance from the active substance carrier in another system passes. For a drug z. B. the transition to a tissue. Under a solvent become liquids here understood that does not reach the critical point at room temperature to have.
Damit nutzt der erfindungsgemäße Wirkstoffträger die sehr schnelle Zerstörbarkeit des Aerogels in einem Lösungsmittel aus, so dass die chemischen und mechanischen Eigenschaften des Aerogels in aktiver, d. h. nicht als bloßes Adsorbens, Weise genutzt werden. Das Aerogel selbst sorgt durch dessen schnellen Zerfall für die Freisetzung des Wirkstoffes und nimmt somit aktiv teil.In order to uses the drug carrier according to the invention the very fast destructibility of the airgel in a solvent out, so that the chemical and mechanical properties of the airgel in active, d. H. not as mere Adsorbent, way be used. The airgel takes care of itself its rapid decay for the release of the active ingredient and thus participates actively.
Mit einem erfindungsgemäßen Aerogel als Träger von Wirkstoffen zum Zwecke einer definierten Wirkstofffreisetzung ist es möglich, eine bisher nicht beachtete Eigenschaft des Aerogels auszunutzen, nämlich die Eigenschaft, dass ein Aerogel quasi ein erstarrtes Lösungsmittel ist, d. h. der Wirkstoff ist räumlich im Aerogel wie in einem Lösungsmittel zwar fixiert aber jeweils als Einzelmolekül (monomolekular).With an airgel according to the invention as a carrier of active substances for the purpose of a defined release of active ingredient Is it possible, exploit a hitherto unnoticed property of the airgel, namely the property that an airgel is virtually a solidified solvent is, d. H. the active substance is spatially in the airgel as in a solvent although fixed in each case as a single molecule (monomolecular).
Das erfindungsgemäße Prinzip des Wirkstoffträgers ist besonders gut umsetzbar, wenn das verwendete Adsorbens sehr schnell mit dem Lösungsmittel reagiert und die adsorbierten Wirkstoffe in ihrer Position, die sie auf dem Adsorbens besaßen, direkt vom Lösungsmittel aufgenommen werden. Das Prinzip wird später beispielhaft für Silica Aerogele als Adsorbens, Wasser als Lösungsmittel und organische Stoffe als Wirkstoffe demonstriert.The inventive principle of the drug carrier is particularly well implemented, if the adsorbent used very fast with the solvent reacts and the adsorbed active ingredients in their position, the they had on the adsorbent, directly from the solvent be recorded. The principle later becomes exemplary for silica Aerogels as adsorbent, water as solvent and organic Substances demonstrated as active ingredients.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wirkstoffträgers weist das Aerogel ein Siliziumoxid-Gitter auf. Solche Aerogele sind relativ leicht herstellbar und leicht mit einem Wirkstoff beladbar.at an advantageous embodiment of the drug carrier according to the invention has the airgel on a silicon oxide lattice on. Such aerogels are relative easy to prepare and easy to load with an active ingredient.
Ein polares oder unpolares Lösungsmittel weist zusammen mit einem darin gelösten Stoff eine bestimmte Struktur auf, in der Moleküle, Ionen oder Atome der gelösten Substanz räumlich in einer bestimmten Weise um die Moleküle des Lösungsmittels angeordnet sind. Diese räumlichen Verhältnisse liegen bei dem Aerogel mit dem Wirkstoff quasi in "erstarrter Form" vor.One polar or nonpolar solvent has a certain structure together with a substance dissolved in it on, in the molecules, Ions or atoms of the dissolved ones Substance spatially arranged in a certain way around the molecules of the solvent. This spatial conditions are in the airgel with the active ingredient virtually in "solidified form" before.
Die Aerogele werden so hydrophil hergestellt, dass sie mit dem Lösungsmittel Wasser sehr schnell zu einem gelartigen Produkt reagieren, wobei die Masse des Aerogels aufgrund der niedrigen Dichte sehr klein ist.The Aerogels are made so hydrophilic that they are mixed with the solvent Water react very quickly to a gel-like product, taking the mass of the airgel is very small due to the low density.
Vorteilhafterweise weist das Aerogel eine Bulkdichte im Bereich von 0,003 g/ml bis 0,3 g/ml auf. Auch ist es vorteilhaft, wenn das Aerogel eine innere Oberfläche von mindestens 300 m2/g und/oder eine Porosität von mehr als 90% aufweist. Diese Aerogele sind zur Beladung mit Wirkstoffen besonders gut geeignet.Advantageously, the airgel has a bulk density in the range of 0.003 g / ml to 0.3 g / ml. It is also advantageous if the airgel has an inner surface of at least 300 m 2 / g and / or a porosity of more than 90%. These aerogels are particularly well suited for loading with active ingredients.
Vorteilhafterweise weist der Wirkstoff mindestens eine pharmazeutisch wirksame Substanz, eine kosmetische Substanz, einen Riechstoff, einen Geschmacksstoff und/oder ein Farbpigment auf. Der Wirkstoff kann auch somit aus einer Kombination von verschiedenen Stoffen bestehen, z. B. einer Kombination von Riech- und Geschmacksstoff.advantageously, the active substance comprises at least one pharmaceutically active substance, a cosmetic substance, a fragrance, a flavoring and / or a color pigment. The active ingredient can thus also be made a combination of different substances, eg. B. one Combination of fragrance and flavor.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße, schnelle und kontrollierte Freisetzung des (ersten) Wirkstoffes mit einer verzögerten Freisetzung eines zweiten Wirkstoffes, der mit dem ersten Wirkstoff identisch sein kann, gekoppelt wird. Dies kann mit einem zweiten Wirkstoffträger zur verzögerten Freisetzung des zweiten Wirkstoffes geschehen und/oder dadurch, dass der zweite Wirkstoff in einer Form vorliegt, die eine verzögerte Freisetzung des zweiten Wirkstoffes bewirkt. Durch eine solche Gestaltung kann z. B. eine Depotwirkung im Organismus erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn der zweite Wirkstoff in kristalliner Form vorliegt.It is likewise advantageous if the inventive, rapid and controlled release of the (first) active substance is coupled with a delayed release of a second active substance, which may be identical to the first active ingredient. This may be done with a second drug carrier for sustained release of the second drug and / or in that the second drug is in a form that causes a delayed release of the second drug. By such a design z. B. a depot effect can be achieved in the organism. It is particularly advantageous if the second active ingredient is in crystalline form.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Das Aerogel wird bei überkritischen Bedingungen getrocknet. Bereits während dieser Trocknung und/oder daran anschließend findet die Beladung des Aerogels durch Adsorption mit mindestens einem Wirkstoff innerhalb von 0,1 bis 20 Stunden statt. Damit wird eine ausreichende Konzentration des Wirkstoffs im Aerogel erreicht.The Task is also performed by a method having the features of the claim 12 solved. The airgel is at supercritical Conditions dried. Already during this drying and / or after that finds the loading of the airgel by adsorption with at least an active ingredient within 0.1 to 20 hours instead. This will be achieved a sufficient concentration of the active ingredient in the airgel.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Beladung aller möglichen Aerogele, auch von Aerogelen mir sehr geringen Dichten, unabhängig von deren Herstellungsverfahren. Die Struktur der Aerogele wird dabei nicht beeinträchtigt. Außerdem wird der Einsatz von allen Aerogelen als Trägermaterial von Wirkstoffen ermöglicht. Die Freisetzung wird durch die höhere Porosität verbessert.The inventive method allows the loading of all possible Aerogels, also of aerogels with very low densities, independent of their production process. The structure of the aerogels will be included not impaired. Furthermore the use of all aerogels as a carrier material of active ingredients is made possible. The release is due to the higher porosity improved.
Das erfindungsgemäße Verfahren enthält die folgenden Verfahrensschritte
- a) ein Metall-Alkoxid wird mit einer unterstöchiometrischen Menge Wasser und so viel geeignetem Lösungsmittel, dass eine flüssige Phase gebildet wird, mit einem Katalysator zur Reaktion gebracht,
- b) diese Mischung wird anschließend mit so viel Wasser, dass die stöchiometrische Menge erreicht wird, und so viel geeignetem Lösungsmittel versetzt, dass sich eine flüssige Phase bildet und die Zieldichte erreicht wird,
- c) die Mischung aus a) wird einem Druckbehälter zugeführt und mit einer geeigneten Menge Kohlendioxid als Reaktionspartner versetzt,
- d) die Reaktion wird bei Temperaturen von 20–150°C und dem sich aus dem gelösten Kohlendioxid ergebenden Druck zu einem Metalloxid-Gel geführt,
- e) die Reaktionsmischung wird mit einem Metalloxid-Gel ohne Bewegung des Druckbehälters bei Reaktionstemperatur mindestens 1 Stunde, bevorzugt 8–12 Stunden, gealtert und anschließend
- f) wird ein Aerogel hergestellt, indem alle Komponenten außer dem Metalloxid-Gel aus der Reaktionsmischung aus Merkmal d) mit einer überkritischen Substanz extrahiert werden und
- g) anschließend wird mindestens ein Wirkstoff adsorptiv aus einem überkritischen Gas an das entstandene Aerogel gebunden.
- a) a metal alkoxide is reacted with a catalyst with a substoichiometric amount of water and enough solvent to form a liquid phase,
- b) this mixture is then treated with enough water to reach the stoichiometric amount and enough solvent to form a liquid phase and reach the target density,
- c) the mixture of a) is fed to a pressure vessel and admixed with a suitable amount of carbon dioxide as the reactant,
- d) the reaction is conducted at temperatures of 20-150 ° C and the resulting from the dissolved carbon dioxide pressure to a metal oxide gel,
- e) the reaction mixture is aged with a metal oxide gel without moving the pressure vessel at the reaction temperature for at least 1 hour, preferably 8-12 hours, and then
- f) an airgel is prepared by extracting all components except the metal oxide gel from the reaction mixture of feature d) with a supercritical substance, and
- g) then at least one active compound is bound adsorptively from a supercritical gas to the resulting airgel.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die überkritische Substanz Kohlendioxid ist, da dessen überkritische Eigenschaften besonders gut bekannt sind. Auch ist Kohlendioxid ungiftig und somit gerade im Arzneimittelbereich oder Lebensmittelbereich gut einsetzbar.there it is particularly advantageous if the supercritical substance is carbon dioxide is because of its supercritical Properties are particularly well known. Also is carbon dioxide non-toxic and therefore especially in the pharmaceutical sector or food sector good use.
Vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Wirkstoff eine pharmazeutisch wirksame Substanz, eine kosmetische Substanz und/oder ein Farbpigment aufweist. Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Wirkstoff im Aerogel in eine räumliche Struktur gebracht wird, die der eines Lösungsmittels entspricht.Advantageous it is when at least one active ingredient is a pharmaceutically active Substance, a cosmetic substance and / or a color pigment. It is also advantageous if at least one active substance in the airgel in a spatial Structure is brought, which corresponds to that of a solvent.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Metall-Alkoxid Tetramethyl- oder Tetraethyl-orthosilicat oder Alumiumsec-butoxid verwendet.In A further advantageous embodiment is as a metal alkoxide Tetramethyl or tetraethyl orthosilicate or alumium sec-butoxide used.
Vorteilhafte Reaktionstemperaturen zur Herstellung sind Temperaturen von 20–150°C, bevorzugt 20–60°C, besonders bevorzugt 40°C.advantageous Reaction temperatures for the preparation are temperatures of 20-150 ° C, preferably 20-60 ° C, especially preferably 40 ° C.
Die Aufgabe wird auch durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.The Task is also by use with the features of the claim 9 solved.
Vorteilhaft ist es, wenn der Wirkstoffträger in die räumliche Nähe seines Wirkortes gebracht wird, der Wirkstoffträger dann in einem Lösungsmittel aufgelöst wird, wodurch der mindestens eine Wirkstoff im Lösungsmittel freigesetzt wird. Die Freigabe des mindestens einen Wirkstoffes erfolgt dabei in kontrollierter Art, was ein Vorteil gegenüber der Lösung eines Wirkstoffes in einem fluiden Lösungsmittels ist, denn letztgenannter muss sich erst aus einem Molekülverband lösen.Advantageous is it when the drug carrier in the spatial Close to his Place of action is brought, the drug carrier then in a solvent disbanded is, whereby the at least one active ingredient is released in the solvent. The release of the at least one active ingredient takes place in controlled Kind of what an advantage over the solution of a Active substance in a fluid solvent is, because the latter has to be made of a molecule to solve.
Mit Vorteil ist das Lösungsmittel eine wässrige Lösung mit einem pH-Wert im Bereich von 1–10 und/oder reines Wasser und/oder eine wässrige Elektrolytlösung.With Advantage is the solvent an aqueous one solution with a pH in the range of 1-10 and / or pure water and / or an aqueous one Electrolyte solution.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung für den Wirkstoffträger ist ein Drug-delivery System in der Pharmazie.A is particularly advantageous use for the drug carrier a drug delivery system in pharmacy.
Ein Verfahren zur Herstellung von Aerogelen, das im Anhang zu dieser Erfindung näher beschrieben ist, erlaubt eine besonders effiziente Herstellung eines mit mindestens einem Wirkstoff beladenen Aerogels.One Process for the preparation of aerogels, attached to this Invention closer described, allows a particularly efficient production of a with at least one active substance loaded aerogels.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Wirkungsträger, seine Herstellung und seine Verwendung beispielhaft beschrieben.in the The following is the functional support according to the invention, its Production and its use described by way of example.
Aerogele
sind dreidimensionale Netzwerke, aus denen das Lösungsmittel entfernt wurde.
Sie haben Dichten von 0,003 bis 0,8 g/cm3.
Herstellung und Eigenschaften von Aerogelen sind prinzipiell z.
B. aus den US-Patentschriften
Der Alkohol sowie das Lösungsmittel werden aus dem Gel unter überkritischen Bedingungen des verwendeten Lösungsmittels entfernt.Of the Alcohol and the solvent become supercritical from the gel Conditions of the solvent used away.
Silica
Aerogele können
sowohl in einer hydrophilen als auch in einer hydrophoben Form hergestellt werden
(
Die
feine, offenporige Struktur von Aerogelen ermöglicht ihre Beladung z. B.
mit Kohlenstoffpartikeln, wie dies in der
Die Literatur beschreibt die Anwendung von Aerogelen als Adsorptionsmittel, z. B. zur Luftreinigung. Dafür kommen sowohl reine Silica-Aerogele als auch organisch modifizierte Aerogele in Frage. S. Yoda et al. (J. Mater. Chem., 10, 2000, 2151) haben TiO2-haltige Aerogele zur Entfernung von Benzol aus der Luft benutzt. Dabei wurden die Adsorption und photokatalytische Zerlegung von Benzol auf Aerogelen untersucht. Ahmed und Attia (Applied Thermal Engineering, 18, 1998, 787) haben die Adsorption von Schadgasen, wie NOx, CO, SO2, auf CaO und MgO-haltigen Aerogelen bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die entsprechenden Aerogele hohe Adsorptionskapazität besitzen.The literature describes the use of aerogels as adsorbents, e.g. B. for air purification. Both pure silica aerogels and organically modified aerogels come into question. S. Yoda et al. (J. Mater. Chem., 10, 2000, 2151) have used aerosols containing TiO 2 to remove benzene from the air. The adsorption and photocatalytic decomposition of benzene on aerogels was investigated. Ahmed and Attia (Applied Thermal Engineering, 18, 1998, 787) have determined the adsorption of noxious gases, such as NO x , CO, SO 2 , on CaO and MgO-containing aerogels. It could be shown that the corresponding aerogels have high adsorption capacity.
Aus
der
Der
Einsatz von Aerogelen im pharmazeutischen Bereich begrenzt sich
bisher auf die Verbesserung der Fließfähigkeiten von pulverförmigen Substanzen
(
Aus dem Stand der Technik ist somit nur bekannt, die passiven Eigenschaften, wie z. B. die Adsorptionseigenschaften der Aerogele bei der Luftreinigung zu benutzen.Out It is thus only known to the prior art that the passive properties, such as B. the adsorption properties of the aerogels in air purification to use.
Die erfindungsgemäße Verwendung nutzt Aerogele so, dass eine Veränderung der Aerogele selbst zur schnellen Freisetzung von Wirkstoffen führt. Dabei trägt das Aerogel selbst zur Freisetzung des Wirkstoffes bei.The use according to the invention uses aerogels so that a change the aerogels itself leads to the rapid release of active substances. there wear this Airgel itself to release the drug at.
Dem
liegt eine Modellvorstellung zugrunde, die anhand der
In
In
Wird
nun das Aerogel
Der
Wirkstoff
Schnell wirksame und schwer wasserlösliche Wirkstoffe, die z. B. oral aufgenommen werden, können durch ihre Umhüllung an verschiedenen Stellen des Organismus gezielt freigesetzt werden. Der Übergang in die Blutbahn des Organismus geschieht durch den Übergang durch die Membran-Zellwand. Diese Übertragung ist in jedem Fall umso schneller, je höher die augenblickliche lokale Konzentration ist. Diese hohe Konzentration muss extrapoliert augenblicklich hergestellt werden, da sich der Wirkstoff selbst in einem fließenden System, z. B. im Darm, befindet. Werden die Wirkstoffe z. B. kristallin eingesetzt, liegt eine bekannte, langsame Auflösungskinetik vor, die in der Regel nur durch die Größe der Kristalle und ihre Form beeinflusst werden kann. Es ist zu erwarten, dass nicht resorbierte Wirkstoffmengen ausgeschieden werden bzw. an Stellen gelangen, an denen sie nicht resorbiert werden sollen.Fast effective and poorly water-soluble Active ingredients, the z. B. orally, can by their enclosure to targeted release of various parts of the organism. The transition into the bloodstream of the organism happens through the transition through the membrane cell wall. This transfer is in any case the faster, the higher the current local concentration is. This high concentration must be prepared extrapolated immediately, since the Active ingredient even in a flowing system, z. B. in the intestine, is. If the active ingredients z. B. crystalline used, there is a known, slow dissolution kinetics, which in the Usually only by the size of the crystals and their shape can be influenced. It is expected that Unabsorbed drug amounts are excreted or in places arrive at which they are not to be resorbed.
Die Erfindung ermöglicht eine schnelle Freisetzung von Wirkstoffen, die auf dem Prinzip beruht, dass der Wirkstoff auf einem inerten adsorptiven Träger (Adsorbens) in der räumlich ähnlichen Anordnung adsorbiert ist, wie er später in einem Lösungsmittel als gelöster Stoff vorliegt. Dazu ist es notwendig, dass der adsorptive Träger mit dem Lösungsmittel eine schnelle Reaktion eingeht mit dem Ziel, die räumliche Struktur des Adsorbens zu zerstören. Besonders geeignet sind daher sehr leichte Adsorbentien.The Invention allows rapid release of active ingredients based on the principle that the active substance is based on an inert adsorptive carrier (adsorbent) in the spatially similar Arrangement is adsorbed, as he later in a solvent as solved Substance is present. For this it is necessary that the adsorptive carrier with the solvent a quick response goes to the goal, the spatial Destroy structure of the adsorbent. Very suitable are therefore very light adsorbents.
In einer Variante des Verfahrens zur Beladung des Aerogels mit einem Wirkstoff wird dieser in einem überkritischem Gas gelöst und in Kontakt mit dem Aerogel gebracht. Die Beladung findet durch Adsorption aus der überkritischen Lösung statt.In a variant of the method for loading the airgel with a Active ingredient is this in a supercritical Gas solved and brought into contact with the airgel. The loading takes place Adsorption from the supercritical solution instead of.
Die derart beladenen Aerogele werden als Träger von den medikamentösen Wirkstoffen eingesetzt. Die Freisetzungskinetik des erfindungsgemäß adsorbierten Wirkstoffes in wässrigen Medien ist schneller als die desselben Wirkstoffes aus einer kristallinen Form. Die schnelle Freisetzung des Wirkstoffes ist bei schwerlöslichen und schnell wirksamen Medikamenten sehr vorteilhaft.The such loaded aerogels are used as carriers of the drug substances used. The release kinetics of the invention adsorbed Active substance in aqueous Media is faster than the same active ingredient of a crystalline Shape. The rapid release of the drug is poorly soluble and fast acting drugs very beneficial.
Aufgrund der Erfindung wird verfahrenstechnischer Aufwand für die Konditionierung der Kristalle vermieden und es wird gleichzeitig eine schnelle Auflösungskinetik ermöglicht.by virtue of the invention is procedural effort for the conditioning The crystals are avoided and it is at the same time a fast dissolution kinetics allows.
Dazu werden in einem adsorptiven Träger (Adsorbens) gezielt solche Poren hergestellt, in denen ein molekular adsorbierter Wirkstoff in ähnlicher räumlicher Anordnung vorliegt, wie er in einem Lösungsmittel vorliegen würde. Aufgrund der molekularen Struktur des Wirkstoffes kann seine Modifikation weder kristallin noch amorph genannt werden. Ein zweiter notwendiger Schritt der erfindungsgemäßen Verwendung ist die Zerstörung des Netzwerkes des Adsorbens durch das Lösungsmittel in einer Geschwindigkeit, die höher ist als die, die z. B. durch van-der-Waals'sche Kräfte zu einer Agglomeration des Wirkstoffes führt. In Folge ist es notwendig, dass das Adsorbens keine große spezifische Masse besitzen darf, da es den „Umhüllungsprozess" des Wirkstoffes durch das Lösungsmittel sonst behindert.To be in an adsorptive carrier (Adsorbent) specifically produced such pores in which a molecular adsorbed drug in similar spatial Arrangement is present, as he would be present in a solvent. by virtue of The molecular structure of the active ingredient can be modified neither crystalline nor amorphous. A second necessary Step of the use according to the invention is the destruction the network of the adsorbent by the solvent at a rate the higher is as the, the z. B. by van der Waals forces to an agglomeration of the active ingredient leads. As a result, it is necessary that the adsorbent is not a large specific one Mass may possess, as it is the "wrapping process" of the active ingredient through the solvent otherwise disabled.
Die Anwendung dieses Prinzips ist möglich, wenn als leichtes Adsorbens ein Aerogel verwendet wird, dessen Struktur, wie in der Literatur beschrieben, leicht zu kontrollieren ist.The Application of this principle is possible if an airgel is used as light adsorbent, its structure, as described in the literature, is easy to control.
Beispielhaft wurden Silica Aerogele mittels Adsorption aus der überkritischen Lösung mit Wirkstoffen beladen. Überkritische Lösungsmittel haben den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer sehr niedrigen Viskosität alle prinzipiell zugänglichen Poren erreichen. Ferner ist der aufgebaute Kapillardruck im Vergleich zu Flüssigkeiten klein genug, um nicht die filigrane Porenstruktur zu zerstören.exemplary were silica aerogels by adsorption from the supercritical solution loaded with active ingredients. Supercritical solvent have the advantage that they all in principle because of their very low viscosity accessible Reach pores. Furthermore, the built-up capillary pressure is compared small to liquids enough not to destroy the filigree pore structure.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Aerogele weisen sehr hohe innere Oberflächen von 500 bis 800 m2/g, bestimmt durch BET-Messungen mittels Stickstoffadsorption, auf. Sie haben dabei in der Regel offene Poren. Die Aerogele können prinzipiell in jede geeignete Form (Pulver, Tabletten etc.) gebracht werden.The aerogels used according to the invention have very high internal surfaces of 500 to 800 m 2 / g, determined by BET measurements by means of nitrogen adsorption. They usually have open pores. The aerogels can in principle be brought into any suitable form (powders, tablets, etc.).
Zur Beladung mit einem Wirkstoff wird das fertige Aerogel in einem Druckbehälter in Kontakt mit der Lösung des entsprechenden Wirkstoffes in einem geeigneten überkritischen Gas gebracht. Der Druck und die Temperatur des Prozesses hängen von der Löslichkeit des entsprechenden Wirkstoffs in dem überkritischen Gas sowie von der chemischen und thermischen Stabilität des Wirkstoffes ab.to Loading with a drug is the finished airgel in a pressure vessel in Contact with the solution of the corresponding active ingredient in a suitable supercritical Gas brought. The pressure and the temperature of the process depend on the solubility of the corresponding active substance in the supercritical gas and of the chemical and thermal stability of the active ingredient.
Nachdem das Adsorptionsgleichgewicht erreicht ist, wird restliches Gas entfernt und das beladene Aerogel dem Druckbehälter entnommen. Die Konzentration des Wirkstoffs kann durch Auflösung des Aerogels in einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Aceton, Acetonitril, Ethanol) und anschließende Analyse mittels HPLC bestimmt werden.After this the adsorption equilibrium is reached, residual gas is removed and the loaded airgel removed from the pressure vessel. The concentration of the active ingredient can be resolved by dissolution of the airgel in a suitable solvent (eg acetone, Acetonitrile, ethanol) and subsequent analysis by HPLC become.
Der Vorteil dieser Variante des Prozesses besteht darin, dass nach der Beladung keine Entfernung des Lösungsmittels benötigt wird, wie z. B. bei der Adsorption aus der flüssigen Phase, da die Restadsorption von Gasen in der Regel toleriert wird, während Flüssigkeiten zur Kontamination führen würden.Of the Advantage of this variant of the process is that after the Loading no removal of the solvent needed is, such. B. in the adsorption from the liquid phase, since the residual adsorption Of gases is usually tolerated while liquids for contamination to lead would.
Die beladenen Aerogele wurden mittels Röntgen-Spektroskopie untersucht. Es wurde gezeigt, dass Wirkstoffe in den Aerogelen nicht in der kristallinen Form vorliegen.The loaded aerogels were analyzed by X-ray spectroscopy. It has been shown that active substances in the aerogels are not in the crystalline form.
Bei dem Kontakt mit wässrigen Lösungen zerfallen die Aerogele augenblicklich. Dabei wird der Wirkstoff in der beschriebenen Weise freigesetzt. Die Konzentration des freigesetzten Stoffes und ihre Abhängigkeit von der Zeit kann z. B. mit Hilfe spektroskopischer Methoden vermessen werden.at in contact with aqueous solutions the aerogels disintegrate instantly. This is the active ingredient released in the manner described. The concentration of the released Stoffes and their dependence from time can z. B. measured using spectroscopic methods become.
In mehreren Beispielen wurde gefunden, dass der auf dem Aerogel adsorbierte Wirkstoff sich schneller in Wasser, bzw. in 0.1 N HCl Lösung auflöst, als derselbe Wirkstoff in der kristallinen Form.In Several examples have been found that adsorbed on the airgel Active ingredient dissolves faster in water, or in 0.1 N HCl solution than the same active ingredient in the crystalline form.
Dabei wirkt das Silica Aerogel als inerter Wirkstoffträger. Silica Aerogele bestehen zu 99% aus SiO2, welches chemisch inert und – in kleinen Mengen aufgenommen – gesundheitlich unbedenklich ist.The silica airgel acts as an inert active substance carrier. Silica aerogels consist to 99% of SiO 2 , which is chemically inert and - in small quantities - harmless to health.
Im übrigen kann der erfindungsgemäße Wirkstoffträger mit einem Träger für einen zweiten Wirkstoff gekoppelt werden der eine andere Freisetzungskinetik des zweiten Wirkstoffs erlaubt. Dies kann z. B. auch eine kristalline Form des zweiten Wirkstoffs sein, die von einem erfindungsgemäßen Aerogel umgeben ist. Dabei kann der erfindungsgemäße Wirkstoffträger auch mit dem gleichen Wirkstoff beladen sein, der als zweiter Wirkstoff für eine verzögerte Freisetzung vorgesehen ist.For the rest, can the active substance carrier according to the invention a carrier for one second active ingredient are coupled to the other release kinetics of the second active ingredient allowed. This can be z. B. also a crystalline Form of the second active ingredient, that of an airgel according to the invention is surrounded. In this case, the drug carrier according to the invention also loaded with the same active substance as the second active ingredient for one delayed Release is provided.
Zusammenfassend hat das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile:
- – die Beladung des Adsorbens, das Wirkstoffträger und notwendiges Hilfsmittel ist, kann durch Prozessbedingungen wie Druck und Temperatur fein eingestellt werden;
- – aufwändige Mischprozesse zwischen großen Trägermengen und kleinsten Wirkstoffmengen entfallen;
- – Konditionierungsschritte, wie die Einstellung bestimmter Korngrößen entfallen;
- – Wirkstoffe aus dem erfindungsgemäßen Verfahren werden schneller freigesetzt als aus der kristallinen Form und liegen damit an der Zielstelle ihres Einsatzes in höchstmöglicher Konzentration vor.
- - The loading of the adsorbent, the drug carrier and necessary tool, can be fine tuned by process conditions such as pressure and temperature;
- - Elaborate mixing processes between large volumes and smallest amounts of active ingredient omitted;
- - conditioning steps, such as the setting of certain grain sizes omitted;
- Active substances from the process according to the invention are released more rapidly than from the crystalline form and are therefore present at the target site of their use in the highest possible concentration.
Daher können im Herstellungsprozess verfahrenstechnische Schritte eingespart werden, in der Anwendung als Medikamententräger können notwendige Wirkstoffmengen heruntergesetzt werden, da die Menge an ausgeschiedenem Wirkstoff durch den erwähnten Fließprozess verringert wird.Therefore can procedural steps saved in the manufacturing process be, in use as a drug carrier necessary amounts of active ingredient be lowered because the amount of excreted drug by the mentioned flow process is reduced.
Die Erfindung wird nachstehend zusätzlich anhand von Beispielen erläutert. Dabei wird als Wirkstoff Ketoprofen verwendet. Grundsätzlich ist es aber möglich, auch andere pharmazeutisch wirksame Substanzen, kosmetische Substanzen oder Farbpigmente als Wirkstoff zu verwenden. So kann ein Aerogel mit einer Pflegesubstanz in zermahlender Form auf die Haut aufgebracht werden, wo das Aerogel sich aufgrund der natürlich vorhandenen Feuchtigkeit oder aufgrund zusätzlicher Anfeuchtung zersetzt und somit den Wirkstoff schnell und in kontrollierter Weise freigibt.The Invention will be additional hereinafter explained using examples. In this case, ketoprofen is used as the active ingredient. Basically but it is possible also other pharmaceutically active substances, cosmetic substances or to use colored pigments as the active ingredient. So can an airgel applied to the skin with a care substance in a grinding form be where the airgel is due to the naturally existing moisture or due to additional Moisturizing decomposes and thus the active ingredient quickly and in controlled Way free.
Beispiel 1: Beladung von einem Silica Aerogel mit Ketoprofen (Nachweis der Beladbarkeit)Example 1: Loading of a silica Airgel with ketoprofen (proof of loading capacity)
Für diesen Versuch wurde Aerogel mit der Dichte 0.032 g/cm3 und der inneren Oberfläche 534 m2/g benutzt. Es wurde nach dem im Anhang dargestellten Verfahren hergestellt.For this test airgel with the density 0.032 g / cm 3 and the inner surface 534 m 2 / g was used. It was made according to the procedure outlined in the Annex.
Dabei wurden 0.5 Gramm des oben genannten Aerogels und 0.174 g Ketoprofen als Wirkstoff einem Druckbehälter zugegeben. Das Volumen dieses Druckbehälters beträgt 248 ml.there were 0.5 grams of the above airgel and 0.174 grams of ketoprofen as active ingredient a pressure vessel added. The volume of this pressure vessel is 248 ml.
Danach
wurde bei 70°C
125,7 g CO2 dazugegeben. Der Druck betrug
150 bar. Nach 10 Stunden wurde der Druck abgelassen. Das mit dem
Wirkstoff beladene Aerogel wurde dem Druckbehälter entnommen, zu Pulver zermahlen
und in 10 ml Acetonitril dispergiert. Nach 1 Stunde wurde die Konzentration
des Ketoprofens in Acetonitril gemessen. Die Berechnung ergab die
Beladung von 0,12 g Ketoprofen/1 g Aerogel. Die entsprechende Beladungsisotherme
ist in
Beispiel 2: Freisetzung des Ketoprofens aus dem AerogelExample 2: Release of the ketoprofen from the airgel
Für dieses Experiment wurde das mit Ketoprofen beladene Aerogel aus Beispiel 1 verwendet.For this Experiment was the loaded with ketoprofen airgel example 1 used.
Ein Teil des Aerogels wurde zu Pulver zermahlen.One Part of the airgel was ground to powder.
In drei Behältern, gefüllt je mit 900 ml 0.1 N HCl, wurde bei 37°C
- 1.) 0,0838 g Aerogel Pulver,
- 2.) 0,089 g Aerogel stückig
- 3.) 0,0098 g Ketoprofen kristallin
- 1.) 0.0838 g of airgel powder,
- 2.) 0.089 g airgel lumpy
- 3.) 0.0098 g of ketoprofen crystalline
Der
entsprechende Konzentrationsverlauf ist in
Ergebnis: selbst aus stückigem Aerogel wird der Wirkstoff deutlich schneller als aus der kristallinen Form freigesetzt.Result: even from lumpy Airgel, the drug is much faster than from the crystalline form released.
Anhangattachment
Verfahren zur Beschleunigung der Herstellung von AerogelenMethod of acceleration the production of aerogels
ZusammenfassungSummary
Die Herstellung von Metalloxid Aerogelen wurde durch Verwendung von überkritischem CO2 während des Gelierungsprozesses wesentlich beschleunigt. Transparente Silica Aerogele mit der Dichten 0.003 < ρ < 0.2 g/cm3 wurden in einem 2-Schritt Verfahren hergestellt. Im ersten Schritt wird Tetraalkylorthosilikat in einem geeigneten Lösungsmittel teilweise hydrolisiert, wobei ein Sol entsteht. In zweitem Schritt setzt sich das Sol unter Zugabe von überkritischem CO2 zu einem Gel um. Die erreichten Gelierungszeiten sind um den Faktor 10–200 schneller als in der Literatur beschrieben.The production of metal oxide aerogels has been significantly accelerated by the use of supercritical CO 2 during the gelation process. Transparent silica aerogels with densities 0.003 <ρ <0.2 g / cm 3 were prepared in a 2-step process. In the first step, tetraalkylorthosilicate is partially hydrolyzed in a suitable solvent to give a sol. In a second step, the sol converts to a gel with the addition of supercritical CO 2 . The achieved gelation times are faster by a factor of 10-200 than in the literature.
Verfahren zur Beschleunigung der Herstellung von AerogelenMethod of acceleration the production of aerogels
Das
nachfolgend beschriebene Verfahren betrifft die Herstellung von
Metalloxid-Aerogelen, wie sie in (Droege et al.,
Aerogele sind dreidimensionale Netzwerke, aus denen das Lösungsmittel entfernt wurde. Sie haben Dichten von 0,003 bis 0,8 g/cm3. Metalloxid-Aerogele werden in einem Sol-Gel Prozess hergestellt. Für „Sol" und "Gel" werden die in C. J. Brinker, Sol-Gel-Science, Academic Press (1990) definierten Begriffe benutzt.Aerogels are three-dimensional networks from which the solvent has been removed. They have densities of 0.003 to 0.8 g / cm 3 . Metal oxide aerogels are produced in a sol-gel process. For "sol" and "gel" the terms defined in CJ Brinker, Sol-Gel-Science, Academic Press (1990) are used.
Die
ersten Metalloxid-Aerogele wurden in 1930 von S. S. Kistler (
Teichner
et al. (
Der Alkohol sowie das Lösungsmittel werden aus dem Gel unter überkritischen Bedingungen des verwendeten Lösungsmittels entfernt. Dafür werden die überkritischen Bedingungen des Lösungsmittels, d. h. hohe Temperaturen (200–300°C) und Drücke (50–100 bar) benötigt, was nachteilig ist.The alcohol and the solvent are removed from the gel under supercritical conditions of the ver Used solvent removed. For this, the supercritical conditions of the solvent, ie high temperatures (200-300 ° C) and pressures (50-100 bar) are needed, which is disadvantageous.
Eine
Verbesserung von Tewari et al. (
In einem 1-Schritt Prozess können rissfreie Silica Aerogele mit der Dichte 0.02 < ρ < 0.3 g/cm3 in verschiedenen Formen hergestellt werden. Die erreichbare Dichte – die Zieldichte- ist unter anderem eine Funktion der Verdünnung der Reaktanden mit dem geeigneten Lösungsmittel. Die benötigte Lösungsmittelmenge kann für eine Zieldichte in etwa nach folgender Formel berechnet werden.
- ρZiel ist die Zieldichte des Gels,
- mSiO₂ – die Masse von SiO2 in dem entsprechenden Alkoxid,
- VRe ak tan den – das Volumen der Reaktanden,
- VLösungsmittel – das Volumen des Lösungsmittels.
- ρ target is the target density of the gel,
- m SiO₂ - the mass of SiO 2 in the corresponding alkoxide,
- V Re ak tan den - the volume of reactants,
- V solvent - the volume of the solvent.
Der 1-Schritt Prozess ist aber sehr zeitintensiv. Außerdem können Aerogele mit der Dichte ρ < 0.02 g/cm3 mit diesem Verfahren nicht hergestellt werden.The 1-step process is very time consuming. In addition, aerogels of density ρ <0.02 g / cm 3 can not be produced by this method.
Der
nächste
Schritt zur Verbesserung der Herstellung von Silica Aerogelen wurde
von der Arbeitsgruppe des Lawrence Livermore National Laborstory
gemacht. Tillotson et al (
In
dem 2-Schritt Prozess können
auch die Aerogele niedriger Dichte (ρ < 0.02 g/cm3)
produziert werden. Eine typische Gelierungszeit für solche
Aerogele ist über
72 Stunden. Das Verfahren kann auch zur Herstellung von anderen
Metalloxid-Aerogelen verwendet werden, die Lehre der
Alle genannten Verfahren haben folgende Nachteile:
- – Für die Herstellung der Aerogelen niedriger Dichte wird eine lange Gelierungszeit benötigt. Die Katalysatoren (z. B. NH4OH) können die Reaktion beschleunigen, sie beeinflussen aber die Porengrösse und Lichtdurchlässigkeit der Aerogele.
- – Nach dem ersten Schritt muss der Alkohol abdestilliert werden.
- - For the production of aerogels low density long gelation time is needed. The catalysts (eg NH 4 OH) can accelerate the reaction, but they affect the pore size and translucency of the aerogels.
- - After the first step, the alcohol must be distilled off.
Das hier beschriebene Verfahren vermeidet diese Nachteile.The The method described here avoids these disadvantages.
Im
Verfahren wird das Gel in zwei Schritten hergestellt. Der erste
Schritt entspricht dem von Tillotson et al. (
Nach Ablauf der Reaktion wird die Mischung mit einem nicht-alkoholischen Lösungsmittel (z. B. Acetonitril) verdünnt, bis die gewünschte Konzentration der Mischung (und dadurch die Zieldichte des Gels) erreicht wird. Die benötigte Acetonitril-Menge kann nach der Formel (2) berechnet werden. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass keine Destillation von Alkohol durchgeführt wird.To Sequence of the reaction is the mixture with a non-alcoholic solvent diluted (eg acetonitrile), until the desired Concentration of the mixture (and thereby the target density of the gel) is reached. The needed Acetonitrile amount can be calculated according to the formula (2). One Advantage of the process is that no distillation of alcohol carried out becomes.
Danach wird so viel Wasser, dass die stöchiometrische Menge erreicht wird, und der Katalysator (NH4OH) zugegeben. Die Katalysatormenge lässt sich nach (1 Mol TMOS:10–n Mol NH4OH; 1 < n < 4) abschätzen. Generell wird beobachtet, dass bei n nahe 4 ein weniger durchsichtiges und mit größeren Poren ausgerüstetes (und damit nachteiliges) Aerogel erhalten wird. Unmittelbar danach wird die Mischung in einen Druckbehälter eingefüllt und – beispielhaft für Silica-Aerogele – auf T1 = 20–150°C, bevorzugt 40°C, erhitzt.Thereafter, enough water to reach the stoichiometric amount and the catalyst (NH 4 OH) are added. The amount of catalyst can be estimated according to (1 mol TMOS: 10 -n mol NH 4 OH, 1 <n <4). Generally, it is observed that at n near 4 a less transparent and with larger pores equipped (and thus disadvantageous) airgel is obtained. Immediately thereafter, the mixture is introduced into a pressure vessel and - for example for silica aerogels - to T 1 = 20-150 ° C, preferably 40 ° C, heated.
Ein
zweiter Vorteil des Verfahrens ist, dass überraschend gefunden wurde,
dass die anschließende Zugabe
von CO2 bei gleicher oder anderer Temperatur
T1 zu einer dramatischen Erhöhung der
Reaktionsgeschwindigkeit führt.
Die benötigte
und geeignete CO2 Menge hängt von
der Temperatur, der Zieldichte und der Art des Gels ab und muss
für jedes
Metalloxid-Gel experimentell ermittelt werden. Für Silica-Aerogele bei 40°C kann die
Lehre der
Mit
der Zugabe des CO2 steigt die Viskosität der Lösung (eine
physikalische Lösung
allein würde
zu einer Viskositätsverminderung
führen)
und, nachdem das in
Die Qualität der Produkte, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, ist sehr stark temperaturabhängig (T1). Wird CO2 bei 20°C zugeführt, so erhält man nach der Trocknung undurchsichtige weiße Aerogele. Ab 30°C werden die Aerogele durchsichtiger und 40°C wurde als optimale Temperatur für Silica-Aerogele gefunden (siehe Beispiel 1). Bei 40°C hergestelltes Gel ergibt das transparente Aerogel, dessen Lichtdurchlässigkeit und Porengrösse denen von literaturbekannten 2-Schritt Prozessen entspricht. Höhere Temperaturen werden nicht bevorzugt, da keine weitere Beschleunigung der Reaktion beobachtet wird, jedoch der Energieeintrag unnötig heraufgesetzt wird. Die Temperaturen müssen für jedes Metalloxid-Aerogel experimentell ermittelt werden.The quality of the products produced by this process is very temperature dependent (T 1 ). If CO 2 is supplied at 20 ° C, then obtained after drying opaque white aerogels. From 30 ° C, the aerogels become more transparent and 40 ° C was found to be the optimum temperature for silica aerogels (see Example 1). Gel produced at 40 ° C. gives the transparent airgel, whose transparency and pore size correspond to those of 2-step processes known from the literature. Higher temperatures are not preferred because no further acceleration of the reaction is observed, but the energy input is unnecessarily increased. The temperatures must be determined experimentally for each metal oxide airgel.
Die
zugeführte
CO2 Menge beeinflusst die Eigenschaften
der Aerogele ebenfalls sehr stark. Wird das in
Nachdem
das Gel entstanden ist, wird das restliche Lösungsmittel mit überkritischem
Gas, beispielhaft mit CO2 extrahiert. Die
Extraktionszeit hängt
von der Menge des Gels ab und folgt Empfehlungen von Tewari et al.
(
Die Vorteile des Verfahrens werden im Beispiel 1 beschrieben.The Advantages of the method are described in Example 1.
Beispiel 1: Herstellung eines Silica-Aerogels mit der Dichte 0.02 g/cm3 Example 1: Preparation of a silica airgel with a density of 0.02 g / cm 3
5.8 g TMOS, 2.9 g Methanol, 0.66 g Wasser und 0.23 g Salzsäure (0.006 Ma%) wurde 30 min bei Raumtemperatur gemischt. Danach wurden 80.2 g Acetonitril, 0.52 g Wasser und 1.34 g Ammoniak (1 Ma%) zugegeben. Alle Komponenten wurden weitere 2–3 min gemischt und das Sol ohne Destillation des Alkohols unmittelbar danach einem Druckbehälter zugeführt. Das Volumen des Druckbehälters betrug 250 ml. Der Druckbehälter wurde auf T1 = 40°C erhitzt, dabei wurde er geschwenkt. Nach 30 min wurde 64.2 g CO2 in kleinen Portionen (jeweils 3–5 g) über 20 min zugeführt. Die sichtbare Gelierung fand nach 20 Min. statt. Das Gel wurde 10 Stunden im Druckbehälter bei folgenden Bedingungen gealtert: 37 bar, 40°C.5.8 g of TMOS, 2.9 g of methanol, 0.66 g of water and 0.23 g of hydrochloric acid (0.006 mass%) were mixed for 30 minutes at room temperature. Thereafter, 80.2 g of acetonitrile, 0.52 g of water and 1.34 g of ammonia (1 Ma%) were added. All components were mixed for a further 2-3 minutes and the sol was immediately fed to a pressure vessel without alcohol distillation. The volume of the pressure vessel was 250 ml. The pressure vessel was heated to T 1 = 40 ° C, during which it was pivoted. After 30 minutes, 64.2 g of CO 2 were fed in small portions (3-5 g each time) over 20 minutes. The visible gelation took place after 20 min. The gel was aged in the pressure vessel for 10 hours under the following conditions: 37 bar, 40 ° C.
Anschließend wurde das Lösungsmittel mit überkritischem CO2 extrahiert. Die Extraktionsbedingungen waren: T = 40°C, P = 100 bar, CO2 Volumenstrom 2–4 l/min, tExtraktion = 14 Stunden.Subsequently, the solvent was extracted with supercritical CO 2 . The extraction conditions were: T = 40 ° C, P = 100 bar, CO 2 volumetric flow 2-4 l / min, t extraction = 14 hours.
Das
transparente Aerogel wurde mit folgenden Eigenschaften erhalten:
BET
Oberfläche:
570 cm2/g, mittlerer Porendurchmesser: 18
nm.The transparent airgel was obtained with the following properties:
BET surface area: 570 cm 2 / g, average pore diameter: 18 nm.
Die Wirkung des zugesetzten Kohlendioxids ist überraschend. Es kann nicht durch andere Kombinationen von Gas und Katalysator ersetzt werden. Zur Verdeutlichung der Überlegenheit des beschriebenen Verfahrens wurden folgende Gegenbeispiele experimentell ermittelt.The Effect of the added carbon dioxide is surprising. It can not be replaced by other combinations of gas and catalyst. To clarify the superiority of the described method, the following counter examples became experimental determined.
Gegenbeispiel 1: Ersetzen des CO2 durch Freon 23 und StickstoffCounterexample 1: Replacement of CO 2 by freon 23 and nitrogen
Das Sol wurde wie im Beispiel 1 hergestellt und unmittelbar danach einem Druckbehälter zugeführt. Freon 23 wurde bei Raumtemperatur zugegeben. Nachdem 5 g Freon 23 zugesetzt wurde, entstand im Druckbehälter ein weißer Niederschlag. Weitere Zugabe des Gases hatte innerhalb 5 Stunden keine Gelierung zur Folge. Derselbe Effekt wurde auch bei Verwendung von Stickstoff beobachtet.The Sol was prepared as in Example 1 and immediately afterwards pressure vessel fed. Freon 23 was added at room temperature. After 5 g Freon 23 is added was created in the pressure vessel a white one Rainfall. Further addition of the gas had within 5 hours no gelation. The same effect was also used observed by nitrogen.
Gegenbeispiel 2: Ersetzen des CO2 durch eine Kombination von einem Gas und einer SäureCounterexample 2: Replacement of CO 2 by a combination of a gas and an acid
Das Sol wurde wie im Gegenbeispiel 1 hergestellt. Nachdem es dem Druckbehälter zugeführt wurde, wurde zusätzlich 5 g einer 0.1%igen HCl zugegeben. Danach wurden jeweils Freon 23 und Stickstoff zugeführt. In beiden Fällen entstand ein weißer Niederschlag. Gelierung fand innerhalb von 5 Stunden nicht statt.The Sol was prepared as in Comparative Example 1. After it was fed to the pressure vessel, was additionally 5 g of a 0.1% HCl added. After each Freon 23 and nitrogen supplied. In both cases I got a white one Rainfall. Gelation did not occur within 5 hours.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20131001 |