Charakterisierung von Nanopartikeln mit Methoden der kernmagnetischen Resonanz

Nanoskalierte Materialien spielen in der pharmazeutischen Forschung eine wachsende Rolle. Mit maßgeschneiderten Nanokapseln können Wirkstoffe eingeschlossen, transportiert und kontrolliert freigesetzt werden. Die Charakterisierung und Untersuchung des Verhaltens von dispergierten Nanokapseln stellt daher eine zentrale Fragestellung der Forschung dar. Neue Verfahren der kernmagnetischen Resonanz ermöglichen nicht nur die Charakterisierung der Nanokapseln, sondern eröffnen auch Einblicke in Phasenumwandlungen, Austauschvorgänge oder die zeitaufgelöste Beobachtung von Abbauprozessen.

Die Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) ist als analytische Methode zur Untersuchung chemischer Strukturen inzwischen weit verbreitet. Über die geläufigen Messungen an gelösten und flüssigen Systemen hinaus findet diese Methode auch bereits seit Jahren Anwendungen an festen Systemen, wobei hier neben der molekularen Struktur auch Informationen über die molekulare Dynamik erschlossen werden. Entsprechend unterscheidet man traditionell zwischen den Bereichen der hoch auflösenden Kernresonanzspektroskopie an Flüssigkeiten und der Festkörper-Kernresonanzspektroskopie.

Abb.: Nanokapsel aus Polyalkylcyanoacrylat.

Einen Spezialfall stellt die Untersuchung von Nanopartikeln dar, denn wenn man feste, dispergierte Nanopartikel in einer flüssigen Phase betrachtet, so koexistieren darin auf engstem Raum mobile, niedermolekulare Bestandteile mit fein verteilten Festkörpern. Eine besondere Herausforderung stellen so genannte Nanokapseln dar, die in ihrer Anwendung als Trägersystem für pharmazeutische Wirkstoffe für die medizinische Forschung von speziellem Interesse sind (Abb.).

Aus der Sicht der Kernresonanz erfordert die Charakterisierung von Nanopartikeln eine Kombination aus Flüssigkeits- und Festkörperspektroskopie, um alle Bestandteile des Systems vollständig zu untersuchen. Die Inhomogenität der Probe und die relativ große Verdünnung der darin enthaltenen Festkörperanteile stellen dabei besondere Anforderungen an die experimentellen Methoden.
Das Festkörperspektrum der Partikel wird durch deren Rotationsdiffusion stark beeinflusst, was die Auswertung einerseits wesentlich erschwert, andererseits aber auch wertvolle Informationen über die Partikelstruktur zugänglich macht. An dieser Stelle kann die Kernresonanzspektroskopie eine ihrer wesentlichen Stärken ausspielen: neben der chemischen Struktur einer jeden Komponente des Systems kann gleichzeitig deren molekulare Beweglichkeit bestimmt werden. Auch eine vorübergehende Immobilisierung, z.B. im Rahmen eines Adsorptionsprozesses, lässt sich spektroskopisch erfassen. Die Kernresonanz bietet damit völlig neue Ansatzpunkte zur Analyse nanoskalierter Systeme.

Unter den experimentellen Varianten der Kernresonanz eignen sich im Umfeld organischer Nanopartikel besonders drei Verfahren: die (1H)-13C-Kreuzpolarisation, die Messung unter Probenrotation und die Anwendung von gepulsten Feldgradienten. Zur Auswertung der Messergebnisse dient ein numerisches Simulationsverfahren, das die jeweiligen Experimente unter Einsatz der wichtigsten Systemparameter (Partikelgröße bzw. die Konstanten der Rotations- und Lateraldiffusion, Austauschkonstanten u.a.) in beliebig guter Näherung nachvollzieht. Durch systematischen Vergleich zwischen experimentell bestimmten und simulierten Daten werden alle Bestandteile des Systems hinsichtlich ihres Aufenthaltsorts und ihres Verhaltens charakterisiert, woraus schrittweise ein vollständiges Bild über den Aufbau der Nanopartikel entsteht.

Diese Vorgehensweise ermöglicht die rasche und direkte Beantwortung wichtiger Fragestellungen, wie sie zum Beispiel bei der Anwendung von Nanopartikeln als pharmazeutische Trägersysteme im Vordergrund stehen. Im einfachsten Fall wird durch die Messung die Partikelgröße bestimmt, die sich jedoch auch durch andere Methoden ermitteln ließe. Ihre wahre Stärke entfaltet die Methode hingegen bei der Frage nach dem Aufenthaltsort und dem Verhalten einzelner Komponenten des Systems. Hier erlaubt die Kernresonanz als einziges zerstörungsfreies Verfahren die Unterscheidung zwischen eingekapselten und nicht eingekapselten Komponenten, die Verfolgung von Phasenumwandlungen, die Charakterisierung von Austauschvorgängen an Partikeloberflächen oder durch die Wände von Nanokapseln, sowie die zeitaufgelöste Beobachtung von Abbauprozessen und der Wirkstofffreisetzung. Die bisher bearbeiteten Beispiele (s. Literatur) belegen das Potenzial der kernmagnetischen Resonanz als äußerst ergiebige analytische Methode bei der Optimierung nanopartikulärer Trägersysteme.

Literatur
[1] C. Mayer, „NMR on dispersed nanoparticles“, Progress in NMR Spectroscopy 40 (4), 307-366 (2002).
[2] C. Mayer, D. Hoffmann, M. Wohlgemuth, “Structural analysis of nanocapsules by nuclear magnetic resonance”, International Journal of Pharmaceutics 242, 37-46 (2002).
[3] C. Mayer, "NMR studies of nanoparticles", Annual Reports on NMR Spectroscopy 55, 205-258 (2005).