Polyampholyte Die Erfindung betrifft neue Polymere mit amphoteren Eigenschaften. Dabei handelt es sich um Verbindungen, die innerhalb des umgrenzten pH-Bereiches zwischen 4 und 9 das Vorzeichen ihrer Nettoladung ändern. Die Polymere besitzen einen isoelektrischen Punkt innerhalb des besagten pH- Bereiches, bei dem die Nettoladung Null ist. Die erfindungsgemäßen Verbindungen können zur Herstellung von pH-schaltbaren Nanokapseln oder pH-sensitiven Polyelektrolytschichten oder-multischichten eingesetzt werden.

Es ist dem Fachmann bekannt, dass sich die Nettoladung eines Polyampholyten aus der Summe der Teilladungen der einzelnen funktionellen Gruppen ergibt. Die Abhängigkeit dieser Nettoladung vom pH des Mediums beschreibt die Gleichung z= # ni * ((qi-1)+(10(pKi-pH)/(1+10(pKi-pH)))) Darin ist z die absolute Anzahl der Ladungen an einem Polymermolekül ni die Anzahl der funktionellen Gruppen mit einem dazugehörigen pKi und qi die absolute Ladung der einzelnen ionischen Gruppe unterhalb ihres pK (Bsp. Carboxyl =0, einfache Stickstoffbase = 1, Phosphatgruppe der zweiten Dissoziationsstufe =-1 etc. )

Polyampholyte mit den oben geforderten Eigenschaften entstehen, wenn mindestens einer der Ladungsträger einen pK im gewünschten Bereich aufweist.

Die US 3,929, 743 beschreibt die Herstellung von Polyampholyten, umfassend bis zu 40 mol% eines Monomers mit freier Carboxylgruppe und weiteren nichtionischen Monomeren, wobei ein Teil der Carboxylgruppen durch Umsetzung mit einer Aziridinylkomponente umgeladen wird.

Das Verhältnis der Ladungsträger soll zwischen 19 : 1 und 0,25 : 1 (Carboxyl zu Carboxylaminoester) liegen. Nachteilig ist die Beschränkung der funktionellen Gruppen auf insgesamt 40% der Monomereneinheiten im Polymer.

Die WO 00/39176 beschreibt die Herstellung von hydrophilen Polyampholyten, umfassend eine große Zahl möglicher anionischer oder kationischer Monomere, wobei die kationischen Monomere bevorzugt im Überschuss eingesetzt werden. Nur für diese Verbindungen werden die vorteilhaften Eigenschaften in der Offenbarung ausgeführt.

Die genannten Offenbarungen erfüllen zwar eine Reihe der oben genannten Bedingungen, geben jedoch keine Vorgabe für eine gezielte Auswahl solcher Polymere mit einem isoelektrischen Punkt zwischen 4 und 9 und beschreiben eine solche Auswahl auch nicht als vorteilhaft. Nachteilhaft ist es ebenfalls, dass die funktionellen Gruppen innerhalb der Polymere statistisch angeordnet sind und gleichzeitig sowohl kationische als auch anionische Gruppen mit pK- Werten außerhalb des Bereiches von 4 bis 9 vorhanden sein können. Dadurch wird die Bildung intramolekularer

Salzbrücken favorisiert und nur ein geringer Teil der Ladungsträger steht zur Interaktion mit anderen Molekülen zur Verfügung.

Es bestand daher die erfindungsgemäße Aufgabe, Polymere herzustellen, - die einen isoelektrischen Punkt zwischen 4 und 9 aufweisen - eine grosse Anzahl funktioneller Gruppen umfassen und - eine geringe intramolekulare Salzbildung haben.

Weitere Aufgaben der Erfindung bestanden darin, dass die Verbindungen einfach zugänglich sein sollen.

Die gestellten Aufgaben werden gelöst durch Polyampholyte, von deren ladungstragende Strukturelementen mehr als 50% als Zwitterionen aufzufassen sind, wobei schon diese Strukturelemente einen isoelektrischen Punkt zwischen 4 und 9 besitzt.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch Polyampholyte mit einem hohen Anteil an geladenen Strukturelementen. Als Strukturelement wird die kleinste sich wiederholende Gruppierung eines Polymers verstanden (S. Hauptmann, Organische Chemie, Leipzig 1985).

Die zwitterionischen Strukturelemente können durch weitere Strukturelemente unterbrochen sein, so dass insbesondere alternierende oder statistische Copolymere entstehen.

Unter den geladenen Strukturelementen sind zwitterionische Komponenten mit einem isoelektrischen Punkt zwischen 4 und

9 bevorzugt. Verbindungen, die diese Bedingung erfüllen umfassen mindestens eine anionische funktionelle Gruppe und mindestens eine kationische funktionelle Gruppe, wobei der pK-Wert dieser Gruppen zwischen 3,5 und 9,5 liegt.

Besonders bevorzugt sind zwitterionische Monomere, bei denen alle pK-Werte ladungstragender Gruppen nicht mehr als 3 Einheiten auseinander liegen. Ganz besonders bevorzugt sind zwitterionische Monomere, bei denen alle pK-Werte ladungstragender Gruppen nicht mehr als 1,5 Einheiten auseinander liegen.

Bevorzugte anionische Gruppen sind Carboxylgruppen.

Ihrer chemischen Natur nach sind die bevorzugten Kationen Stickstoffbasen wie beispielsweise Piperazine, Imidazole und Morpholine oder Thiomorpholine, Purine oder Pyrimidine.

Bevorzugt sind solche Molekülfragmente, wie sie in biologischen Systemen vorkommen, also beispielsweise 4- Imidazole (Histamin), 2-, 6- oder 9-Purine (Adenine, Guanine, Adenosine oder Guanosine), 1-, 2-oder 4- Pyrimidine (Uracile, Thymine, Cytosine, Uridine, Thymidine, Cytidine) oder auch Pyridin-3-carbonsäuren (Nicotinsäureester oder-amide).

Stickstoffbasen mit bevorzugten pKa-Werten entstehen auch durch einfache oder mehrfache Substitution des Stickstoffatoms mit Niederalkanhydroxylen, etwa Hydroxymethyl-oder Hydroxyethylgruppen. Geeignete organische Basen aus dieser Gruppe sind beispielsweise Aminopropandiole, Triethanolamine, Tris- (hydroxymethyl) methylamine, Bis- (hydroxymethyl) methylamine, Tris- (hydroxyethyl) methylamine, Bis- (hydroxyethyl) methyl- amine oder die entsprechend substituierten Ethylamine.

Geeignete Bindungen sind beispielsweise C-C-Bindungen, wie sie bei der Polymerisation ethylenisch ungesättigter Verbindungen entstehen, weiterhin- (C=0)-0- Bindungen in Polyestern ;-(C=O)-NH-Bindungen in Polyamiden oder Peptiden ;-NH- (C=O)-O- Bindungen in Polyurethanen und andere mehr. Polyzucker wie beispielsweise Alginate oder Dextrane gehören ebenfalls zu den geeigneten Polymeren.

Die folgende Tabelle gibt beispielhaft Ausführungen für ethylenisch ungesättigte Monomere, ohne das die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu beschränken ist.

Acrylamido-Histidine. Der Rest R1 kann Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder Hydroxyisopropyl sein.

Anstelle der Acrylsäure kann sinngemäss auch Crotonsäure stehen.

N- (Acrylamido)-Diaminobenzoesäuren. Für den Rest R1 und die ethylenisch ungesättigte Gruppe gelten die oben gemachten Ausführungen. R2 ist unabhängig davon Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder Hydroxyisopropyl oder eine Kombination dieser Reste.

Monomere umfassend Acrylsäure und Imidazol- (4, 5) -dicarbonsäure. Der Rest R1 kann Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder Hydroxyisopropyl sein.

Anstelle der Acrylsäure kann sinngemäss auch Crotonsäure stehen.

Die beiden funktionellen Elemente sind über einen Spacer miteinander verbunden.

X und Y sind bevorzugt unabhängig voneinander Stickstoff oder Sauerstoff, die zwischen den beiden Heteroatomen liegende Alkylkette hat 0 bis 8 C-Atome und ist linear oder verzweigt oder zyklisch geschlossen und kann weitere Hydroxylfunktionen enthalten. Der Spacer kann auch ein Polyethylenglykol sein.

Maleinsäuremonoimidazole oder-morpholine oder-thiomorpholine. Der Rest R3 kann Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder Hydroxyisopropyl sein.

Der Rest R3 kann auch eine weitere Carbonsäurefunktion umfassen, insbesondere kann anstelle der Maleisäure Aconitsäure stehen.

X ist Sauerstoff oder Stickstoff, die zwischen X und dem kationischen Rest liegende Alkylkette hat 0 bis 8 C-Atome und ist linear oder verzweigt oder zyklisch geschlossen und kann weitere Hydroxylfunktionen enthalten. () n kann auch ein Polyethylenglykol sein.

Itaconsäuremonoimidazole oder-morpholine oder-thiomorpholine.

X ist Sauerstoff oder Stickstoff, die zwischen X und dem kationischen Rest liegende Alkylkette hat 0 bis 8 C-Atome und ist linear oder verzweigt oder zyklisch geschlossen und kann weitere Hydroxylfunktionen enthalten. () n kann auch ein Polyethylenglykol sein.

Aconitsäuremonopiperazine.

X ist Sauerstoff oder Stickstoff, die zwischen X und dem Piperazin liegende Alkylkette hat 0 bis 8 C-Atome und ist linear oder verzweigt oder zyklisch geschlossen und kann weitere Hydroxylfunktionen enthalten. () n kann auch ein Polyethylenglykol sein. Das Piperazin kann an der N'-Position weiter substituiert sein, insbesondere mit einem Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl oder Hydroxy-isopropylrest.

Additionsprodukt aus Aminoethylpiperazin und Poly- (alt-Maleinsäure/Butadien). Anstelle des Piperazins können auch Morpholin, Thiomorpholin oder Imidazol stehen.

Gegenstand der Erfindung sind solche Polyampholyte, wie sie durch Einbau der oben dargestellten Monomere in Polymerketten entstehen.

Die Polyampholyte können in ihrer Ladungscharakteristik verändert sein, wenn sie weitere geladene Monomere umfassen. Solche Monomere sind aus dem Stand der Technik bekannt, anhand der eingangs erwähnten Formel können die theoretisch erwarteten Ladungscharakteristiken berechnet werden. Bevorzugte geladene Monomere sind monovalent.

Besonders bevorzugte Monomere haben ihren pK im Bereich zwischen 4 und 9. Die gleichzeitige Anwesenheit komplementär geladener Monomere mit einem pK kleiner 4 bzw. größer 9 ist nachteilig. Eine beispielhafte nachteilige Komposition umfasst gleichzeitig Acrylamidosulfonsäuren und Acrylamidoammoniumverbindungen.

Die Polyampholyte können weitere, insbesondere nichtionische Monomere enthalten. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind : - statistische oder alternierende Copolymerisate der Acrylate oder Crotonate mit Acrylamid.

- alternierende Copolymerisate der Maleate, Itaconate oder Aconitate mit Ethylen oder Butadien.

Weitere Modifizierungen der Polymereigenschaften sind durch den Einbau funktioneller Monomere zu erreichen, die etwa hydrophobe oder vernetzende Eigenschaften aufweisen. Solche Modifizierungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Es ist für den Gedanken der Erfindung nicht wesentlich, ob die Polymere durch Polymerisation der genannten Monomere oder durch nachträgliche Umsetzung von vorgeformten Polymeren mit den funktionellen Gruppen hergestellt werden.

In beiden Fällen sind Methoden zur Herstellung bekannt.

So können beispielweise Poly- (alt-Maleinsäure- anhydrid/Ethylen) oder Poly- (alt-Maleinsäureanhy- drid/Butadien) oder Polyacryloylchlorid oder Polyacryl- säureanhydrid leicht mit den Amino-oder Hydroxyfunktionen der geladenen Gruppen umgesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Polymere biologisch abbaubare Polymere sind, bevorzugt sind solche aus Polyzuckern zugänglich. Vorteilhaft ist die Modifizierung von mindestens 20% bis zu 80% der Carboxylgruppen eines Alginats durch kationische Komponenten mit einem pK im Bereich zwischen 3,5 und 9,5. Geeignete Ladungsträger sind oben genannt.

Die folgende Tabelle gibt beispielhaft Ausführungen für vorteilhafte Strukturelemente in Polyzuckern, ohne das die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu beschränken ist. Amide oder Ester der Alginsäure. X bedeutet o n/rrH Stickstoff oder Sauerstoff, e °, () n ist eine Alkylkette mit 0 bis 8 C-Atomen und ist linear oder verzweigt OH OH oder zyklisch geschlossen und kann weitere Hydroxylfunktionen enthalten. () n kann auch ein Polyethylenglykol sein. Als kationische Gruppe kann insbesondere auch Morpholin, Thiomorpholin, Diaminobenzoesäure oder Piperazin stehen. Aminoester der Alginsäure. -NH) n ist eine Alkylkette O 0 NH mit 0 bis 8 C-Atomen und ist linear oder verzweigt oder zyklisch geschlossen und kann weitere OH OH Hydroxylfunktionen enthalten. () n kann auch ein Polyethylenglykol sein. Als kationische Gruppe kann insbesondere auch Morpholin, Thiomorpholin, Diaminobenzoesäure oder Piperazin stehen. Rs reduzierte Schiffbasen aus A-o 9 Aminoimidazol und oxidierten Dextranen. R5 ouzo HN kann Wasserstoff, Hydroxymethyl oder eine (g) n \ Carbonsaure sein. N) n ist eine Alkylkette mit 0 bis 8 C-Atomen und ist linear oder verzweigt oder zyklisch geschlossen und kann weitere Hydroxylfunktionen enthalten. () n kann auch ein Polyethylenglykol sein. Als kationische Gruppe kann insbesondere auch Morpholin, Thiomorpholin, Diaminobenzoesäure oder Piperazin stehen. OH reduzierte Schiffbase aus 0 oxdiertem Dextran und Histidin. Anstelle des linearen Dextrans kann auch HN OH Stärke oder Glykogen stehen. Anstelle des 0 \ Histidins kann auch Diaminobenzoesäure stehen. NH-/i Die erfindungsgemässen Polyampholyte werden bevorzugt zur Herstellung von Polyelektrolytmultischichten verwendet. Diese Schichten können planar oder sphärisch geschlossen sein.

Die Herstellung solcher Schichten ist wiederholt im Stand der Technik beschrieben, so etwa in der DE 198 12 083, der WO 00/28972 oder WO 00/03797 oder auch in Decher& Schlenoff,"Sequentially Assembled Thin Films", WILEY- VCH, 2002.

Polyelektrolytmultischichten nach dem Stand der Technik bestehen unabhängig von ihrem Templat aus wasserlöslichen Polymeren, die durch ionische Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Wesentlich für ihre Struktur ist das Vorhandensein einer Vielzahl von wechselwirkenden Gruppen an den verwendeten Polymeren. Durch die beim Aufbau stattfindende Vernetzung wird eine hohe Stabilität der Gesamtstruktur erzeugt. In den bisher offenbarten Herstellungsvarianten oder Anwendungen wird der Abbau dieser Strukturen nicht beschrieben, eher verweisen die

Beispiele auf die extrem hohe Stabilität der Multischichten. In einer Reihe von Fällen wird diese durch chemische Vernetzung noch weiter erhöht.

Es war daher nicht naheliegend, dass Multischichten von ausgesuchter Zusammensetzung, insbesondere solche, die auch Polyampholyte umfassen, sich im Unterschied zu der allgemeinen Beobachtung relativ leicht durch geringe Änderungen des Milieus auflösen lassen. Solche Strukturen sind daher besonders geeignet, Wirkstoffe zu transportieren und selektiv wieder freizusetzen.

Polyelektrolytmultischichten nach der erfinderischen Lehre werden hergestellt, indem i) ein Templat in wäßriger Lösung mit einem ersten pH- Wert vorgelegt und ii) verschieden geladene Polymere auf dem Templat abgeschieden werden, wobei mindestens eines der Polymere ein Polyampholyt ist.

Die erfindungsgemäßen Multischichten können nach ihrer Herstellung aufgelöst werden, indem iii) ein zweiter pH-wert so eingestellt wird, dass eine Entladung oder Umladung des Polyampholyten erfolgt.

Geeignete Template nach i) sind anorganische oder organische Mikro-und Nanopartikel, die kolloidal gelöst in wäßrigen Medien vorliegen. Diese Gruppe umfasst insbesondere Mikropartikel einer Größe von weniger als logm und mehr als 20nm, bevorzugt weniger 5gm und mehr als 50nm und besonders bevorzugt weniger als lym und mehr als 70nm.

Besonders geeignete Template sind organische Partikel wie etwa Polymer-Latizes, aber auch Zellen oder Zellbestandteile. Ganz besonders geeignete Template sind Liposomen oder Öl-in Wasser-Emulsionen. Andere geeignete Template sind Kristalle. Weitere geeignete Template sind planare Oberflächen, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind (Decher& Schlenoff,"Sequentially Assembled Thin Films", WILEY-VCH, 2002).

Die Herstellung solcher Multischichten ist dem Fachmann bekannt, die verschiedenen Herstellungsmethoden sind für die erfindungsgemäße Verwendung nicht kritisch. Liposomen und Emulsionen oder auch Kristalle als bevorzugte Template zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr leicht, etwa durch Einwirkung von Detergenzien oder Lösungsvermittlern aus den Strukturen zu entfernen sind. Sie eigenen sich daher zur Herstellung templatfreier sphärisch geschlossener Multischichten (Nano-oder Mikrokapseln).

Die Verwendung der mit den erfindungsgemäßen Polyampholyten hergestellten Multischichten erfolgt mit Vorteil bei der kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen im oder am menschlichen Körper.

So können beispielhaft Multischichten aus Polyampholyten (pI ca. 5) und einem Polyanion bei einem pH-Wert von 4 hergestellt werden. Diese Multischichten zerfallen bei pH- Werten größer 5 und können für ein orales Delivery von Wirkstoffen eingesetzt werden. Die Aufnahme erfolgt dabei in leicht saurer Suspension, die Multischichten sind bei dem niedrigen pH des Magens stabil und zerfallen aber beim Eintritt in das Duodenum.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung werden Polyampholyte (pI ca. 6) und Polykationen zu Multischichten bei einem pH von 7 oder höher verarbeitet. Diese Multischichten zerfallen bei pH-Werten kleiner 6 und können für topische Applikationen eingesetzt werden, da der pH der Haut etwa 5,5 beträgt.

Dem Fachmann ist es ohne weiteres möglich, unter Nutzung der oben gegebenen Auswahlkriterien solche Polyampholyte zu konstruieren, die für einen bestimmten Verwendungszweck optimale Schalteigenschaften aufweisen.

Beispiel 1 Synthese eines Polyampholyten 1 5g Poly- (alt-ethylene/maleic anhydride), lOOkDa, werden in 100m1 trockenem Dioxan gelöst. Dazu wird langsam 50m1 einer Lösung von 60mMol 2-Aminoethylmorpholin in Dioxan gegeben.

Die Lösung wird 2 Stunden bei 50°C gerührt und am Rotationsverdampfer auf 50ml eingeengt. Dem Produkt werden 500m1 Wasser zugesetzt und der pH-Wert wird auf 7 eingestellt. Dioxan und überschüssiges Aminoethylmorpholin werden durch Ultrafiltration entfernt, das Polymer wird auf 100m1 eingeengt und anschließend lyophilisiert.

Beispiel 2 Synthese eines Polyampholyten 2 2g Dextran (70kDa) werden in 100m1 Puffer (10mM HEPES, 150mM NaCl pH 8,0) gelöst. Zur Lösung werden unter Rühren nacheinander 50mMol L-Histidin und 20mMol Natriumperiodat gegeben, es wird 5 Stunden bei 60°C gerührt. Dabei wird der pH-Wert in einem Bereich zwischen 7 und 8 gehalten.

Nach dem Abkühlen werden 50mMol Natriumborhydrid zugegeben , die Mischung wird dann über Nacht weiter gerührt.

Die Reinigung des Polymers erfolgt wie oben durch Ultrafiltration, zur Lagerung wird das Produkt lyophilisiert.