This dissertation aimed at designing biodegradable CMS nanocarriers which could efficiently deliver bioactive molecules into skin. Fundamental studies of the interactions between CMS nanocarriers and therapeutics, or CMS with skin layers were carried out. Specifically, drug loading, release and skin penetration behaviors of CMS with hydrophobicity were first investigated. Derived from this basic CMS structure, cationic CMS which could delivery both hydrophobic drugs and biomacromolecules were further developed. This dissertation contains three parts. In the first part, in order to find the optimal CMS carrier for topical application, a series of degradable CMS (CMS 1-3) with different hydrophobicity were synthesized. The influence of hydrophobicity on single-/multi-molecular aggregation behaviors were studied. CMS 1 and 2 were mainly unimolecular micelles in aqueous solution. By further increasing hydrophobicity, CMS 3 started forming some small clusters. Whereas, the corresponding linear shells assembled into small micelles by intermolecular interactions. The multi-molecular micelles were broken down immediately in THF (less polar environment than water), while unimolecular systems showed good stability. The model drug Dexamethasone was encapsulated by CMS and shells via film uptake method. With increased hydrophobicity, drug loading capacity was increased. CMS showed significantly increased drug loading capacity compared to the corresponding shell counterparts. All the three CMS encapsulate dexamethasone in an unimolecular way, confirmed by DLS, while large aggregates formed by the shells upon drug loading. The release profiles of CMS 1-3 were also compared. CMS 1 displayed only burst release, while the other two showed biphasic release profiles. The release of dexamethasone from CMS was decelerated by increased hydrophobicity. The in vitro skin penetration experiment showed all the three CMS could successfully deliver Nile red to deep skin layers and could significantly enhance the deposition of Nile red in each skin layer, compared to conventional cream formulation. Among the three candidates, CMS 2 showed the best performance. The penetration pathway of CMS nanocarriers were most likely occurred in intercellular lipids, because of the amphiphile nature of CMS and also the low affinity between CMS nanocarriers and corneocytes (terminally differentiated keratinocytes ), proved by cellular uptake study towards keratinocytes. The cytotoxicity test showed CMS were non-toxic towards HaCat cells and the BCOP test showed CMS didn’t cause any irritation to bovine eyes. In addition, CMS nanocarriers were proved SC impermeable. Therefore, we could conclude that CMS can be used as safe and efficient carriers for topical drug delivery. In the second part, we focused on in vitro skin penetration of tacrolimus loaded CMS formulation. Tacrolimus were efficiently loaded into CMS nanocarriers by miniemulsion method. Stabled CMS formulation containing comparable Tacrolimus amount as the commercial product Protopic ointment were successfully prepared. Tacrolimus was released from CMS nanocarriers in a sustainable manner without initial burst release (ca. 30% drug released within 7 days ). In vitro skin penetration showed that CMS could significantly increase the deposition amount of tacrolimus in each skin layer and the enhancement effect was more significant with increased treatment time. In the third part, cationic CMS bearing lipophilic tertiary amino groups (CMS-DEA) was designed for topical multi-payloads delivery. For comparison, CMS without charge groups (CMS-PCL) was also synthesized. Due to the protonation and deprotonation process of the tertiary amine, size and zeta-potential of CMS-DEA was significantly influenced by pH value, while negligible changes were observed in the case of CMS-PCL. To demonstrate the universality of CMS nanocarriers, both hydrophobic drug tacrolimus and hydrophilic biomacromolecule BSA were selected as models to test the loading capacity. CMS-DEA displayed more superiority in both payloads loading. Tacrolimus release from CMS-DEA was responsible to the change of pH value. Accelerated drug release was observed at acidic pH than at neutral pH, which enables it a smart carrier for on-demand drug release. On the other hand, the release from CMS-PCL is independent on pH. Interactions between CMS carriers and SC lipids were assessed via QCM. A faster and stronger interactions between skin and CMS-DEA were observed due to electrostatic force. At the same time, CMS-DEA also displayed stronger fluidization effect on intercellular lipids than CMS-PCL, determined by ATR- FTIR. In the end, to prove the concept, both nile red and FITC-BSA were selected as probes to test skin penetration. CMS-DEA facilitated comparable skin deposition of nile red as CMS-PCL, both of which were much better than the conventional cream. However, CMS-DEA displayed much higher efficiency than CMS-PCL or blank control without carrier on FITC-BSA delivery. Both CMS carriers were proved mainly staying at the SC layer without further penetration even in damaged SC, demonstrating less probability to cause skin irritation. Introducing of the DEA groups slightly increased the cytotoxicity, which can be expected from cationic material. However, compared to the other reported cationic carriers such as PEI, the biocompatibility of CMS-DEA was much improved and can be further improved by tuning the functional degree of DEA groups or using other tertiary amines with pka value lower than 7.4.
Ziel der Arbeit war die Entwicklung bioabbaubarer CMS Nanocarrier, welche den Transport von biologisch aktiven Molekülen in die Haut ermöglichen sollten. Es wurden grundlegende Studien zu Wechselwirkungen zwischen CMS Nanocarriern und Therapeutika, sowie zwischen CMS Nanocarriern und Hautschichten durchgeführt. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Serie von abbaubaren CMS Nanocarriern entwickelt (CMS 1 - 3), welche sich in der Hydrophobizität ihrer Hülle unterschieden. Eine Untersuchung des Aggregationsverhaltens ergab, dass die CMS mit steigender Hydrophozität ihrer Schale eine vermehrte Tendenz zur Bildung von CMS-Clustern aufweisen. Im Anschluss wurde das Transportverhalten der CMS 1- 3 untersucht. Mit Hilfe der Filmmethode konnte Dexamethason in den CMS 1 - 3 in wässriger Lösung verkapselt werden. Unter Verwendung von Dynamischer Lichtstreuung (DLS) wurde nachgewiesen, dass die Aufnahme von Dexamethason auf das unimolekulare Transportverhalten der CMS 1 - 3 zurückzuführen ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Beladung der CMS mit Dexamethason mit steigender Hydrophobizität der Schale zunimmt, wo hingegen die Geschwindigkeit der Freisetzung steigender Hydrophobizität der Schale abnimmt. Die Testung der Hautpenetration der CMS 1 - 3 wurde in vitro durchgeführt. Um die Eindringtiefe der CMS visuell bestimmen zu können, wurden diese mit dem Farbstofff Nilrot beladen. Mit Hilfe der CMS 1-3 konnte Nilrot erfolgreich in tiefe Hautschichten transportiert werden und im Vergleich zu herkömmlichen Cremes in jeder Hautschicht stark angereichert werden. Aufgrund der amphiphilen Struktur von CMS Nanocarriern findet die Hautaufnahme vermutlich in interzellulären Lipiden statt. Die zelluläre Aufnahme in Keratinozyten belegte die geringe Affinität von CMS und Corneozyten (endständig differenzierte Keranozyten). CMS Nanocarrier zeigten keine Zytotoxizität gegenüber HaCat-Zellen und es konnte keine Reizung von Rinderaugen beim BCOP-Test beobachtet werden. Zusätzlich können die CMS Nanocarrier aufgrund der IC-Impermeabilität als sichere und effiziente Carrier für die topische Wirkstofffreisetzung verwendet werden. Im zweiten Teil fokussierten wir uns auf die in vitro Penetration in die Haut Tacrolimus- geladenen CMS Nanocarriern. Tacrolimus wurde effizient in CMS Nanocarrier mit Hilfe der Miniemulsionsmethode verkapselt. Stabile CMS Formulierungen mit einem vergleichbaren Tacrolimus-Gehalt wie das kommerziell erhältliche Produkt Protopic iontment wurden erfolgreich hergestellt. Tacrolimus wurde nicht schlagartig sondern kontinuierlich aus den CMS Nanocarriern freigesetzt (Freisetzung von ca. 30% Wirkstoff innerhalb von 7 Tagen). Die in vitro Penetration in die Haut zeigte, dass CMS Nanocarrier die Freisetzung von Tacrolimus in jeder Hautschicht signifikant erhöhen konnten und der Effekt sogar nach längerer Behandlungszeit verstärkt wurde. Im dritten Projekt wurden kationische CMS mit lipophilen, tertiären Aminogruppen (CMS-DEA) für die topische Freisetzung von verschiedenen Substanzen konzipiert und zum Vergleich wurde ein CMS ohne geladene Gruppen (CMS-PCL) hergestellt. Aufgrund von Protonierung und Deprotonierung des tertiären Amins wurden Größe und Zetapotential des CMS-DEA signifikant durch den pH-Wert beeinflusst, während nur vernachlässigbare Änderungen im Fall des CMS-PCL beobachtet werden konnten. Um die Vielseitigkeit der CMS Nanocarrier zu demonstrieren, wurden der hydrophobe Wirkstoff Tacrolimus und das hydrophile Biomakromolekül BSA als Modelle für die Testung der Ladekapazität ausgewählt. CMS-DEA zeigte eine deutlich bessere Ladekapazität für beide Moleküle als das neutrale CMS-PCL. Die Freisetzung von Tacrolimus aus CMS-DEA wurde stark von der Änderung des pH-Wertes beeinflusst. Eine erhöhte Wirkstofffreisetzung wurde bei einem saurem pH-Wert beobachtet, womit der Carrier als smarter Carrier für die schlagartige Wirkstofffreisetzung eingesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu ist die Wirkstofffreisetzung aus dem neutralen CMS-PCL unabhängig vom pH-Wert. Interaktionen zwischen CMS Carriern und SC Lipiden wurden mittels QCM bewertet, wobei aufgrund von elektrostatischen Kräften schnellere und stärkere Interaktionen zwischen Haut und CMS-DEA beobachtet werden konnten. Zur gleichen Zeit zeigten CMS-DEA bei ATR-FTIR-Messungen einen stärkeren Fluidisierungseffekt auf interzellulären Lipiden als CMS-PCL. Schließlich wurden sowohl Nilrot und FITC-BSA als Proben für die Penetration in die Haut verwendet. CMS-DEA ermöglichte vergleichbare Freisetzungen von Nilrot wie CMS- PCL, während beide Substanzen besser waren als die konventionelle Creme. CMS- DEA zeigte jedoch bei der Freisetzung von FITC-BSA eine höhere Effizienz als CMS-PCL oder die Kontrolle ohne Carrier. Beide Carrier verblieben in der SC- Schicht ohne eine weitere Penetration in beschädigte SC-Schichten und zeigten somit eine geringe Hautreizung. Die CMS-DEA Carrier zeigten eine gute Bioverträglichkeit und eine geringfügige Zytotoxizität vergleichbar mit anderen Nanocarriern beispielsweise PEI, welche auf die kationischen Gruppen zurückzuführen ist. Die Bioverträglichkeit von CMS-DEA Nanocarriern kann weiter verbessert werden durch die Änderung des Funktionalisierungsgrades der DEA-Gruppen oder die Verwendung von tertiären Aminen mit einem pka Wert kleiner als 7.4.
