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DE4127442C2 - Wäßrige Dispersion Fluorcarbon enthaltender Phospholipid-Vesikel und ein Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Wäßrige Dispersion Fluorcarbon enthaltender Phospholipid-Vesikel und ein Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wäßrige Dispersion Fluor­ carbon enthaltender Phospholipidvesikel und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Diese Phospholipidvesikeldispersion ist vor allem als gastransportierendes Medium und als Diagnostikum sowohl in biolo­ gischen Systemen in vivo als auch in vitro einsetzbar.
Fluorcarbone sind in der Form wäßriger Emulsionen wegen ihrer che­ mischen Inertheit und des Gaslösevermögens geeignet, in biologi­ schen Systemen den Sauerstofftransport zu gewährleisten. In der geeigneten Form, d. h. im Gemisch mit Elektrolyten, Energieträgern und onkotisch wirkenden Substanzen können sie als Blutersatzstoffe und als spezielle O₂-transportierende pharmazeutische Präparate zur Behandlung des Schocks, des Herzinfarkts und der cerebralen Ischämie angewendet werden. Weitere Anwendungen sind die Unter­ stützung der Radio- und Chemotherapie maligner Tumoren und als Kontrastmittel in der Röntgen-, Magnetresonanz- und Ultraschall­ diagnostik.
Als Fluorcarbone werden bevorzugt cyclische bzw. polycyclische Fluorkohlenstoffe, z. B. Perfluordecalin und tertiäre aliphatische oder cyclische Amine eingesetzt. Wegen der Geschwindigkeit der Ex­ kretion der Fluorcarbone aus dem lebenden Organismus müssen Para­ meter wie Molekülmasse, Dampfdruck und kritische Löslichkeitstem­ peratur in n-Hexan (als ein Maß für die Lipidlöslichkeit) streng beachtet werden.
Die Herstellung wäßriger, mit dem menschlichen Blut kompatibler Fluorcarbonemulsionen macht biokompatible Emulgatoren erforder­ lich. Zu einem gewissen Maße erfüllen Ethylenoxid-Propylenoxid- Blockpolymeremulgatoren (im folgenden EO-PO-Blockpolymeremulgato­ ren genannt) diese Anforderungen. Dessen ungeachtet werden einige grundlegende Nebenwirkungen bei der Applikation von Fluorcarbon­ emulsionen den Blockpolymeremulgatoren zugeschrieben (Anaphylak­ tische Reaktionen, Komplementaktivierung, Leukocytopenie).
Zusätzlich sind einige physikalische Parameter der Emulsionsbil­ dung und Emulsionsstabilisierung mit Blockpolymeremulgatoren nicht optimal gelöst. So ist die Stabilität entsprechender Fluorcarbon­ emulsionen bei Raumtemperatur und die notwendige Langzeitstabili­ tät der Lagerung unbefriedigend; eine thermische Sterilisierung der medizinischen Präparate ist nicht möglich.
Probleme, die die Resttoxizität des Blockpolymeremulgators betref­ fen, können überwunden werden, wenn an dessen Stelle Phospholipi­ de, z. B. Ei- oder Sojalecithine, eingesetzt werden.
YOKOYAMA (Green Cross Corp., Osaka) beansprucht mit US-Patent 3.962.439 (1976) eine Fluorcarbonemulsion als Blutersatzmittel, die ein Fluorcarbon mit 9 bis 11 Kohlenstoffatomen mit einer Kon­ zentration von 10 bis 40% enthält und durch ein Phospholipid in Verbindung mit langkettigen Fettsäuren, deren Salzen oder Mono­ glyceriden als Emulgatorgemisch stabilisiert wird.
H. SLOVITER schützt mit US-P 4.397.870 einen Prozeß zur Erhöhung der intravasalen Verweilzeit von Fluorcarbonemulsionen im Blut­ kreislauf des lebenden Organismus, indem in das zirkulierende Blut Lecithin als Emulgator zur Aufrechterhaltung einer hohen Blut­ lipidkonzentration injiziert wird. Der gleiche Erfinder beschreibt in US-P 4.497.829 ein Verfahren zur Herstellung stabiler Fluorcar­ bonemulsionen, wonach durch Ultraschalleinwirkung Phospholipide in physiologischen Lösungen mit Perfluordecalin, F-Methyldecalin, F- Tripropylamin oder F-Tributylamin in Konzentrationen von 30 bis 75% emulgiert werden. Die Teilchengrößen betragen im Durchschnitt 200 nm.
Fluorcarbonemulsionen mit extrem hohen Fluorcarbongehalten von 30 bis 125% w/v in Form des F-Octylbromids werden von D. LONG jr mit EP 307.087 (1988) beansprucht. Das Wesen der Erfindung ist, daß als Emulgatoren Lecithin, anionische Tenside oder Fluortenside An­ wendung finden. Als onkotisch wirkende Komponente wird Mannitol eingesetzt, und zur Emulgierung dient ein spezieller Prozeß unter Einbeziehung einer Druckhomogenisierung.
Ein weiteres Beispiel für konzentrierte stabile wäßrige Fluorcar­ bonemulsionen wird von SCHWEIGHART und KAYHART von Air Products and Chemicals in EP 282.949 (1988) gegeben. Die Erfinder erzielen stabile Fluorcarbonemulsionen größer 60% w/v Fluorcarbon, indem neben einem Phospholipid-Emulgator 5 bis 30% Triglyceride lang­ kettiger Fettsäuren als Co-surfactant angewendet werden. Eine be­ vorzugte Komposition besteht demnach aus 75% Perfluordecalin, 1 bis 2% Phospholipid und 20% Fettsäuretriglycerid. Bei einer optimalen Zusammensetzung der Emulsion beträgt die mittlere Teil­ chengröße 150 nm und ist bei 25°C 30 Tage stabil.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine wäßrige Disper­ sion Fluorcarbon enthaltender Phospholipidvesikel und ein Verfah­ ren zu ihrer Herstellung zu entwickeln, wobei die Fluorcarbone, die bisher mit Lipiden und Zusatzstoffen in Form klassischer Emul­ sionen als Emulsionspartikel stabilisiert wurde, nunmehr in käfig­ artige Phospholipidbilayerstrukturen (Vesikel) eingeschlossen sind.
Es wurde erfindungsgemäß eine wäßrige Dispersion Fluorcarbon ent­ haltender Phospholipidvesikel gefunden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der wäßrigen Dispersion die Phospholipidvesikel ein oder mehrere sauerstofftransportierende Fluorcarbone in einer Kon­ zentration zwischen 2 und 100% w/v käfigartig und mit lammellarer Schichtstruktur ausgebildet eingeschlossen enthalten und die wäß­ rige Dispersion diese Phospholipidvesikel mit einer einheitlichen Teilchengröße zwischen 200 und 400 nm enthält.
Die erfindungsgemäße Phospholipidvesikel sind die aus den natür­ lichen Phospholipiden hergestellten, wie aus Sojalecithine, Ei­ lecithine, oder die aus den synthetischen Phospholipiden herge­ stellten, wie aus 1,2-Dilauroyl-glycero-3-phosphorylcholin, 1,2- Distearoyl-glycero-3-phosphorylethanolamin, oder deren Derivate.
Die erfindungsgemäßen sauerstofftransportierenden Fluorcarbone sind aus der Gruppe der geradkettigen und verzweigten Fluoralkane, der Mono- und Polycyclo-Fluoralkane, der aliphatischen tertiären Fluoramine, der cyclischen Fluoramine, der alicyclischen Fluor­ aminoether, der aliphatischen und polycyclischen Fluorether, der Bis-(Fluoralkyl)ethene, der Fluoralkylhalogenide oder aus Gemi­ schen von diesen ausgewählt. (Das Symbol F - bzw. Fluor - bedeutet nach J.A. Young, J. Chem. Doc. 14 (1974) 98 den perfluorierten Zustand der nachfolgend genannten chemischen Verbindung.)
Erfindungsgemäß bevorzugte sauerstofftransportierende Fluorcarbone sind Fluor-Octan bis Fluor-Dodecan, Fluor-n-butyl-cyclohexan, Fluor-Decalin, Fluor-Methyldecalin, Fluor-Tripropylamin, Fluor- Dibutylmethylamin, Fluor-Tributylamin, Fluor-Cyclohexylmethyl­ morpholin, Fluor-Alkylsubstituierte Cyclohexylmorpholine, Fluor- Cyclohexylpiperidin und deren Fluor-Alkylderivate, Fluor-Cyclo­ hexyloxyethylmorpholin, Fluor-n-dihexylether, Fluor-2,5-dioxabi­ cyclo[4.4.0]decan, Fluor-4-methyloxymethyl-2,5-dioxabicyclo- [4.4.0]decan, Fluor-4-ethoxymethyl-2,5-dioxabicyclo[4.4.0]decan, Bis-(Fluorhexyl)ethen, Bis-(Fluorbutyl)ethen, Fluor-Octylchlorid, Fluor-Hexylbromid, Fluor-Octylbromid oder ein oder mehrere Gemi­ sche von diesen.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte sauerstofftransportierende Fluorcarbone sind Fluor-Cyclohexylmethylmorpholin, Perfluor- Decalin oder Fluor-Dibutylmethylamin.
Weiterhin wurde erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen Dispersion Fluorcarbon enthaltender Phospholipid­ vesikel gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Phospholipid und ein oder mehrere sauerstofftransportierende Fluorcarbone in wäßriger Phase auf einen einheit­ lichen Teilchendurchmesser zwischen 200 und 400 nm homogenisiert, wobei man das Phos­ pholipid in einer Konzentration zwischen 2 und 12 Massenanteile in % und das oder die sauerstofftransportierenden Fluorcarbone in einer Konzentration von 2 bis 100% w/v einsetzt.
Die erfindungsgemäße Homogenisierung in wäßriger Phase kann man bevorzugt bei einem Druck zwischen 100 und 700 atm., insbesondere zwischen 300 und 500 atm. durchführen.
Die für das Herstellungsverfahren erfindungsgemäßen Phospholipide sind natürlich hergestellte, wie die Sojalecithine, die Eilecithi­ ne, oder die synthetisch hergestellten, wie 1,2-Dilauroyl-glycero- 3-phosphorylcholin, 1,2-Distearoyl-glycero-3-phosphorylethanol­ amin, oder deren Derivate, wobei insbesondere der Phosphatidylcholingehalt hoch ist, wie z. B. im Sojalecithin bis zu 35% oder im Eilecithin bis 75%. Bei den synthetisch hergestellten Phospholipiden ist die Möglichkeit des Einsatzes von reinen 1,2-acyl-glycero-phosphoryl-cholinen gegeben.
Für das Herstellungsverfahren kann man erfindungsgemäß als sauer­ stofftransportierende Fluorcarbone die aus der Gruppe der gerad­ kettigen und verzweigten Fluoralkane, der Mono- und Polycyclo- Fluoralkane, der aliphatischen tertiären Fluoramine, der cycli­ schen Fluoramine, der alicyclischen Fluoraminoether, der aliphati­ schen und polycyclischen Fluorether, der Bis-(Fluoralkyl)-ethene, der Fluoralkylhalogenide oder aus Gemischen von diesen ausgewählt einsetzen.
Als erfindungsgemäß bevorzugt für das Herstellungsverfahren lassen sich als sauerstofftransportierende Fluorcarbone Fluor-Octan bis Fluor-Dodecan, Fluor-n-butylcyclohexan, Fluor-Decalin, Fluor- Methyldecalin, Fluor-Tripropylamin, Fluor-Dibutylmethylamin, Fluor-Tributylamin, Fluor-Cyclohexylmethylmorpholin, Fluor- Alkylsubstituierte Cyclohexylmorpholine, Fluor-Cyclohexyl­ piperidin und deren Fluor-Alkylderivate, Fluor-Cyclohexyloxy­ ethylmorpholin, Fluor-2,5-dioxabicyclo[4.4.0]decan, Fluor-4- methoxymethyl-2,5-dioxabicyclo[4.4.0]decan, Bis-(Fluorhexyl)-ethen, Bis-(Fluorbutyl)-ethen, Fluor-Octylchlorid, Fluor-Hexyl­ bromid, Fluor-Octylbromid oder ein oder mehrere Gemische von diesen einsetzen.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte sauerstofftransportierende Fluorcarbone sind Fluor-Cyclohexylmethylmorpholin, Perfluor-Deca­ lin oder Fluor-Dibutylmethylamin.
Die Bedingungen für das Herstellungsverfahren wurden erfindungs­ gemäß so gewählt, daß der Einschluß der Fluorcarbone in den Käfig der Bilayerstrukturen erfolgt und unilamellare bzw. multilamel­ lare, auf die Teilchengröße bezogene, einheitliche Vesikel ge­ bildet werden.
Während bekanntermaßen durch Emulgatormoleküle in der Adsorptions­ schicht von 0/W-Systemen stabilisierte Emulsionspartikel thermody­ namisch instabil sind, stellen lipidstabilisierte Partikel mit Bi­ layerstrukturen thermodynamisch stabile Systeme dar.
Untersuchungen an den entsprechenden Systemen haben ergeben, daß die resultierenden fluorcarbongefüllten Vesikel in ihrer Stabili­ tät unabhängig von der Zeit sind. Eine Lagerung bei Raumtemperatur ist möglich ohne das üblicherweise auftretende Teilchenwachstum, und eine thermische Belastung bei 90°C ist ohne negative Auswir­ kungen durchführbar.
Im Gegensatz zu den vorherrschenden konventionellen Fluorcarbon­ emulsionen sind die entsprechenden Vesikelstrukturen unabhängig von der Art des verwendeten Fluorcarbons und der vesikulierten Menge. Auf diesem Wege lassen sich unproblematisch hochkonzen­ trierte z. B. 100%ige w/v Lipidvesikel erzeugen. Vorteilhaft dabei ist die entgegen der Erwartung nur geringfügig ansteigende Visko­ sität.
Die Ausbildung der Vesikelstruktur bei den spezifischen Verfah­ rensbedingungen ist durch eine Anzahl von Untersuchungsmethoden (³¹P-NMR, Gelchromatographie, PCS, Stabilitätsuntersuchungen) verifiziert worden.
Im Gegensatz zu wäßrigen Vesikeln weisen fluorcarbongefüllte Vesikel eine Polaritätsumkehr auf, d. h. die Fettsäurereste des Phospholipidmoleküls sind zum unpolaren Fluorcarbonkern der Vesikel ausgerichtet, die damit als inverse Vesikel anzusehen ist. Ungeachtet dessen, erfolgt der Aufbau der lamellaren Schichten, die bis zur Ausbildung flüssig-kristalliner Strukturen führen kann.
Die extreme Stabilität der Aggregate resultiert aus der Ausbildung multilamellarer Schichtstrukturen, der Orientierung negativer Oberflächenladungen und der Wasseraufnahme (Quellvermögen) der lamellaren Strukturen. Die für Emulsionssysteme entscheidende De­ pression der Grenzflächenspannung durch einen Emulgator ist für das vorliegende Phospholipidsystem nicht relevant.
Entsprechend dem Konzentrationsverhältnis von Fluorcarbon und zur Vesikulierung eingesetztem Phospholipid werden unilamellare ge­ füllte Phospholipidvesikel mit Vesikeldurchmessern von bis zu 100 nm erhalten. Ein Überschuß an Phospholipid in Bezug auf den theoretisch zu berechnenden unilamellaren Zustand ergibt multi­ lamellare Vesikel mit elektronenmikroskopisch nachweisbaren kon­ zentrischen Bilayern. Deren Teilchengrößen können bis auf Werte von über 400 nm ansteigen. Die Vereinheitlichung der Vesikel­ durchmesser im Herstellungsprozeß ist von eminenter Bedeutung, da eine breite Teilchengrößenverteilung nachteilig für die biomedizi­ nische Anwendung ist. Bekanntermaßen werden Partikel größer 400 nm zunehmend toxisch und durch sukzessive Phagozytierung im RES dem Blutkreislauf entzogen.
Die Vorbereitung eines natürlichen Phospholipds kann beispiels­ weise wie folgt erfolgen:
Kommerzielles Sojalecithin der Zusammensetzung von ca. 30% Phos­ phatidylcholin, ca. 30% Phosphatidylethanolamin und ca. 30% Phosphatidylinositol wird in einem organischen Lösungsmittel (Chloroform, Chloroform/Methanol) gelöst. Das Lösungsmittel wird am Rotationsverdampfer im Vakuum entfernt und das Phospholipidge­ misch an der Kolbenwandung als Film abgeschieden. Durch Zugabe von destilliertem Wasser wird das Lecithin unter Liposomenbildung mit einer definierten Konzentration aufgenommen.
Die sauerstofftransportierenden Fluorcarbone werden nach bekannten und industriell eingeführen Verfahren hergestellt. Dabei werden die perfluorierten aliphatischen und cyclischen tertiären Amine bevorzugt durch elektrochemische Fluorierung der KW-Analoga in flüssigem Fluorwasserstoff (Simons-Prozeß) erzeugt (z. B. per­ fluorierte N-cyclohexylmethyl-Derivate sekundärer Amine; Groß, Rüdiger, Jonethal, DD-PS 280.130, 1988). Dagegen werden fluorierte Ether und Alkane bzw. Cycloalkane vorzugsweise durch Fluorierung mit Cobalt(III)fluorid in der Gasphase hergestellt (u. a. per­ fluorierte polycycloaliphatische Ether, DE-Patentanmeldung AZ - P 4101446.4, 1991). Ein weiteres Verfahren von Bedeutung ist die chemische Synthese ausgehend von perfluorierten Verbindungen wie Perfluoralkyljodiden. Auf diesem Wege ist der Zugang zu Verbindun­ gen des Typs der Bis(F-Alkyl)ethene möglich.
Die Erfindung wird durch folgende Ausführungsbeispiele noch näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1
160 g hochreines F-Cyclohexylmethylmorpholin (Sdp. 174°C, kri­ tische Löslichkeitstemperatur in n-Hexan 38,5°C, LD₅₀ <47,5 g/kg i.p. in der Maus) wurden mit 160 ml einer 7,4% Sojalecithin-Dis­ persion (kommerzielles Produkt, frei von Lysolecithin) in einem Hochdruckhomogenisator unter Kühlung und Argonspülung bei 500 bar homogenisiert. Bei automatischer Re­ gistrierung der Vesikeldurchmesser wurde der Prozeß bis zu mitt­ leren Teilchendurchmessern von 220 nm fortgeführt.
Es wurden 200 ml einer 80% Vesikeldispersion erhalten, deren Struktur durch ³¹P- und ¹⁹F-NMR-Untersuchungen charakterisiert wurde. Die Sterilisierung der Vesikel-Phase erfolgte durch Auto­ klavierung bei 121°C für 20 Minuten. Die Sauerstofflöslichkeit betrug 35 ml O₂/100 ml. Toxizitätsuntersuchungen i.v. in der Ratte waren negativ.
Die Komplettierung zum biokompatiblen Blutersatzmittel erfolgte mit einem Adjuvantienpaket von 20 Vol-% (Elektrolyte, Glucose, Albumin).
Beispiel 2
60 g Perfluordecalin wurden mit 58 ml einer 8,6% wäßrigen Ei- Lecithin-Dispersion unter Eiskühlung und N₂-Atmosphäre in Intervallen homogenisiert. Es wurde eine stabile 60% w/v PFD-Vesikeldispersion mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 200 nm und einer Viskosität von 11 cP erhalten. Die Vesikelstruktur wurde durch Linienform und Linienbreite (201,6 Hz) des ³¹P-NMR-Signals bestätigt. Eine weitere Charakterisierung erfolgte durch Gelfiltration der wäßrigen Vesikeldispersion an einer Shodex OH pak B-Säule mit RI-Detektion (negativer Peak). Die Vesikeldispersion ist bei Raumtemperatur langzeitstabil. Alterungsversuche bei 90°C über 4 Stunden ergaben ein nur uner­ hebliches Teilchenwachstum und keine Zerstörung der Vesikel­ struktur.
Beispiel 3
12,5 g F-Dibutylmethylamin (Sdp. 133°C, kritische Löslichkeits­ temperatur in n-Hexan 46°C, LD₅₀ <55 g/kg) wurden mit 43 ml einer wäßrigen 5% Sojalecithin-Dispersion unter Kühlung und Inertgas homogenisiert. Der mittlere Teilchendurchmesser betrug 200 nm. Nach Komplettierung zum Blutersatzmittel wurde mit einer 20% Dispersion ein partieller Blutaustausch an Ratten vorgenommen. Mittels ¹⁹F-NMR-tomographischer Untersuchungen am lebenden Tier sowie an isolierten Organen (Leber, Niere, Herz) wurde die F-DBMA Akkumulation bzw. Exkretion in zeitlicher Abhängigkeit verfolgt.

Claims (7)

1. Wäßrige Dispersion Fluorcarbon enthaltender Phospholipidvesikel, dadurch gekennzeichnet, daß in der wäßrigen Dispersion die Phospholipidvesikel ein oder mehrere sauerstofftransportierende Fluorcarbone in einer Konzentration zwischen 2 und 100% w/v käfigartig und mit lamellarer Schichtstruktur ausgebildet einge­ schlossen enthalten und die wäßrige Dispersion diese Phospholipidvesikel mit einer einheitlichen Teilchengröße zwischen 200 und 400 nm enthält.
2. Phospholipidvesikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phospholipidvesikel aus natürlichen oder synthetischen Phospholipiden herge­ stellt sind.
3. Phospholipidvesikel nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die sauerstofftransportierenden Fluorcarbone aus der Gruppe der gerad­ kettigen und verzweigten Fluoralkane, der Mono- und Polycyclo-Fluoralkane, der aliphatischen tertiären Fluoramine, der cyclischen Fluoramine, der alicyclischen Fluoraminoether, der aliphatischen und polycyclischen Fluorether, der Bis- (Fluor­ alkyl)ethene, der Fluoralkylhalogenide oder aus Gemischen von diesen aus­ gewählt sind.
4. Phospholipidvesikel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die sauerstofftransportierenden Fluorcarbone Fluor-Octan bis Fluor­ dodecan, Fluor-n-butyl-cyclohexan, Fluor-Decalin, Fluor-Metyldecalin, Fluor- Tripropylamin, Fluor-Dibutylmethylamin, Fluor-Tributylamin, Fluor-Cyclohexyl­ methylmorpholin, Fluor-n-dihexylether, Fluor-2,5-dioxabicyclo[4.4.0]decan, Fluor-4-methoxymethyl-2,5-dioxabicyclo[4.4.0]decan, Fluor-4-ethoxymethyl-2,5- dioxabicyclo[4.4.0]decan, Bis(Fluorhexyl)-ethen, Bis(Fluorbutyl)-ethen, Fluor- Octylchlorid, Fluor-Hexylbromid, Fluor-Octylbromid oder ein oder mehrere Ge­ mische von diesen sind.
5. Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen Dispersion Fluorcarbon enthalten­ der Phospholipidvesikel, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Phospholipid in einem organischen Lösungsmittel löst, das Lösungsmittel im Vakuum entfernt und das abgeschiedene Phospholipid durch Zugabe von Wasser unter Lipo­ somenbildung aufnimmt, der gebildeten wäßrigen Dispersion ein oder mehrere sauerstofftransportierende Fluorcarbone zusetzt und in wäßriger Phase auf einen einheitlichen Teilchendurchmesser zwischen 200 und 400 nm bei einem Druck zwischen 100 und 700 Atmosphären homogenisiert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Phos­ pholipid mit einer Konzentration von 2 bis 12 Massenanteilen in Prozent einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das oder die sauerstofftransportierenden Fluorcarbone in einer Konzentration von 2 bis 100% w/v einsetzt.
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