Blockcopolymere stellen eine unverzichtbare Klasse von Mehrphasensystemen dar, die sich in den letzten Jahren zu wichtigen Materialien entwickelt haben, ein weltweites Interesse bei Physikern, Chemikern, Biologen und Chemieingenieuren geweckt haben und in der Medizin, im Bauwesen und in der Chemie weit verbreitet sind Industrie. Blockcopolymere bestehen aus chemisch unterschiedlichen Homopolymeren, die an einem Ende kovalent verbunden sind. Jedes Polymer des Blockcopolymers kann als Block bezeichnet werden. Eine der interessantesten Eigenschaften von Blockcopolymeren istihre Fähigkeit, sich selbst zu geordneten Mikrodomänenstrukturen zusammenzusetzen.

Amphiphile Blockcopolymere sind normalerweise linear (Diblock, Triblock und Multiblock), zyklisch und mikroarm. Die chemische Natur der Bausteine, ihre Zusammensetzung und ihr Gesamtmolekulargewicht weisen ein unterschiedliches Lösungsverhalten und hervorragende Eigenschaften auf.

Die aktuellen Fortschritte bei Blockcopolymeren stehen in engem Zusammenhang mit der Entwicklung neuer leistungsfähiger Polymerisationstechniken. Blockcopolymere können normalerweise durch (a) sequenzielle kontrollierte oder lebende Polymerisation, (b) einfache Kopplungsreaktion, (c) Verwendung eines dualen Initiators aus zwei verschiedenen Initiatorfragmenten und (d) die Makroinitiatoren einschließlich Funktionalitätsumschaltung erhalten werden. Es ist bemerkenswert, dass es manchmal unmöglich ist, Copolymere mit einer bestimmten gewünschten Struktur nur durch eine einzige Polymerisationstechnik zu synthetisieren. In einem solchen Fall sind die Kombination verschiedener Synthesetechniken und die Funktion des Gruppenwechsels mögliche Strategien.

PEG ist ein hydrophiler, nichtionischer Polyether, der nachweislich eine hervorragende Biokompatibilität aufweist und von der FDA für den internen Verzehr zugelassen ist. PEG ist ein neutrales Polymer mit Hydroxylendgruppen, die schwache Wasserstoffbrückenbindungen darstellen, und schwach basischen Etherbindungen im Grundgerüst. PEG-Moleküle können über eine Reihe unterschiedlicher Wege zu Medikamentenverabreichungsvehikeln hinzugefügt werden, darunter kovalente Bindung, Mischung während der Herstellung oder Oberflächenadsorption. Es kann an beiden Endgruppen zur Anbindung an andere Moleküle oder Polymere modifiziert werden. PEG, das ursprünglich im pharmazeutischen Bereich mit dem Ziel eingeführt wurde, die Halbwertszeit von Proteinen im Blut zu verlängern, ihre Immunogenität zu verringern und sie vor proteolytischem Abbau zu schützen, wird aus diesem Grund häufig für die Entwicklung von Block-Copolymeren ausgewählt seine Hydrophilie, Linearität, Kettenflexibilität, fehlende Ladung und Verfügbarkeit in einem breiten MW-Bereich mit enger MW-Verteilung.

Ein biologisch abbaubares Polymer gilt als „grün“, weil es sich nicht im Körper anreichert und die Umwelt nicht schädigt. Aufgrund seiner Fähigkeit, leicht verstoffwechselt und ausgeschieden zu werden, ist die Anwendung im Bereich der Biomedizin oder Arzneimittelverabreichung attraktiv der Körper. Biologisch abbaubare Materialien sind nicht auf den ortsspezifischen Einsatz von Arzneimitteln, Peptiden und Proteinen beschränkt, sondern gewinnen auch in medizinischen Geräten und Wundverbänden zunehmend an Bedeutung. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden biologisch abbaubare Blockcopolymere als vielversprechende Biomaterialien untersucht, da sie ihr amphiphiles Verhalten sowie ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften durch Änderung des Verhältnisses bestehender Blöcke oder Hinzufügung neuer Blöcke mit gewünschten Eigenschaften modifizieren können.

Blockcopolymere liegen unterhalb ihrer kritischen Mizellenkonzentration (CMC) als Unimere vor und bilden oberhalb der CMC makromolekulare Anordnungen vom Kern-Schale-Typ als polymere Mizellen. Diese resultierenden Polymermizellen stehen im Gleichgewicht mit ihren jeweiligen Unimeren. Die Mizellenbildung solcher Polymere in Wasser ähnelt der Selbstorganisation von Tensiden. Polymere Mizellen gehören zu den umfassend untersuchten Abgabeplattformen, bei denen die äußere Hülle die Opsonisierung minimiert und der innere Kern für die Solubilisierung des Arzneimittels zuständig ist, eine Voraussetzung für den Arzneimitteltransport. Eine schlechte Wasserlöslichkeit hydrophober Arzneimittel schränkt die Erfolgsquote beim Hochdurchsatz-Screening ein. Dies stellt eine Herausforderung für die Formulierung von Wissenschaftlern dar, insbesondere angesichts der wachsenden Zahl zugelassener Moleküle mit hohem Molekulargewicht, Schmelzpunkt und Lipophilie. Der traditionelle Ansatz der Solubilisierung in lipidbasierten Formulierungen leidet unter der schnellen Ausfällung des Arzneimittels in vivo vor der Absorption. Im Gegensatz dazu weisen Mizellen eine überlegene thermodynamische Stabilität und Biokompatibilität auf.

In jüngster Zeit ist das Forschungsinteresse an der Anwendung von Blockcopolymer-Micellen als Nanoträgersystem im Bereich der Arzneimittelabgabe aufgrund der hydrophoben Arzneimittelbeladungskapazität des inneren Kerns sowie der einzigartigen In-vivo-Dispositionseigenschaften geweckt. Diese Blockcopolymer-Mizellen bieten viele Vorteile als wirksame Arzneimittelabgabesysteme, darunter (1) einfache Herstellung, (2) kolloidale Stabilität mit niedriger kritischer Mizellenkonzentration (CMC), (3) einstellbare Größen mit enger Größenverteilung, (4) die Fähigkeit zum Schutz Arzneimittel vor einer möglichen Deaktivierung und bewahren ihre Aktivitäten während der Zirkulation und des intrazellulären Transports, (5) verbesserte Pharmakokinetik und (6) hohe physikalische Beladungseffizienz von Arzneimitteln ohne chemische Modifikation.

Für biomedizinische Anwendungen wurden mehrere biologisch abbaubare Kunststoffpolymere wie Polyethylenglykol (PEG), Polymilchsäure (PLA), Polycaprolacton (PCL) und deren Blockcopolymere entwickelt. Als Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre können Polyethylenglykol-Polymilchsäure (PEG-PLA)-Blockcopolymer und seine Endgruppenderivat-Nanopartikel die Wirkstoffbeladung hydrophober Wirkstoffe erhöhen, den Burst-Effekt reduzieren, eine Verschlingung durch Phagozyten verhindern und die Durchblutung steigern Verweildauer der Medikamente im Blut und Verbesserung der Bioverfügbarkeit.

Bei der herkömmlichen Chemotherapie mangelt es an spezifischer Ausrichtung auf den Tumor, weshalb mehrere Fälle auftreten, in denen das Medikament den gesunden Zellen ausgesetzt ist und es zu Medikamentenresistenzen kommt. Auch die geringe Wasserlöslichkeit von Krebsmedikamenten ist ein hemmender Faktor bei der Arzneimittelentwicklung. Blockcopolymere können dieses Problem aufgrund ihrer Selbstorganisationseigenschaften und ihrer hohen Wirksamkeit bei der Wirkstoffbeladung umgehen. Abstimmbare physikalisch-chemische Eigenschaften und weitere Funktionalisierungen dienen als vielversprechende Hilfsstoffe für die Formulierungsentwicklung. Blockcopolymere Mizellen unterliegen einer passiven Verteilung und Retention an der Zielstelle durch erhöhte Permeabilität und Retentionseffekt. Es erleichtert den Transport und die Lokalisierung von Makromolekülen oder Partikeln bei minimaler Belastung und Schädigung der gesunden Zellen.Daher haben diese Nanoaggregate große Aufmerksamkeit und großen Optimismus bei der Arzneimittelverabreichung und gezielten Therapien erlangt, da sie thermodynamisch stabil, biokompatibel und weniger toxisch sind. Dennoch ist die Medikamentenverteilung aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Gefäßsystems heterogen. Diese Verteilung kann jedoch durch chemische Modifikation des Polymerrückgrats spezifischer gestaltet werden, was eine selektive und hochaffine Wechselwirkung des funktionalisierten Trägers mit den Zielzellen ermöglicht.

Blockcopolymere Mizellen schließen das lipophile Arzneimittel in seinem hydrophoben Mikroumgebungskern ein und verbessern seine Löslichkeit und Bioverfügbarkeit. Ihre Selbstorganisation wird durch die unterschiedliche Wasserlöslichkeit zwischen hydrophilen und hydrophoben Blöcken angetrieben. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Assoziationszahl zunehmend zu, was auf ein anisotropes Mizellenwachstum oder einen Strukturübergang schließen lässt. Studien haben auch den gemischten mizellaren Ansatz gezeigt, der typischerweise zwei Blockcopolymere mit unterschiedlichen Hydrophil-Lipophil-Gleichgewichtswerten kombiniert, um die Arzneimittelverkapselung und -stabilisierung zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf block-Copolymeren basierende Arzneimittelverabreichungssysteme ein großes Potenzial für die Verbesserung der Effizienz therapeutischer Moleküle und die Minimierung ihrer schädlichen Nebenwirkungen bieten. Sowie ihr Selbstorganisationsverhalten, das in den Bereichen Medizin, Leben, Biotechnologie und Umwelt von entscheidender Bedeutung ist und unerwartete Anwendungen bieten wird.

Referenzen

1. Kuperkar, K., Tiwari, S. und Bahadur, P. Selbstorganisierte Blockcopolymer-Nanoaggregate für Anwendungen zur Arzneimittelabgabe. Anwendungen von Polymeren in der Arzneimittelabgabe, 2021, 423–447. 10.1016/B978-0-12-819659-5.00015-X

2. Raval, N., Kalyane, D., Maheshwari, R. und Tekade, R. K. Copolymere und Blockcopolymere in der Arzneimittelabgabe und -therapie. Grundlegende Grundlagen der Arzneimittelabgabe, 2019, 173–201. 10.1016/B978-0-12-817909-3.00005-4

3. Giram, P. S., Wang, J. T.-W., Walters, A. A., Rade, P. P., Akhtar, M., Han, S., Al-Jamal, K. T. Grüne Synthese von Methoxy-poly(ethylenglycol)-block-poly(l -Lactid-Co-Glycolid)-Copolymer unter Verwendung von Zinkprolin als biokompatiblem Initiator für die In-vivo-Abgabe von Irinotecan an Dickdarmkrebs. Biomaterialwissenschaft. 2020. 10.1039/d0bm01421d