Aus Zimmermann, Ulrich et al. : Microencapsulation-Based Cell Therapy, Biotechnology Volume 10, ISBN 3-527-28320-X ist es bekannt, sogenannte Mikrokapseln zur Inkorporation von medizinischen Wirkstoffen zu verwenden. Derartige Mikrokapseln können beispielsweise aus ionotropen Gelen bestehen, die durch Applikation von Ionen vernetzen und aushärten und dadurch den zu verabreichenden medizinischen Wirkstoff umhüllen. Eine me- dizinische Anwendung von Mikrokapseln besteht bspw. in der Transplantationsmedizin. Mikrokapseln werden mit einem Wirk- stoff (z. B. medizinisch wirksame Substanz, Insulin- produzierenden Zellen oder Gewebe) in den zu behandelnden Pa- tienten (z. B. Leber oder intramuskulär) transplantiert. Beim genannten Beispiel würde ohne eine Umhüllung das körpereigene Immunsystem des Patienten die fremden Zellen erkennen und ab- stoßen. Durch die Umhüllung der Zellen mit der Mikrokapsel wird dies vorteilhaft verhindert. Die fremden, verkapselten Zellen sind wirksam vom körpereigenen Immunsystem getrennt, wohingegen die Hülle der Mikrokapsel für den darin enthaltenen oder produzierten medizinischen Wirkstoff permeabel ist. Als ionotrope Gele werden in der Transplantationsmedizin bspw. Al- ginate verwendet.

Aus der eingangs erwähnten Veröffentlichung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung derartiger Mikrokapseln bekannt, bei der ein Gemisch aus Alginaten und den zu verabreichenden medizinischen Wirkstoffen durch eine Düse abgegeben wird, wo- bei der austretende Strahl durch eine koaxiale Düsenanordnung mit Luft angeblasen wird, um die Formung kleiner Tropfen des Gemischs zu fördern. Der auf diese Weise erzeugte Tröpfchen- strahl fällt dann in ein Fällungsbad mit einem Vernetzungsmit- tel (z. B. eine Lösung mit Barium-, Calcium-, Eisen-oder Lan- than-Ionen) wobei die Ionen zu einer Vernetzung der Alginate und damit zu einer Kapselbildung führen.

Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist die Tatsache, dass die Vernetzung der Alginattröpfchen in dem Fällungsbad von der Oberfläche der Alginattröpfchen ausgeht. Zuerst ent- steht auf der Tröpfchenoberfläche eine vernetzte Schicht, mit der Folge, dass die divalenten Kationen nicht mehr frei in die tieferen Bereiche der Tröpfchen vordringen. Im Ergebnis kann es zu einer inhomogenen Vernetzung der Mikrokapseln kommen. Es können Instabilitäten der Mikrokapseln auftreten, die bei der späteren Anwendung, bspw. bei Auftreten von Scherkräften wäh- rend der Transplantation, zu feinsten Rissen führen. Die Tren- nung von Zellen und Immunsystem ist dann nicht mehr gewähr- leistet. Es kann zu Abstoßungsreaktionen kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend be- schriebene bekannte Vorrichtung zur Herstellung von Mikrokap- seln zu verbessern, wobei auch eine möglichst homogene Vernet- zung der Mikrokapseln angestrebt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein verbessertes Verfahren zur Her- stellung von Mikrokapseln bereitzustellen, die sich insbeson- dere durch eine verbesserte biologische oder medizinische Ver- wendbarkeit auszeichnen. Schließlich besteht die Aufgabe der Erfindung auch darin, eine verbesserte Mikrokapsel zu schaf- fen.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 22 bzw. durch eine Mikrokapsel gemäß Anspruch 23 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängi- gen Ansprüchen.

Die Erfindung umfasst vorrichtungs-und verfahrensbezogen die allgemeine technische Lehre, das Vernetzungsmittel nicht durch ein Fällungsbad, sondern mit einem Strahl des Vernetzungsmit- tels zu applizieren, der auf unvernetzte Mikrotröpfchen einer Kapselsubstanz gerichtet wird.

Vorzugsweise ist der Strahl des Vernetzungsmittels hierbei so schnell, dass das Vernetzungsmittel in die unvernetzten Mikro- kapseln eindringt. Dies bietet den Vorteil, dass der Vernet- zungsprozess nicht auf die oberflächennahen Bereiche der Mik- rokapseln beschränkt ist, sondern auch das Innere der Mikro- kapseln erfasst.

Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Strahl des Vernetzungsmittels so langsam ist, dass das Vernetzungsmittel nach dem Eindringen in die unvernetzten Mikrokapseln nicht wieder austritt. Dies ist vorteilhaft, da das Vernetzungsmit- tel nach einem Austreten aus den Mikrokapseln nicht mehr zur Vernetzung beitragen kann.

Die den beiden vorstehend genannten Randbedingungen genügende Strahlgeschwindigkeit kann in einfacher Weise durch Versuche ermittelt werden, indem für verschiedene Werte der Strahlge- schwindigkeit der Vernetzungsgrad der Mikrokapseln untersucht wird. Die Geschwindigkeit des Strahls des Vernetzungsmittels kann dann in einfacher Weise durch eine Variation des Drucks auf den Partikelstrahl eingestellt werden, wobei Druckwerte zwischen 1 bar und 2 bar gut geeignet sind.

Vorteilhaft ist hierbei, dass das Vernetzungsmittel beim Ein- dringen in die zunächst noch unvernetzten Mikrokapseln be- wirkt, dass Einschusskanäle gebildet werden, die auch im ver- netzten Zustand der Mikrokapseln zumindest teilweise bestehen bleiben und dadurch eine Diffusion des Wirkstoffs durch die Einschusskanäle nach außen fördern. Damit wird die Diffusions- hemmung der Kapsel herabgesetzt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn größere Moleküle eingekapselt werden, wie bei- spielsweise Antikörper oder Faktor VIII bzw. Fragmente dieses Faktors.

Der Begriff"Wirkstoff"ist hier allgemein zu verstehen und umfasst beispielsweise einzelne Zellen oder Zellgruppen, menschliches oder tierisches Gewebe, oder medizinisch wirksame Substanzen, wie z. B. pharmazeutische Substanzen oder Hormone.

Darüber hinaus ist in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Förderung der Tropfenbildung bzw. der Kapselfor- mung als Abgabeeinrichtung eine Düsenanordnung vorgesehen, die den Strahl der Kapselsubstanz mit einem formgebenden Strahl anströmt. Vorzugsweise umgibt der formgebende Strahl hierbei den Strahl der Kapselsubstanz beispielsweise koaxial.

In einer Variante der Erfindung verläuft der Strahl des Ver- netzungsmittels im wesentlichen rechtwinklig zu dem Strahl der Kapselsubstanz. Vorzugsweise verläuft der Strahl der Kapsel- substanz hierbei im wesentlichen senkrecht von oben nach un- ten, wobei die Abgabeeinrichtung für den Strahl des Vernet- zungsmittels seitlich neben dem Strahl der Kapselsubstanz an- geordnet ist. Der Strahl der Kapselsubstanz kann jedoch auch beliebige Winkel von 0° bis 90° zur Senkrechten aufweisen.

Der Strahl des Vernetzungsmittels weist hierbei vorzugsweise einen Strahlaufweitungswinkel zwischen 10° und 170° in senk- rechter und/oder waagerechter Richtung auf, wobei jedoch auch andere Werte möglich sind. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Strahlaufweitungswinkel zwischen 10° und 30° erwiesen. Der optimale Wert der Strahlaufweitung hängt jedoch von dem ver- wendeten Gerät ab und sollte so gewählt werden, dass einer- seits die Bewegungsenergie des abgegebenen Vernetzungsmittels durch die Strahlaufweitung möglichst wenig herabgesetzt wird und andererseits der Strahl der noch unvernetzten Mikrokapseln von dem Strahl des Vernetzungsmittels ausreichend erfasst wird.

In einer anderen Variante der Erfindung ist die Abgabeeinrich- tung für den Strahl des Vernetzungsmittels dagegen ringförmig und umgibt den Strahl der Kapselsubstanz. Der Strahl des Vernetzungsmittels verläuft hierbei vorzugsweise radial von außen nach innen, wobei der Strahl des Vernetzungsmittels vorzugsweise einen vorgegebenen Anströmwinkel gegenüber dem Strahl der Kapselsubstanz aufweist.

Der Anströmwinkel des Strahls des Vernetzungsmittels gegenüber dem Strahl der Kapselsubstanz kann nahezu beliebige Werte im Bereich zwischen 0° und 90° annehmen, wobei sich Werte von mehr als 15° als besonders vorteilhaft erwiesen haben.

Bei einer ringförmigen Abgabeeinrichtung für den Strahl des Vernetzungsmittels sind vorzugsweise über den Umfang der Abga- beeinrichtung verteilt mehrere Austrittsdüsen angeordnet, so dass das Vernetzungsmittel von verschiedenen Seiten auf den Strahl der Kapselsubstanz auftrifft, wodurch eine optimale Einwirkung des Vernetzungsmittels auf die Kapselsubstanz er- reicht wird.

In einer anderen Variante der Erfindung weisen die Abgabeein- richtung für die Kapselsubstanz, die Abgabeeinrichtung für das Vernetzungsmittel und die Düsenanordnung für den formgebenden Strahl aneinander angrenzende Austrittsöffnungen auf. Bei- spielsweise ist es möglich, dass die Kapselsubstanz durch eine mittige Düse abgegeben wird, die von einer koaxialen Düse für den formgebenden Strahl umgeben ist, während das Vernetzungs- mittel durch eine außen liegende, ebenfalls koaxiale Düse ab- gegeben wird. Vorzugsweise verläuft der Strahl des Vernet- zungsmittels hierbei im wesentlichen koaxial zu dem Strahl der Kapselsubstanz, wobei der Strahl des Vernetzungsmittels den Strahl der Kapselsubstanz vorzugsweise umgibt.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ver- netzungseinrichtung und/oder die Abgabeeinrichtung für die Kapselsubstanz druckluftbetrieben. Beispielsweise kann das Vernetzungsmittel durch Partikelstromgeräte abgegeben werden, die aus der zahnmedizinischen Technik bekannt sind, wie bei- spielsweise Dentatech Prophy AP II, Dentatech Selector AP oder Kavo Prophyflex 5.

Ferner besteht die Möglichkeit, dass zur weiteren Verbesserung der Vernetzung der Mikrokapsel zusätzlich ein Fällungsbad vor- gesehen ist, das ebenfalls Vernetzungsmittel enthält. Das Fäl- lungsbad sollte hierbei hinreichend groß sein, dass der Strahl der Kapselsubstanz tatsächlich in das Fällungsbad gelangt, da die Bestrahlung mit dem Vernetzungsmittel zu einer seitlichen Ablenkung des Vernetzungsmittels führen kann.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht in der Verkapselung biologisch oder medizinisch wirksamer (d. h. auch transformierter) Zellen in ionotropen Gelen, z. B. Alginaten.

Bei dieser Anwendung wird die Geschwindigkeit des zugeführten Vernetzungsmittels so gewählt, dass die inkorporierten Zellen durch den Strahl des Vernetzungsmittels nicht verletzt werden.

Eine Geschwindigkeitsgrenze wird durch Versuche insbesondere in Abhängigkeit von den verwendeten Partikeln des Vernetzungs- mittels gewählt.

Darüber hinaus läßt sich das erfindungsgemäße Verkapselungs- verfahren bzw. die zugehörige Vorrichtung auch in biotechnolo- gischen Prozessen einsetzen, in denen immobilisierte Zellen (z. B. Mikroorganismen, tierische Zellen, Hefezellen und pflanzliche Zellen sowie pflanzliche Protoplasten) zur Produk- tion und Sezernierung von Wirkstoffen, Aminosäuren, Primär- und Sekundärmetaboliten eingesetzt werden.

Weiterhin kann die Erfindung-wie bereits vorstehend angedeu- tet-zur sogenannten"Controlled Drug Release"verwendet wer- den, wobei eine therapeutisch wirksame Substanz in die Zelle eingeschlossen wird. Die Permeabilität der Mikrokapsel für die Substanz wird hierbei so eingestellt, dass die Substanz nach der Implantation der Mikrokapseln kontrolliert freigesetzt wird. Hierbei kann die therapeutisch wirksame Substanz auch in sogenannten Liposomen (Lipidvehikel) eingeschlossen und dann verkapselt werden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusam- men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Her- stellung von biologischen Mikrokapseln aus Alginaten, wobei ein Alginatstrahl seitlich mit einem Vernetzungsmittel bestrahlt wird, Fig. 2 : ein alternatives Ausführungsbeispiel einer derartigen Vorrichtung, bei dem der Algi- natstrahl durch eine ringförmige Düsenan- ordnung mit Vernetzungsmittel bestrahlt wird, Fig. 3 : eine Detailansicht der ringförmigen Düsen- anordnung aus Fig. 2, Fig. 4 : ein alternatives Ausführungsbeispiel einer derartigen Vorrichtung, bei dem die Aus- trittsöffnungen für das Alginat, die An- blasluft und das Vernetzungsmittel unmit- telbar benachbart sind sowie Fig. 5 : eine Detailansicht der Düsenanordnung der Vorrichtung aus Fig. 4.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Herstellung von biologischen Mikrokapseln 1 aus vernetzungsfähigen Alginaten, wobei die Mikrokapseln 1 verschiedene biologische Wirkstoffe (zum Beispiel Zellen, Gewebe, biologisch oder medizinisch wirksame Substanzen, wie Hormone) enthalten können. Die Einhüllung der biologischen Wirkstoffe in die Mikrokapseln 1 bietet den Vorteil, das diese nach einer Inkorporierung nicht von dem körpereigenen Immunsystem abgestoßen werden, da das Material der Mikrokapseln 1 bioverträglich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist als erste Abgabeein- richtung eine Verkapselungsdüse 2 auf, der über einen Stempel 3 ein flüssiges Gemisch aus Alginaten und den zu verabreichen- den biologischen Wirkstoffen zugeführt wird, wobei die Verkap- selungsdüse 2 zusätzlich mit einer Druckluftleitung 4 verbun- den ist.

Es ist jedoch auch möglich, dass das Gemisch aus Alginaten und den zu verabreichenden Wirkstoffen der Verkapselungsdüse 2 durch eine herkömmliche Einwegspritze zugeführt wird.

Das Gemisch wird dann zur Formung der Mikrokapseln 1 von einem koaxialen Druckluftstrahl angeblasen, so dass die Verkapselungsdüse 2 eine strahlförmige Tropfenfolge der Mikrokapseln 1 abgibt.

Die Verkapselungsdüse 2 ist hierbei so angeordnet, dass der Strahl der Mikrokapseln 1 im wesentlichen senkrecht von oben nach unten gerichtet ist.

Seitlich neben dem Strahl der Mikrokapseln 1 ist als zweite Abgabeeinrichtung ein Partikelstrahlgerät 5 angeordnet, das von einer Basiseinheit 6 über eine Leitung 7 mit einem unter Druck stehenden Vernetzungsmittel versorgt wird.

Hinsichtlich des einsetzbaren Vernetzungsmittels wird auf die bereits eingangs erwähnte Veröffentlichung"Microencapsulati- on-Based Cell Therapy"sowie auf DE 199 35 231 verwiesen, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der zahlreichen mögli- chen Vernetzungsmittel verzichtet werden kann.

Die Basiseinheit 6 für das Partikelstrahlgerät 5 ist über eine Druckluftleitung 8 mit einer Druckluftquelle verbunden, die zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.

Das Partikelstrahlgerät 5 kann beispielsweise ein Dentatech Prophy AP II, ein Dentatech Selector AP oder Kavo Prophyflex 5 sein, wobei diese Geräte aus der zahnmedizinischen Technik be- kannt sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrich- tung gibt das Partikelstrahlgerät 5 einen Strahl 9 des Vernet- zungsmittels ab, wobei der Strahl 9 im wesentlichen waagerecht in Richtung des Strahls der Mikrokapseln 1 verläuft. Hierbei weist der Strahl 9 des Vernetzungsmittels eine Strahlaufwei- tung von rund 30° sowohl in senkrechter Richtung als auch in waagrechter Richtung auf, um eine ausreichende Vernetzung der Mikrokapseln 1 zu erreichen.

Die Geschwindigkeit der Partikel des Strahls 9 ist hierbei so groß, dass die einzelnen Partikel des Vernetzungsmittels in die noch nicht vernetzten Mikrokapseln 1 eindringen, so dass der Vernetzungsprozess nicht auf die oberflächennahen Bereiche der Mikrokapseln 1 beschränkt ist, sondern auch das Innere der Mikrokapseln 1 erfasst.

Die Geschwindigkeit der Partikel des Strahls 9 ist jedoch nicht so groß, dass die einzelnen Partikel des Strahls 9 nach dem Eindringen in die Mikrokapseln 1 diese wieder verlassen, da der Vernetzungsprozess dadurch beeinträchtigt würde, oder ggf. Zellen in den Mikrokapseln beschädigen.

Der Strahl 9 des Vernetzungsmittels besteht vorzugsweise aus einem diskontinuierlichen Strahl von Partikeln des Vernet- zungsmittels. Die Partikel können je nach dem Arbeitsprinzip des Partikelstrahlgerätes atomare oder mikroskopische Dimensi- onen besitzen. Vorzugsweise werden vom Partikelstrahlgerät 5 flüssige, suspendierte oder feste Partikel mit einer charakte- ristischen Größe im Bereich von 500 nm bis 100 um abgegeben.

Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass das Partikel- strahlgerät 5 eine flüssige Vernetzungslösung (z. B. 20 mM Ba- oder Cl-Lösung) abgibt. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Vernetzungslösung in Lipidvesikeln eingeschlossen ist, die dann in die Alginatkugeln eingeschossen werden. Bei einer Temperaturerhöhung wird die Lipidmembran dann permeabel und die divalenten Kationen werden freigesetzt.

Schließlich ist unterhalb der Verkapselungsdüse 2 noch ein herkömmliches Fällungsbad 10 angeordnet, das ebenfalls Vernet- zungsmittel enthalten und dadurch zu einer Verbesserung der Vernetzung der Mikrokapseln 1 führen kann. Derartige Fällungs- bäder sind aus den beiden vorstehend erwähnten Veröffentli- chungen bekannt, so dass hier auf eine detaillierte Beschrei- bung von Fällungsbäder verzichtet werden kann.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass im Folgenden für übereinstimmende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen im wesentlichen auf die vorstehende Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen wird.

Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht im We- sentlichen darin, dass das Partikelstrahlgerät 5 mit einer ringförmigen Düsenanordnung 11 verbunden ist, die detailliert in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Düsenanordnung 11 umgibt den Strahl der Mikrokapseln 1 ringförmig und weist über ihren Umfang verteilt zahlreiche Dü- senöffnungen 12 auf, durch die ein fächerförmiger Strahl 13 des Vernetzungsmittels abgegeben wird. Der Strahl 13 des Ver- netzungsmittels weist hierbei gegenüber dem Strahl der Mikro- kapseln 1 einen Anströmwinkel von rund 40° auf und verläuft ansonsten radial nach innen, so dass der Strahl 13 des Vernet- zungsmittels auf die Mikrokapseln 1 auftrifft.

Auch hierbei ist die Geschwindigkeit des Strahls 13 so groß, dass das Vernetzungsmittel in die einzelnen Mikrokapseln 1 eindringt, jedoch so langsam, dass das Vernetzungsmittel an- schließend nicht wieder austritt.

Schließlich stimmt auch das in Fig. 4 dargestellte Ausfüh- rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weitgehend mit den vorstehend beschriebenen und in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass auch im Folgenden für einander entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen ver- wendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der konstruktiven Ausgestaltung einer Verkapselungsdüse 2', die in Fig. 5 detailliert dargestellt ist.

So weist die Verkapselungsdüse 2'eine zentrische Düse 14 zur Abgabe des Alginat-Zell-Gemischs auf, wobei die Düse 14 von einer konzentrischen Düse 15 umgeben ist, die über eine Zulei- tung 16 mit Druckluft versorgt wird. Die aus der Düse 15 aus- tretende Druckluft fördert hierbei die Formung feiner Tröpf- chen aus dem Alginat-Zell-Gemisch, das aus der Düse 14 aus- tritt.

Die Düse 15 ist schließlich von einer ebenfalls ringförmigen Düse 17 umgeben, die über eine Zuleitung 18 mit dem Vernet- zungsmittel versorgt wird. Das Vernetzungsmittel tritt also aus der Düse 17 aus, wobei der austretende Strahl des Vernet- zungsmittels neben der axialen Geschwindigkeitskomponente auch eine Radialkomponente aufweist und deshalb auf die einzelnen Mikrokapseln 1 auftrifft, was zu deren Vernetzung führt.

Die Geschwindigkeit des aus der Düse 17 austretenden Strahls des Vernetzungsmittels ist hierbei wieder so groß, dass das Vernetzungsmittel in die einzelnen Mikrokapseln 1 eindringt, ohne diese anschließend wieder zu verlassen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen be- vorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.