Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben FKZ: … · 5.7.3 Untersuchungen zur Extrahierbarkeit von...

Forschungszentrum Jülich GmbH

Projektträger Jülich

Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben FKZ: 0330459

Integrierter Umweltschutz in der Textilindustrie:

Verbundprojekt: Transdermales Kollektorsystem für Drogen und deren Metaboliten - Teilvorhaben DTNW: Komplexierfähige Ausrüstung zur

Gestaltung eines transdermalen, textilen Kollektorsystems

Dr. Dierk Knittel, Dr. Elke Bach

Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e.V. Institut an der Universität Duisburg-Essen

Adlerstraße 1, 47798 Krefeld

Institutsleiter: Professor Dr. Eckhard Schollmeyer

Laufzeit: 01.01.2003 bis 31.12.2006

Abschlussbericht: 01.01.2003 – 31.12.2006 Vorhaben 0330459 Seite I

Inhaltsverzeichnis Seite 1. Aufgabenstellung, Ausgangssituation ..............................................................1 1.1 Problemstellung im medizinischen und textilen Umfeld .........................................1 1.2 Medizinische Diagnostik von menschlichen Stoffwechselprodukten .....................1 1.3 Voruntersuchungen zur Kollektorwirkung von permanent auf Textilien fixierten Cyclodextrinen..........................................................................................3 1.4 Ausrüstung mit Biopolymeren und funktionellen Kohlenhydraten als Komplexbildner ......................................................................................................5 2. Geplanter Ablauf des Vorhabens .......................................................................6 3. Wissenschaftlicher und technischer Stand zur Zeit der Projektierung ..........7 3.1 Wissenschaftliche und technische Ziele des Verbundprojektes ............................7 4. Zusammenarbeit mit anderen Stellen, Teilvorhaben ........................................8 4.1 Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e.V. ............................................8 4.2 Klinik für Dermatologie und dermatologische Allergologie, Jena ...........................8 5. Erzielte Ergebnisse ..............................................................................................9 5.1 Methodische Vorbereitungen .................................................................................9 5.2 Vorüberlegungen zur Entwicklung eines transdermalen Kollektorsystems............9 5.2.1 Schweiß, Vorkommen und Zusammensetzung .....................................................9

5.2.2 Möglicher Aufbau transdermaler Kollektorsysteme zur Aufkonzentrierung von in Schweiß gelösten Substanzen ..................................................................12

5.2.2.1 Vorteile von Kollektorsystemen in Form von Schweißpflastern ...........................12

5.2.2.2 Aufbau von Kollektorsystemen in Form von Schweißpflastern ............................13 5.3 Definition von Geweben zur Untersuchung..........................................................13 5.4 Eingrenzungen innerhalb der Drogenanalytik ......................................................14 5.5 Verwendete Textilien, Chemikalien und Geräte, Analytik ....................................14

5.5.1 Methodik zum Drogennachweis - Fluoreszenz-Polarisations- Immunoassay (FPIA) ...........................................................................................15

Abschlussbericht: 01.01.2003 – 31.12.2006 Vorhaben 0330459 Seite II

5.5.2 GC-MS-Bestimmungen von Drogenmetaboliten..................................................16

5.5.3 Imprägnierversuche mit MCT-β-Cyclodextrin auf Gewebe, Labor .......................16

5.5.4 Ausrüstungsbedingungen für weitere Kohlenhydrate (Chitosan, sulfatierte Kohlenhydrate .....................................................................................17

5.5.5 Messungen zur antimikrobiellen Wirkung von Chitosan ......................................18 5.6 Versuche mit Adrenalin und Ephedrin als Modellsubstanz für Amphetamine zur Komplexierung und Stabilisierung im transdermalen Kollektorsystem ..........16

5.6.1 Indirekte Bestimmung des Verteilungsgleichgewichtes Adrenalin/ Baumwolle/Schweißlösung ..................................................................................19

5.6.2 Untersuchungen zur Stabilisierung von Adrenalin durch Komplexierung in mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteter Baumwolle ..........................................21

5.6.3 UV-spektralphotometrische Bestimmung von 4-Aminophenol neben Paracetamol und Stabilisierungsversuche mit Cyclodextrinderivaten..................23

5.6.4 Versuche zur Stabilisierung von Substanzen durch Komplexierung in β-Cyclodextrin mit Paracetamol und 4-Aminophenol als Modellsubstanz, UV-spektroskopische Bestimmung von 4-Aminophenol und Paracetamol ..........29 5.7 Optimierung der Ausrüstung von Baumwolle mit Cyclodextrin(derivaten) ...........29

5.7.1 Ausrüstungsversuche mit MCT-β-Cyclodextrin....................................................29

5.7.2 Ausrüstungsversuche mit 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin und NHDT................33

5.7.2.1 Bestimmung der Wasseraufnahme von mit β-CD ausgerüsteten CO- Geweben im Vergleich zur nicht ausgerüsteten Ware .........................................37

5.7.2.2 Bestimmung der Reaktivität von MCT-β-Cyclodextrin und NHDT mit 2-HP-β-CD über Vernetzungsreaktion in Lösung.................................................38

5.7.3 Untersuchungen zur Extrahierbarkeit von MCT-β-Cyclodextrin von ausgerüstetem Baumwollgewebe durch Schweißlösung.....................................40

5.7.4 Untersuchungen zur Stabilisierung von 4-Aminophenol durch Komplexierung in mit HP-β-Cyclodextrin ausgerüstetem Baumwollsamt ............42

5.7.5 Versuche zur Komplexierung von Drogen in einem transdermalen Kollektorsystem....................................................................................................44

5.7.5.1 Versuche zur Validierung der Analytik zur vergleichenden Messung der Aufnahmekapazität von Amphetamin an ausgerüstetem Baumwollsamt ............47

5.7.5.2 Berechnung der theoretischen Beladungskapazität des mit HP-β-CD/NHDT ausgerüsteten Baumwoll-Samtes für Amphetamin ..............................................48

5.7.5.3 Vergleich der Beladung von Baumwollsamt mit Amphetamin in Abhängigkeit von der Ausrüstung der Gewebe....................................................49

5.7.5.4 Einfluss des Ausrüstungsgrades des HP-β-Cyclodextrins auf die Freisetzungseigenschaften von Amphetamin ......................................................51 5.8 Wirkung von Chitosanausrüstungen ....................................................................53

5.8.1 CTS-Ausrüstung und Hautverträglichkeit.............................................................53

5.8.2 CTS-Ausrüstung und Ausrüstung mit schwefelhaltigen Kohlenhydraten und antimikrobielle bzw. proteinbindende Wirkung..............................................55

Abschlussbericht: 01.01.2003 – 31.12.2006 Vorhaben 0330459 Seite III

5.8.3 Amphetaminbindung an mit Chitosan ausgerüsteten Waren...............................58 5.9 Industrieversuche zur Imprägnierung von β-Cyclodextrinen bzw. -derivaten auf Baumwollsamt...............................................................................59

5.9.1 Rezepturen für Betriebsversuche und Durchführung, erste Serie .......................59

5.9.2 Rezepturen für Betriebsversuche und Durchführung, zweite Serie .....................63

5.9.3 Eigenschaften der industriell erhaltenen CD-ausgerüsteten Polwaren................64 6. Wertende Zusammenfassung ...........................................................................67 7. Nutzen der Ergebnisse ......................................................................................68 8. Veröffentlichte Arbeiten ....................................................................................69 9. Danksagung........................................................................................................70 10. Literatur...............................................................................................................71

Abschlussbericht: 01.01.2003 – 31.12.2006 Vorhaben 0330459 Seite 1

1. Aufgabenstellung, Ausgangssituation 1.1 Problemstellung im medizinischen und textilen Umfeld In den letzten Jahren werden bei Textilien vermehrt hautwirksame Ausrüstungen im Bereich der kontrollierten Wirkstoffabgabe über sog. transdermale therapeutische Systeme (TTS), der Aufnahme/Bindung von Schadstoffen, der Pflege usw. angestrebt. Dabei wird eine hohe Funktionalität verstärkt von Textilien erwartet, die in direktem Hautkontakt genutzt werden können. Dies betrifft neben kleinflächigen Einwegartikeln, wie Pflaster im Bereich der medizinischen Wund- bzw. Hautversorgung o. ä., vor allem (Mehrweg-)Artikel, wie sie für allergie- oder entzündungssensitive Menschen im Pflegebereich benötigt werden. Für Wäsche- oder Heimtextilartikel (Bettwäsche u. ä.) ist hierbei im Gegensatz zu Verbandmaterialien eine Permanenz der Wirkungs-Ausrüstung unbedingt notwendig. Anhand der nachfolgend aufgeführten Beispiele wird verdeutlicht, warum bevorzugt Mehrwegartikel entwickelt werden sollten. Derzeit werden im OP-Bereich 35 % Mehrweg- und 65 % Einwegartikel eingesetzt. Diese 65 % entsprechen etwa 20.000 t zu entsorgender Textilien pro Jahr, wovon bis zu 90 % durch Mehrwegartikel substituierbar sind. Die restlichen 10 % betreffen den Mundschutz und ähnliche Artikel und sollen hier zunächst ausgenommen werden. Noch drastischer sind die Betrachtungen der Einwegartikel in Pflegestationen. Allein für den Inkontinenzbereich sind heute 73.000 t Einwegartikel als Abfall zu berücksichtigen. Während im Bereich der Wirkstoffabgabe über sog. transdermale therapeutische Systeme (TTS) weltweit sehr starke Forschungsaktivitäten stattfinden, spielt der Einsatz von transdermalen Systemen mit Komplexier- bzw. Kollektorwirkung (TDK) von hautnah getragenen Textilien im Bereich der medizinischen Diagnostik bisher nur eine untergeordnete Rolle. Die zu gestaltenden Funktionstextilien können dabei sowohl relativ großflächig (für Bekleidung), aber auch kleinflächig, etwa für Behandlung bei lokalen Verletzungen, ausgearbeitet werden. Im Sinne von Abfallvermeidung sind die Ausrüstungen zudem alle als Mehrwegartikel konzipiert. Werden - wie vorgesehen - Textilien mit Kollektorfunktion geschaffen, eröffnet sich ein Feld für verbesserte medizinische Diagnostik, so dass indirekte Schutzwirkungen für den Menschen entstehen. Zudem bedeuten solche textilen Systeme für den Patienten/Probanden eine geringere Belastung seines Stoffwechsels und ein gewohntes Habitat. Durch die angestrebte Möglichkeit der Mehrfachnutzung der textilen Kollektorsysteme wird durch Schonung von Ressourcen und durch Vermeidung von Abfall zudem eine Entlastung der Umwelt erzielt. 1.2 Medizinische Diagnostik von menschlichen Stoffwechselprodukten Die medizinische Diagnostik beruht bisher fast ausschließlich auf der Untersuchung der Inhaltsstoffe von Blut bzw. Urin und Kot. Viele Störungen des Stoffwechsels lassen sich durch Konzentrationsänderungen bestimmter Leitsubstanzen in derartigen Matrices feststellen. Durch gerichtsmedizinische Untersuchungen ist bekannt, dass Drogen (z. B. Kokain, Morphium) und Aufputschmittel (z. B. Methadon, Amphetamine) oft nur schwer im Blut oder Urin nachgewiesen werden können. Diese Substanzen werden fast ausschließlich über die Haut aus dem Körper ausgeschieden. Sie befinden sich im Schweiß und können daher durch aufwendige Untersuchungen der Kleidungsstücke diagnostiziert werden [1-6, 29].


Die Nachweisbarkeit bzgl. Drogen(metaboliten) ist für Screening-Untersuchungen weitgehend durch Immunoassays bekannt und wird durch quantitative GC-MS-Messungen unterstützt [Bach1, 6]. Vergleichende Untersuchungen zur Nachweisbarkeit von Drogen in Blut/Urin bzw. in Schweiß sind in Bearbeitung, ohne bisher schlüssige Aussagen treffen zu können [3-5]. Eine klinische Untersuchung der im Schweiß ausgeschiedenen Komponenten ist bisher nur in Einzelfällen möglich, da die entsprechenden Inhaltsstoffe durch auf der Hautoberfläche befindliche Mikroorganismen umgewandelt werden. Zusätzlich können diese Stoffe auch teilweise verdampfen, so dass kein Nachweis möglich ist. Um eine praktikable Untersuchungsmöglichkeit der Schweißkomponenten zu erhalten, müssen diese dem mikrobiellen Abbau entzogen werden. Zur Vereinfachung der Analytik und Diagnostik sollten diese Substanzen zusätzlich in ausreichender Menge verfügbar sein, unabhängig davon, ob es sich um Drogenmetabolite oder um andere Inhaltsstoffe des Schweißes (z. B. Metabolite aus Chemotherapie) handelt. Werden neue Ausrüstungschemikalien - wie etwa vorgesehen komplexierfähige Kohlenhydratderivate als Schweiß-Kollektor-System - innerhalb textiler Materialien eingesetzt, sind u. a. zum Schutz der Probanden zudem Untersuchungen zur potentiellen Schadwirkung auf Hautzellen durch Tests an Zellkulturen vorzusehen, sowohl an den zur Textilausrüstung eingesetzten Stoffen, an komplexierten Metaboliten als auch an den damit ausgerüsteten Textilwaren. Im vorliegenden Verbundprojekt sollte deshalb in Zusammenarbeit von Dermatologie, Textilforschung, medizinischer Diagnostik und Textiltechnik die Funktionalisierung von (körpernah getragenen) Textilien hinsichtlich der Speicher- und Stabilisierwirkung von im menschlichen Schweiß enthaltenen Substanzen erarbeitet werden. Dies betrifft haut-gängige Metaboliten, etwa aus dem Stoffwechsel (z. B. auch aus Drogenabbau) oder nach Verabreichung von Pharmaka (vgl. [1]). Besonders im Vordergrund steht dabei eine speichernde Textilausrüstung mit Mehrwegcharakter. Im Rahmen des Projektes sollten dafür komplexierfähige Kohlenhydrate, wie Cyclodextrine, erprobt werden. Folgend den Anregungen der Gutachter wurden auch lineare, ionische Biopolymere (z. B. Chitosan- und Carrageenanderivate) mit einbezogen, die bereits in anderen Forschungsvorhaben des DTNW untersucht wurden. Eine effiziente Sammelwirkung (Kollektorwirkung) körpernah getragener Textilien wird der Diagnostik neue Wege ermöglichen, da die gesammelten, durch Komplexbildung auch stabilisierten Inhaltsstoffe des Schweißes durch Dekomplexierung vom Textil in angereicherter Form für Analysen zugänglich sind. Die medizinisch-diagnostischen Möglichkeiten, die sich durch eine verbesserte Diagnostik (aus Schweißkomponenten, darin enthaltenen Stoffwechselmetaboliten) ergeben, werden langfristig deutlich Schutzfunktionen und Schutzstrategien ermöglichen.


1.3 Voruntersuchungen zur Kollektorwirkung von permanent auf Textilien fixierten Cyclodextrinen

Textile Materialien mit permanent fixierten Cyclodextrinen oder Biopolymeren sollten geeignet sein, die organischen Inhaltsstoffe des Schweißes zu komplexieren, um sie damit vor einem mikrobiellen Abbau zu schützen. Gleichzeitig bewirkt die Komplexbildung eine Aufkonzentration der Inhaltsstoffe (vgl. [7-11]). Eine neuartige Ausrüstungstechnologie des DTNW beruht darauf, Cyclodextrine und andere Kohlenhydrate permanent auf Faseroberflächen zu verankern [7-11]. Cyclodextrine sind cyclische Zuckermoleküle, besitzen eine torusförmige Gestalt und sind in der Lage, in ihren intramolekularen Hohlräumen, die gegenüber einem wässrigen Umgebungsmilieu einen hydrophoben Charakter aufweisen, unpolare organische Verbindungen, z. B. pharmazeutische Wirkstoffe oder Metaboliten, einzuschließen. Medizinische Anwendungsgebiete für mit komplexierfähigen Substanzen ausgerüstete Textilwaren zeichnen sich in folgenden Feldern ab:

Depot für transdermale Therapiesysteme (vgl. Nikotinpflaster) [12-14], Transdermales Kollektorsystem (zur Aufnahme von durch die Haut ausgeschiedenen

Metaboliten, zur Hilfe bei der Diagnostik), Depot für Desinfektionsmittel (etwa im Pflegebereich von Krankenhäusern u. ä.) und Wirkstoffdepot (zur Behandlung großflächiger Hautkrankheiten).

Die Bedeutung für diagnostische Fragestellungen und Methodiken ergibt sich aus der Tatsache der Eluierbarkeit der im Textil gebundenen, gesammelten, stabilisierten (Schweiß-)Komponenten. Beispielhaft können nach der Beladung der Cyclodextrinhohlräume mit den organischen Inhaltsstoffen des Schweißes, verankert am Textil, diese mit Hilfe von Lösemitteln wieder extrahiert und anschließend analysiert werden. Die Textilausrüstung fungiert somit als transdermales Kollektorsystem (TDK). Nach der Extraktion der Inhaltsstoffe ist eine Wiederverwendung des Textils möglich. Neben der Bestimmung von Rausch- und Aufputschmitteln können auch Metabolite bei Chemotherapien nachgewiesen werden. Ihre Bestimmung gestattet eine Aussage darüber, ob eine Therapie weitergeführt oder abgebrochen werden sollte. Bis zur Projektbeantragung im DTNW durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass durch die Einlagerung der Schweißkomponenten in den fixierten Cyclodextrinen prinzipiell eine Aufkonzentration von Substanzen erfolgt (s. Abb. 1). Nach der Extraktion können die textilen Materialien erneut als transdermales Kollektorsystem verwendet werden. Selbst nach mehrmaligem Extrahieren konnte keine Veränderung der Komplexierungseigenschaften der verankerten Cyclodextrinmoleküle festgestellt werden. Voruntersuchungen des Klinikums Krefeld haben zudem eine hohe Bindefähigkeit einer textilen Cyclodextrinausrüstung gegenüber amphetaminartigen Drogen bestätigt. Da die Cyclodextrinmoleküle unterschiedliche Hohlraumgrößen besitzen, ist es sinnvoll, sowohl α- als auch β- und γ-Cyclodextrin auf der textilen Oberfläche zu fixieren. Damit ist gewährleistet, dass möglichst viele unterschiedliche Inhaltsstoffe des Schweißes komplexiert werden.


Abb. 1: Gaschromatographische Untersuchungen der Schweiß-Extrakte von textilen

Materialien (Baumwoll T-Shirt mit Cyclodextrinausrüstung, 1 Tag getragen). Weitere Voruntersuchungen seitens des Klinikums Krefeld zur Bindefähigkeit von mit Cyclodextrin ausgerüstetem Baumwolltrikot (Unterhemdenstoff) sind in Tabelle 1 angeführt. Hierbei wurde die Komplexierkapazität gegenüber Amphetamin mittels des Analysensystems (AKSYM, Fluoreszenzpolarisationsimmunoassay (FPIA)) bestimmt. Tabelle 1: Prozentuale Komplexierung von Amphetamin (im Nanogramm-Bereich) aus

Lösung an Cyclodextrin ausgerüsteter Ware (6,2 Gew.-% permanente Ausrüstung).

Konzentration Amphetaminlösung [ng/ml]

Eingesetzt Gehalt in Komplexiert KomplexiertAusgerüstetes Gewebe Proben-Nr. [mg] (Start) Restflotte [%] Probe 1 740 5123 2157 2966 58 Probe 2 740 5123 1917 3206 63 Probe 3 666 2561 1230 1331 52 Probe 4 732 1464 835 628 43 Probe 5 2.564 5123 835 4287 84 Mittelwert 60 Unbehandeltes Gewebe 5122 5183 0 0

Bereits durch Spülung mit nur 10 ml reiner Pufferlösung lassen sich aus dem beladenen Gewebe (Nr. 2) ca. 80 % des Amphetamins wieder eluieren.


1.4 Ausrüstung mit Biopolymeren und funktionellen Kohlenhydraten als Komplexbildner

Die Ausrüstung von Textilien mit Biopolymeren eröffnet neue Chancen für die Anwendung im medizinischen Bereich [15-18]. Die vorgesehenen ionischen Kohlenhydrate Chitosan, Alginat bzw. Carrageenan gelten als gute Filmbildner, Feuchtigkeitsregulatoren und bindungsfähige Substanzen. Carrageenan bindet Cationics, wobei zudem die Proteinbindefähigkeit auch Chancen für Allergiker bieten kann, indem allergieauslösende Proteine aus der Umwelt abgefangen werden können. Die angeführten Biopolymere stammen alle aus nachwachsenden Rohstoffen, sind in ausreichenden Mengen verfügbar, und - da oft im Lebensmittelbereich verwendet - biologisch und toxikologisch weitgehend unbedenklich.


2. Geplanter Ablauf des Vorhabens Ursprünglich enthielt das Projekt Aufgabenfelder für mehrere Partner. Dem DTNW war die labormäßige Ausarbeitung/Optimierung der Cyclodextrin- und Biopolymerausrüstung an unterschiedlichen Textilien zugewiesen. Eine weitere Aufgabe lag darin, Vorbereitungen für eine Übertragbarkeit in die industrielle Praxis voranzutreiben. Die dermatologische Klinik Jena sollte Proliferations- und Cytotoxizitätsuntersuchungen von Biopolymeren und Biopolymer-Wirkstoff-Konjugaten und mit Hilfe verschiedener Invitro-Testverfahren durchführen. Zudem sollte die cytologische Wirkung komplexierter Schweißinhaltsstoffe untersucht werden, die von Cyclodextrin bzw. Kohlenhydrat ausgerüstetem Textilmaterial gebunden sind. Die Anreicherungs- und Stabilisierungswirkung der Textilausrüstung hinsichtlich von Metaboliten soll erarbeitet werden. Das Klinikum Krefeld wollte Aufgaben zur Analytik im Spurenbereich hinsichtlich komplexierter Modellsubstanzen für Drogen bzw. deren Metaboliten und deren Wiederfindung nach Extraktion der ausgerüsteten Gewebe übernehmen. Die Textilfirma Binder GmbH wollte für die aus den Ausrüstungsverfahren ausgewählten Textilproben Befestigungselemente (z. B. Klettbandverschlüsse) unterschiedlicher Art nach Einsatz der Kliniken Vorgaben bereitstellen und eine Fügetechnik zur Gestaltung praxistauglicher Kollektor-Muster ausarbeiten. Die Firma Girmes ProMa-Tex GmbH wollte an Flächenware unterschiedlicher Konstruktion im Technikums- bzw. Produktionsmaßstab Ausrüstungen mit Kollektorwirkung applizieren. Weiteres Augenmerk galt der Ausarbeitung einer Ausrüstung von Synthesefasern und von dreidimensionalen Flächengebilden (z. B. Samt, Plüsch), von denen man eine hohe Kollektor-/Speicherkapazität erwarten kann. Durch unterschiedliche Probleme musste von dieser Aufgabenstellung abgewichen werden (s. Kapitel 5.3).


3. Wissenschaftlicher und technischer Stand zur Zeit der Projektierung 3.1 Wissenschaftliche und technische Ziele des Verbundprojektes Im vorliegenden Verbundprojekt sollte in Zusammenarbeit von Dermatologie, Textilforschung, medizinischer Diagnostik und Textiltechnik die Funktionalisierung von (körpernah getragenen) Textilien hinsichtlich der Speicher- und Stabilisierwirkung von im menschlichen Schweiß enthaltenen Substanzen erarbeitet werden. Dies betraf hautgängige Metaboliten aus dem Stoffwechsel (z. B. auch aus Drogenabbau) oder nach Verabreichung von Pharmaka (vgl. [1-4]). Als speichernde Textilausrüstung mit Mehrwegcharakter sollen komplexierfähige Kohlenhydrate, wie Cyclodextrine, erprobt werden (vgl. [8-11]). Folgend den Anregungen der Gutachter wurden auch lineare, ionische Biopolymere (z. B. Chitosan- und Carrageenanderivate mit einbezogen (vgl. [16-18]). Die wissenschaftliche und technische Zielsetzung des vorliegenden Forschungsvorhabens bestand deshalb einerseits darin, die Verfahrensbedingungen für den technischen Einsatz für eine permanente Anbindung einer funktionellen, speicherfähigen Ausrüstung an Textilien zu erarbeiten. Die textilen Ausrüstungsmethoden sollten an das Potential angepasst werden, das die existierenden Maschinenparks der Textilveredlungsindustrie bieten. Für die Verankerungsstrategie sollte dabei auf die Erfahrungen des DTNW bei der Oberflächenmodifizierung von Fasermaterial aufgebaut werden [8-12]. Ein weiteres Ziel des Verbundes bestand in der medizinischen Ausarbeitung der Speicherfähigkeit der Ausrüstung für bestimmte Metabolite (auch aus dem metabolischen Drogenabbau) und die Vertiefung der Diagnostik anhand des menschlichen Schweißes. Gegenstand der klinisch tätigen Projektpartner waren, die Verträglichkeit und die Effektivität eines solchen textilen Kollektorssystems zu prüfen. In Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern sollten hautrelevante Untersuchungen (Reizung bzw. Verträglichkeit bzw. Pflegewirkung, Kollektorwirkung) und Aufkonzentrierungsarbeiten (durch gezielte Elution aus kollektorfähigem Textilmaterial) und damit eine erweiterte Diagnostikmöglichkeit durchgeführt werden. Der Einsatz von Textilien als dermales Kollektorsystem - hier permanente Ausrüstung mit Cyclodextrinen und Biopolymeren – sollte weiterhin den gewohnten Tragekomfort für hautnah getragene Kleidungsstücke berücksichtigen, ohne an Funktionskapazität zu verlieren. Dies würde den ambulant genutzten Gebrauch als Metabolitensammler für medizinisch-diagnostische Analysen ermöglichen. Die Konstruktion (z. B. Befestigung, Fügetechnik) praktisch nutzbarer Medizinartikel sollte von einem Textil- und Kunststofftechnik-Unternehmen ausgearbeitet werden und ein Textilveredlungsbetrieb die Ausrüstungsversuche im Technikums- und Produktionsmaßstab an cellulosischem und synthetischem Fasermaterial übernehmen.


4. Zusammenarbeit mit anderen Stellen, Teilvorhaben 4.1 Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e.V. Gemäß des Projekttitels des Teilvorhabens „Komplexierfähige Ausrüstung zur Gestaltung eines transdermalen, textilen Kollektorsystems“ (Stichwort: Komplexkollektor) bestand die Aufgabe des DTNW in der Erarbeitung einer Cyclodextrinausrüstung und von Ausrüstungen mit ionischen Biopolymeren, die permanent am Textil verankert sind und die eine optimale Speicherfähigkeit für Komponenten des menschlichen Schweißes erbringen. Als Unterauftragnehmer und Berater übernahmen die Städtischen Kliniken (Klinikum Krefeld) die Analytik komplexierter Modellsubstanzen für Drogen bzw. deren Metaboliten im Spurenbereich und deren Wiederfindung nach der Extraktion der ausgerüsteten Gewebe. Als weiterer Unterauftragnehmer stellte die Firma Girmes ProMa-Tex GmbH (heute: Girmes International GmbH) unterschiedliche Flächengebilde zunächst für Testzwecke im Labor zur Verfügung und sollte auf Flächenware unterschiedlicher Konstruktion im Technikums- bzw. Produktionsmaßstab Ausrüstungen mit Kollektorwirkung applizieren. Ein Hauptaugenmerk galt der Ausarbeitung einer Ausrüstung von dreidimensionalen Flächengebilden (z. B. Samt, Plüsch), von denen man aufgrund der großen äußeren Oberfläche eine hohe Kollektor-/Speicherkapazität erwarten konnte. Synthesefasern sollten nur untergeordnet mit einbezogen werden. Die Gottlieb Binder GmbH & Co. sollte für die aus den Ausrüstungsverfahren ausgewählten Textilproben Befestigungselemente (z. B. Klettbandverschlüsse) unterschiedlicher Art nach Vorgaben der Kliniken entwickeln und eine Fügetechnik zur Gestaltung praxis-tauglicher Kollektor-Muster erarbeiten. Aufgrund der Änderung betriebsinterner Schwerpunkte ist die Firma Gottlieb Binder GmbH & Co. kurz nach Beginn des Projektes ausgestiegen, so dass seitens Binder keine Versuchsergebnisse in diesem Verbundvorhaben erarbeitet wurden. 4.2 Klinik für Dermatologie und dermatologische Allergologie, Jena Aufgabe der Klinik für Dermatologie und dermatologische Allergologie in Jena war es, gemäß des Titels ihres Teilvorhabens „Proliferations- und Cytotoxizitätsuntersuchungen von Biopolymeren und Biopolymer-Wirkstoff-Konjugaten mit Hilfe verschiedener in vitro-Testverfahren“ zu erarbeiten. Dies beinhaltete die Untersuchung der zytotoxikologischen Wirkung von mit Cyclodextrinen bzw. Kohlenhydraten ausgerüsteten Textilmaterialien sowie der komplexierten Schweißinhaltsstoffe, u. a. im Hinblick auf die Anreicherungs- und Stabilisierungswirkung von Metaboliten durch die Textilausrüstung. Dazu sollten systematische Studien zum Proliferationsverhalten von HaCaT-Keratinocyten und anderen Zelllinien unter dem Einfluss verschiedener komplexierter Schweißinhaltsstoffe und von Metaboliten sowohl an den isolierten Komplexen als auch auf am Gewebe befindlichen Komplexen durchgeführt werden. Dies sollte über Luminiszenz- und Bioluminiszenzassays (ATP-Messungen u.ä.) sowie fluorimetrische Methoden erfolgen (vgl. 1-3,19-21a, b]). Zusätzlich waren Messungen der Fluoreszenzpolarisation zur Bestimmung der Bindungskonstanten komplexierter Metabolit-/Wirkstoff-Konjugate vorgesehen. Die Methodik, die der Unterauftragnehmer Städtische Kliniken (Klinikum Krefeld), Krefeld, vorsehen wollte, umfassen Fluoriszenzspektroskopische Analysen in Immunoassays sowie gaschromatographisch/massenspektrographische Untersuchungen.


5. Erzielte Ergebnisse 5.1 Methodische Vorbereitungen 5.2 Vorüberlegungen zur Entwicklung eines transdermalen

Kollektorsystems Bei der Entwicklung transdermaler Kollektorsysteme, wobei im Schweiß gelöste Substanzen in einem textilen Patch angereichert werden sollen, gilt es, folgende Fragen zunächst im Vorfeld zu klären: Welche Zusammensetzung der Schweißkomponenten und welcher pH-Wert der Schweißlösung ist zu wählen, um realitätsnahe Untersuchungen des Komplexierungsverhaltens von Modellsubstanzen im transdermalen Kollektorsystem vornehmen zu können? An welcher Körperstelle mit hoher Anzahl an Schweißdrüsen sollte idealer weise ein textiles Patch angebracht werden? Wie sollte ein Patch, welches als transdermales Kollektorsystem genutzt wird, aufgebaut sein? Wie hoch ist die theoretische Konzentration an komplexierfähigen Molekülen auf der Textiloberfläche? Welche Größendimension ergibt sich für ein solches Patch, damit eine analytisch nachweisbare Konzentration an (komplexierten) Metaboliten vorhanden ist? 5.2.1 Schweiß, Vorkommen und Zusammensetzung Der geknäuelte Anfangsteil der Schweißdrüsen (siehe Abb. 2) produziert ein weitgehend eiweißfreies Ultrafiltrat aus dem Blutplasma (merokrine Sekretion). Die flacheren Zellen des Ausführungsganges entziehen diesem Sekret Kochsalz, so dass am Ende die Na+- und Cl-Konzentration des Schweißes mit ca. 30–50 mmol/l dreimal niedriger liegen als die des Blutplasmas – der Schweiß ist hypoton (Hypotone Lösung: Lösung mit geringerem osmotischem Druck als eine Vergleichslösung [22-24]). Ekkriner und apokriner Schweiß Der Mensch besitzt zwei verschiedene Arten von Schweißdrüsen: kleinere ekkrine und größere apokrine. Der pH-Wert des ekkrinen Schweißes beträgt pH 4-6 [22-24]. Schweißdrüse

ekkrines Schweißdrüsen-knäuel

apokrines

Schweißdrüse n knäuel

Talg

- Abb. 2: Schematische Darstellung ekkriner und apokriner Schweißdrüsen [22-24].


Ekkrine Schweißdrüsen sind über den gesamten Körper verteilt und sind in besonders hoher Konzentration auf Stirn, Fußsohlen und Handinnenflächen vorhanden. Im Handteller, auf der Fußsohle und in der Achselhöhle befinden sich ca. 400 Schweißdrüsen/cm2, an Nacken, Rücken und Gesäß ca. 55 Schweißdrüsen/cm2. Sie dienen zur Thermoregulation des Körpers vor Überhitzung. Über 99 % der Schweißdrüsen des menschlichen Körpers sind ekkrinen Ursprungs . Die Anzahl ekkriner Schweißdrüsen auf der gesamten Haut wird auf ca. 2 Mio. geschätzt [22]. Ekkriner Schweiß besteht aus einer sterilen, farb- und geruchlosen wässrigen Lösung aus NaCl, KCl, CaCl2 und MgCl2 mit Spuren an Aminosäuren, biogenen Aminen und Vitaminen. Ekkriner Schweiß erhöht bei Verdunstung die Säurezahl, so dass pH-Werte von 3-5 auf der Hautoberfläche erreicht werden. Der pH-Wert des ekkrinen Schweißes kann sich auch durch eine behinderte Verdunstung ähnlich wie apokriner Schweiß verhalten, wodurch es zu einem pH-Wert-Anstieg auf der Hautoberfläche kommt. Betroffen sind insbesondere Bereiche, bei denen Hautflächen überlappen oder eng aneinander anliegen (Genitocruralfalten des Mannes, Genitalgegend der Frau, Analgegend, Interdigitalpartie des Fußes, Fußsohle, Brustunterseite, Bauchfalten, etc. [22-24] (s. Abb. 3).

Achselhöhle Genitocruralfalten Genitalgegend der Frau

Analgegend Interdigitalpartie des Fußes Fußsohle

Abb. 3: Die physiologischen Lücken des Säuremantels der Haut des menschlichen Körpers [22-24].

Die Schweißmenge, die ein Mensch abgibt, beträgt im Schnitt 20 ml/h (100 ml/Tag), aber auch bis zu 8 l/Tag), kann aber auch kurzzeitig > 1 l/min (50 ml/min oder 2 l/h) betragen. Die Sekretproduktion der apokrinen Drüsen wird besonders durch starke emotionale Reize aktiviert. Der pH-Wert des apokrinen Schweißes kann zu Beginn schwach sauer, neutral oder schwach alkalisch sein; bei der Verdunstung wird er alkalisch zersetzt, d. h. apokriner Schweiß vermindert bei Verdunstung die Säurezahl. Apokrine Schweißdrüsen befinden sich im Schaft von Haarfollikeln in der Nähe von Talgdrüsen (s. Abb. 2) [23]. Apokriner Schweiß entsteht hauptsächlich in der Achselhöhle, aber erst mit Beginn der Pubertät, wenn sich im Achselbereich Haare gebildet haben. Die ausgeschiedene viskose,


trübe, gelblich-weiße Flüssigkeit ist zunächst steril und geruchlos und reich an Cholesterin (75 %) sowie Triglyzeriden und Fettsäuren (20 %) [26]. Zusammensetzung von menschlichem Schweiß 98 % des Schweißes bestehen aus Wasser. Ein weiterer Hauptbestandteil ist Kochsalz (NaCl). Außerdem enthält der Schweiß noch Kalium, Calcium und Magnesiumsalze sowie wichtige harnpflichtige Substanzen wie Ammoniak, Harnstoff, Harnsäure und Kreatin [29-26]. Tabelle 2: Zusammensetzung des Schweißes (nach [19-26]).

Ion M [g/mol] c [mg/l] c [mmol/l] c [mg/l] c [mmol/l]

c [mg/l] c [mmol/l]

Na+ 22,99 1.200 52 1.168 50,8 ± 16,5 1.400 60,9 K+ 39,10 300 8 188 4,8 ± 1,6 370 9,5 Ca2+ 40,08 160 4 52 1,3 ± 0,9 50 1,3 Mg2+ 24,31 36 15 12 0,5 ± 0,5 - - Cl- 35,45 1.000 28 1.652 46,6 ± 13,1 1.850 52,2 SO4

2- 96,03 25 0,3 PO4

3- 94,97 15 0,2 Zn2+ 65,37 1,2 0,018 Fe 55,85 1,2 0,021 NH3 17,00 80 4,7 Harnstoff 60,08 580 9,7 Milchsäure 90,08 3.000 33,3

Weitere aus der Literatur – insbesondere für die Freisetzung von Substanzen durch Schweiß über direkten Hautkontakt - zu entnehmende Modellzusammensetzungen für Schweiß sind:

1. Kunstschweiß nach 3160-2:1992 / ISO Standard [27] zur Bestimmung der Freigabe von Metallen aus Goldlegierungen bei Uhren und Accessoires

NaCl 20,0 g/l NH4Cl 17,5 g/l Essigsäure (CH3COOH) 5,0 g/l Milchsäure (CH3CHOHCOOH) 15,0 g/l Einstellung mit 0,1 mol/l NaOH auf pH 4,7 2. Kunstschweiß nach DIN 54 020 (Nov. 1983) zur Bestimmung der Schweißechtheit von

Färbungen und Drucken [27]. a) alkalische Lösung: L-Histidin-monochlorid-1-hydrat (C6H9O2N3 HCl H2O) 0,5 g/l NaCl 5,0 g/l Dinatriumhydrogenphosphat-12-hydrat (Na2HPO4 12 H2O) 5,0 g/l Einstellung mit 0,1 mol/l NaOH auf pH 8,0. b) saure Lösung: L-Histidin-monochlorid-1-hydrat (C6H9O2N3 HCl H2O) 0,5 g/l NaCl 5,0 g/l Natriumdihydrogenphosphat-2-hydrat (NaH2PO4 2 H2O) 2,2 g/l Einstellung mit 0,1 mol/l NaOH auf pH 5,5.


Die Auswahl in der Zusammensetzung des Schweißes erfolgte letztendlich - basierend auf entsprechenden Literaturdaten - in Absprache mit der Hautklinik Jena. Die Konzentrationen der verwendeten Salze sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Alle Kationen wurden als Chloride eingesetzt und die Schweißlösung mit verdünnter HCl (0,1 mol/l) auf pH 3 bzw. pH 5 eingestellt. Der Vorteil der Schweißlösung liegt darin, dass keine organischen Substanzen verwendet werden, die Probleme durch einen mikrobiellen Abbau bei Langzeitversuchen verursachen könnten. Tabelle 3: Zusammensetzung der im Rahmen des Projektes eingesetzten Schweißlösung

Ion M [g/mol] c [mg/l]

c [mmol/l]

verwendete Salze

Einwaage [mg/l]

Na+ 22,99 1.168 50,8 ± 16,5 NaCl 2969,53 K+ 39,10 188 4,8 ± 1,6 KCl 358,45 Ca2+ 40,08 52 1,3 ± 0,9 CaCl2⋅2 H2O 190,74 Mg2+ 24,31 12 0,5 ± 0,5 MgCl2⋅6 H2O 100,32 Cl- 35,45 1.652 46,6 ± 13,1

5.2.2 Möglicher Aufbau transdermaler Kollektorsysteme zur

Aufkonzentrierung von in Schweiß gelösten Substanzen Zunächst erfolgt die Ausscheidung von Drogen über die Haut über Schweißdrüsen, Talgdrüsen (perspiratio sensibilis) und den transdermalen Flüssigkeitstransport (perspiratio insensibilis) [28]. Der Transfer von Substanzen von der Haut in das transdermale Kollektorsystem wird dabei durch die Schweißmenge, den pH-Wert des Schweißes und die Anwesenheit von Ionen beeinflusst. Anhand von Erfahrungsberichten beträgt die benötigte Zeit zur Aufkonzentrierung der zu sammelnden Substanzen im Kollektorsystem 3-10 Tage mit anschließender Lagerung des Kollektorsystems bei –20 °C in einem Plastikschlauch. Die in dieser Zeit angereicherte Drogenmenge pro Pflaster beträgt bei einer abgeschätzten Größe des transdermalen Kollektorsystems von 2 x 3 cm bis 3 x 4 cm2 zwischen 0 und 500 ng. Die Platzierung des transdermalen Kollektorsystems erfolgt entweder am Oberarm außen oder am Rücken [29,30]. 5.2.2.1 Vorteile von Kollektorsystemen in Form von Schweißpflastern Pflaster scheinen generell für eine Anwendung als transdermales Kollektorsystem am besten geeignet zu sein. Zunächst schützt das Pflaster die Haut vor Einflüssen (Kontaminationen) durch die äußere Umgebung während des Tragens [12, 13, 30]. Weiterhin wird durch die Reinigung der Haut vor der Applikation des Pflasters mit 70 % i-Propanol das Bakterienwachstum reduziert und vorhandene Hautkontaminationen entfernt, so dass Fremdkontaminationen minimiert werden können.


5.2.2.2 Aufbau von Kollektorsystemen in Form von Schweißpflastern Der Innenbereich eines solchen Pflasters besteht z. B. aus Baumwollgaze, die in Kontakt mit dem Schweiß der Haut steht. Sie ist in der Lage, die Diffusion des Schweißes durch die anschließende Unterstützungsschicht auf einen Wert kleiner als die minimal von der Haut abgegebene Schweißmenge zu begrenzen. Die Unterstützungsschicht besteht aus einer Gas (Wasserdampf) permeablen Membrane aus mikroporösem Polycarbonat oder aus PA 6.6. In der Mittelschicht des Pflasters befindet sich Absorber-Material (Proteine, Nylon 6.6, Polyurethan, Polyester (PBT) Papier), welches mit der Unterstützungsschicht in Kontakt steht und die aus dem Schweiß stammenden nicht-flüchtigen Substanzen, die durch die Unterstützungsschicht diffundieren, absorbiert. Manchmal wird auch ein flüssiges Medium, welches den Übergang der Substanzen von der Hautoberfläche zu dem Bindemittel erlaubt, eingesetzt. Das Absorbermaterial kann zusätzlich mit einer Substanz beschichtet sein, die einen bestimmten Bindungspartner mit hoher Affinität zu einer zu sammelnden (anzureichernden) Substanz besitzt. Das Absorbermaterial wird nach der Anreicherung entweder aufgelöst und die Substanzen in Lösung analysiert, oder alternativ werden die absorbierten Substanzen mit Lösemitteln zunächst eluiert und anschließend analysiert. Als Abschluss dient eine Schutzschicht, die verhindert, dass Fremdkontaminationen von außen in das Pflaster gelangen können. Allerdings gibt es auch Probleme, die auftreten können, wenn eine abschließende Abdeckung und flüssige Medien verwendet werden: - Das Verteilungsgleichgewicht zwischen der Haut und der zu sammelnden Substanz

stellt sich ein und führt zu einem Herausdiffundieren der Substanz aus dem Kollektorsystem in die Haut [13].

- Es kann zu einer Rückdiffusion von Substanzen kommen, die aus dem Schweiß stammen,

- Veränderte Transporteigenschaften der Haut (außen und innen), - Die Schweißdrüsenaktivität wird stark durch Wasser auf der Haut beeinflusst. So

verringert sich die Schweißsekretion in Gegenwart von Wasser um ca. 40 %, da das Wasser auf der Haut dazu führt, dass die Epidermiszellen der Haut anschwellen, wodurch der Schweißkanal blockiert wird (vgl. Abb. 3).

- Durch die Gegenwart von Wasser wird das Bakterienwachstum gefördert, - Die gesammelten Substanzen können durch im Schweiß enthaltene Enzyme oder

durch Bakterien oder das feuchte Klima im Pflaster abgebaut werden. 5.3 Definition von Geweben zur Untersuchung Die Untersuchungen wurden zunächst labormäßig an definiertem Standard-Baumwollgewebe (CO-ECE) durchgeführt, um eine Rezepturbasis erstellen zu können. Im weiteren Verlauf wurde eine Festlegung auf ´dreidimensionale´ Flächenware (Polware, Samte, Webpelze) nach Absprache mit der Hautklinik Jena getroffen. Diese Auswahl läßt einerseits eine hohe Aufnahme für die Behandlungsflotten erwarten und damit eine hohe Cyclodexrtinbeladung und andererseits eine hohe Saugfähigkeit und Kapazität für die Schweißaufnahme. Es wurden dafür von der Fa. Girmes Baumwollsamte bereitgestellt. Hierbei ist zu beachten, dass diese Samte aus jeweils mehreren (cellulosischen) Materialien bestehen (z.B. CO, Viskose und Modal). Die vom neuen Partner Alceru dem DTNW vermittelten Proben waren konfektionierte pulloverähnliche gefärbte Muster. Sie wurden nicht in systematische Untersuchungen einbezogen, da nur an Flachware ein homogener Auftrag erhältlich ist und die erfolgte Färbung sicherlich eine gute Anbindung der Cyclodextrinderivate mindert.


5.4 Eingrenzungen innerhalb der Drogenanalytik Nach Erläuterungen des Klinikums Krefeld war nicht zu erwarten, dass ein Drogennachweis aus Schweiß bald eine Rolle spielen wird, da derzeit die rechtlich relevanten Nachweismethoden auf Nachweise aus Blut, Speichel bzw. Urin festgelegt sind. Auch stößt derzeit eine Verpflichtung zum Tragen bestimmter Textilwaren auf Persönlichkeitsschutzrechte. Jedoch ist eine Stabilisierung von Drogen bzw. von Metaboliten zur Erleichterung der Laboranalytik erstrebenswert. Im Projektverlauf wurden daher zuerst Stabilisierungsfragen mit Cyclodextrinderivaten an Amphetaminabkömmlingen durchgeführt. Da aber im Projektverlauf der Partner Hautklinik Jena keine erneute Genehmigung zum Umgang mit z. B. Adrenalin u. ä. aufrechterhalten konnte, wurden derartige Untersuchungen auf die einfachen Modellverbindungen Aminophenol und Paracetamol® reduziert. Untersuchungen hinsichtlich der Amphetaminbindefähigkeit ausgerüsteter Modelltextilien und zur Wiederfindung von Amphetamin durch Extraktion konnten jedoch am Klinikum Krefeld weiterhin erfolgen. 5.5 Verwendete Textilien, Chemikalien und Geräte, Analytik Textilien Baumwolle ECE S/400 Druckgewebe gebleicht und entschlichtet, Leinwandbindung, Flächengewicht 102 g/m2, Fadendichte nach DIN 53853: 33,3 Fd/cm (K), 28,8 Fd/cm (S), (ECE-CO) (Testex, Bad Münstereifel), PET-ECE-Testgewebe 131 g/m2, Dicke 0,3 mm, 25,4 Fd/cm (K), 20,9 Fd/cm (S) (Testex), Fertig ausgerüstete Hemden/Shirts von Fa. Alceru (Rudolstadt). Dreidimensionale Ware (Girmes International GmbH, Grefrath). CO-Gewirkmaterial (41020, 11-732412), Webpelze jeweils gewaschen, gebleicht, entwirrt, eingestreckt und getrocknet: 56/44 % CV/CO: 407 g/m2, 65/35 % CV/CO: 571 g/m2, 34/49/17 % CV/CO/CMD: 296 g/m2, 61/29/10 % CV/CO/CMD: 514 g/m2, Samt Flor: 100 % CO, Rücken: 50/50 % CO/CMD, gesamt: 73/27 % CO/CMD: 250 g/m2 (CV=Viskose, CO= Baumwolle, CMD= Modal).

Chemikalien

Cavasol® W7 MCT (Monochlortriazinyl-β-Cyclodextrin Na-Salz) (MCT-ß-CD), Chargen-Nr. 75B090, Substitutionsgrad 0,39, Wassergehalt 3,8 %, alkalisch eingestellt auf pH 7-8, Cavatex® W7 MCT (Monochlortriazinyl-β-Cyclodextrin Na-Salz), Chargen-Nr. 75B091, Cavatex® W7 HP (2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin) (HP-CD) Chargen-Nr. 74T005, Cavamax® W7 Pharma β-Cyclodextrin, Chargen-Nr. 70P229, γ-Cyclodextrin (W8 M 1,8), α-Cyclodextrin, purum > 98 % (Organic Intermediates, Wacker Chemie), Butantetracarbonsäure (Fluka), Cyanurchloid (CNC) (Fluka, Degussa AG), Taicros® aqua (stab.), 2-Na-Hydroxy-4,6.dichlor-1,3,5-triazin (NHDT) 7,6-8,4 % in Wasser mit 0,5-0,9 % NaHCO3 stabilisiert, pH 8,2-9,0 (Degussa AG), 4-Aminophenol pract. > 98 % (Fluka), (R)-(-)-Adrenalin, 99 %, (Aldrich), Paracetamol (99 %) (Merck),


Na2CO3 (wasserfrei) und NaHCO3 (Merck), Chitosan (Fa Heppe, Queis, Marine Bioproducts, Bremerhaven), Carrageenan (SKW Biosystems, Düsseldorf/Fluka) Fucoidan (Fa. Kraeber) Weitere Standardchemikalien, Puffer etc. (Merck, Fluka), Polydiallyldimethylammoniumchlorid (DADMAC), Polyethylensulfonsäure Na-Salz (PES-Na) (Mütek).

Laborgeräte 2-Walzen-LaborfoulardVFM (Mathis) Trockenofen TritecTS4115 VU (Tritec, Hannover) Linitest Echtheitsprüfgerät 7421 (Heraeus), Datacolor Farbprüfgerät, Karl-Fischer Titrator T68KF (Metrohm), Particle Charge Detector PCD II (Mütek, Herrsching), Cary UV-VIS-NIR Spectralphotometer 5E (Varian), Nu-Martindale Abrasionstester 403/32/104-2 (Heal, Halifax), Materialprüfgerät 1445 (Zwick).

Chromatographische Versuche zur Drogenanalytik Gaschromatograph: Hewlett Packard, Typ 5890A, Fused Silica Kapillarsäule mit 5 % Phenylmethylsilikon; 50 m, 20 ml/min He als Trägergas, Direkt-Einlass, Temperaturprogramm: 1 min 100 °C, mit 20 °C/min auf 290 °C, 5 min Haltezeit, Massenspektrometrie-Detektor: HP 5971A MSD (Vakuumpumpe Edwards A65202906). Extrahierte Urinproben, 300-100 μl, Injjektionsvolumen 2-3 μl; Proben nach Acetylierung mit Acetanhydrid, Retentionszeit: Amphetamin AC:7,87 min; Coffein: 10,11 min

Technische Ausrüstungsversuche Angaben zu Geräten und Maschinen finden sich im Arbeitsteil Kapitel 5.9.2.

5.5.1 Methodik zum Drogennachweis - Fluoreszenz-Polarisations-

Immunoassay (FPIA) Beim Fluoreszenz-Polarisations-Immunoassay konkurrieren ein Fluoreszein markiertes Antigen und das Amphetamin in der Untersuchungsprobe um eine begrenzte Menge von Drogen-Antikörpern. Die Anregung des Fluoreszeins erfolgt mit polarisiertem Licht. Je höher die Bindungsdichte der in der Probe (z.B. Urin) vorhandenen Drogen-Antigene ist, desto freier kann das Fluoreszein rotieren. Vom Grad der Rotationsaktivität des Fluoreszeins ist wiederum der Grad der Polarisation des Fluoreszenzlichtes abhängig. Somit ergibt sich als Maß für die Konzentration der Polarisationsgrad der durch die jeweiligen Drogen (-Antigene) beeinflussten Strahlung (vgl. [19]). Die Untersuchungen wurden mit einem Abbott-Axsym®-System (Abbott GmbH, Wiesbaden) und dem entsprechenden Test-Kit für Amphetamin/Methamphetamin II durchgeführt.


5.5.2 GC-MS-Bestimmungen von Drogenmetaboliten Die gaschromatographischen Messungen im Klinikum Krefeld wurden mit einer 25 m langen unpolaren Hewlett-Packard HP-5 Kapillar Säule mit einem Innendurchmesser von 0,2 mm und 0,33 µm Filmdicke nach Acetylierung des Probengemisches durchgeführt. . Acetylierung: 5 ml Urin werden zunächst in 25 %-iger HCl-Lösung durch Kochen für 15 min am Rückfluss hydrolysiert. Die Lösung wird anschließend mit NaOH auf pH 9-10 alkalisch gestellt. Es erfolgt eine Extraktion der Lösung mit 3 x 60 ml CH2Cl2. Die CH2Cl2-Fraktion wird abgedampft und der Rückstand in 3 ml Acetonitril aufgenommen. Nach Zugabe von 500 µl Pyridin und 1 ml Essigsäureanhydrid wird die Lösung für 30 min auf 80 °C erhitzt. Der Rückstand wird in 5 ml MeOH aufgenommen. Dieselbe Vorgehensweise erfolgte auch bei der Acetylierung von Amphetamin als Modellsubstanz. Das Amphetamin lag hierbei in einer physiologischen Kochsalzlösung (0,9 % in Wasser) in einer Konzentration von 10 µg/ml Stammlösung vor. Die Einwaage an Baumwollsamtgewebe betrug pro Versuch zwischen 0,6 und 0,8 g. Die acetylierten und in Methanol aufgenommenen Substanzen wurden auf die in den Monovetten vorliegenden Baumwollsamtproben gegeben und für 4 h verweilen gelassen. Eine Verlängerung der Kontaktzeit auf 24 h führt in diesem Fall nicht zu einer höheren Amphetaminaufnahme. Anschließend wurden 3 µl der überstehenden Lösung entnommen und manuell in die GC/MS injiziert. Die Identifizierung erfolgte über die Retentionszeit. 5.5.3 Imprägnierversuche mit MCT-β-Cyclodextrin auf Gewebe, Labor Klimatisiertes ECE-CO-Gewebe (ca. 18 g) wurde in 800 ml (Flottenverhältnis FV ca. 1:45) einer 6 %-igen MCT-β-Cyclodextrinlösung bei pH-Wert von 5 (pH-Einstellung mit 60 %-iger CH3COOH) über 5 min über einen Tauch/Netzprozess unter Rühren in einem Becherglas ausgerüstet, auf einem Foulard abgequetscht (Abquetschdruck: 2, Flottenaufnahme: 99,2 %), 8 min bei 80 °C auf einem Mathis Spannrahmen vorgetrocknet und anschließend 7 min bei 160 °C im Spannrahmen fixiert. Zur Entfernung des nicht fixierten β-Cyclodextrins wurde das Gewebe jeweils für 3 min 1 x mit heißem (60 °C), 2 x mit kaltem Weichwasser und abschließend noch 1 x mit destilliertem Wasser unter Rühren gewaschen und nach einer erneuten Klimatisierung des Gewebes für 24 h der Cyclodextringehalt gravimetrisch bestimmt.

Optimierte Standard-Laborrezeptur zur Imprägnierung und Fixierung von 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin und Na-Hydroxy-Dichlor-Triazin auf Baumwollsamtgewebe Das Gewebe wurde zunächst mit destilliertem H2O/Methanol 90:10 (mind. 16 Umläufe) vorextrahiert, 24 h klimatisiert (21 °C, 65 % rel. Luftfeuchte), eingewogen und anschließend weiterbehandelt. 97,8 g Hydroxypropyl-ß-Cyclodextrin (0,07 mol/l) wurden in ca. 200 ml dest.H2O angelöst und mit Na2CO3/NaHCO3 Puffer - entsprechend 0,424 g Na2CO3 und 3,864 g NaHCO3 die in 200 ml H2O vorgelöst waren - versetzt. Unmittelbar vor der Behandlung wurden 540 ml Natriumhydroxy-Dichlor-Triazin zur Lösung hinzugegeben und die Flotte mit destilliertem Wasser bis zu einem Gesamtvolumen von 1000 ml aufgefüllt. Der pH-Wert der Lösung betrug 9-9,2. Die Lösung musste ca. 15 – 20 min gerührt werden, bis sich das HP-β-CD vollständig gelöst hatte.


Das Samtgewebe (ca. 16 g) wurde 5 min bei RT unter Rühren mit einem Glasstab in 500 ml der frisch angesetzten Flotte (Flottenverhältnis: 1:32) getaucht und im Foulard (Anpressdruck 0,5) abgequetscht. Die Flottenaufnahme betrug ca. 107-114 %. Die Vortrocknung erfolgte über 170 s im Mathis-Trockner bei 80 °C bis zu einer Restfeuchte von ca. 15-20 %. Anschließend wurde die Ware 7 min bei 160 °C im Spannrahmen fixiert. Überschüssiges HP-β-CD wurde durch Spülen über je 3 min, dreimal mit heißem Wasser (ca. 65 °C), einmal mit kaltem Wasser und einmal mit kaltem destilliertem Wasser entfernt (Flottenverhältnis: 1:50). Nach der Behandlung wurde das Gewebe zunächst bei Raumtemperatur getrocknet, im Klimaraum für 24 h gelagert und anschließend ausgewogen. Das Gewebe wurde erneut einer Methanol/Wasser-Extraktion (10:90) unterworfen (mind. 16 Umläufe), klimatisiert und zur Bestimmung der Restauflage an (echt) fixiertem HP-β-CD erneut gewogen. 5.5.4 Ausrüstungsbedingungen für weitere Kohlenhydrate (Chitosan,

sulfatierte Kohlenhydrate Präparation und Ausrüstung von Baumwolle mit Chitosan u.ä. Die chemischen Formeln der vorwiegend eingesetzten funktionellen Kohlenhydratpolymere sind in Abb. 4 angeführt.

OCH2OH

OH

OO

OH

O

O3SO CH2

O

D-Galactose-4-sulfate 3,6-Anhydro-D-galactose

-

k – Carrageenan

OCH2OH

H

H

OHH

NH

OCH2OH

H

H

OHH

NH

OHH

OCH2OH

H

H

OHH

NH

HO

2

2

2

Chitosan

Abb. 4: Strukturformeln von Chitosan (CTS), Carrageenan und Fucoidan. Zur Verankerung von CTS bzw. von sulfatierten Kohlenhydraten auf Baumwolle wurden unterschiedliche Reagentien eingesetzt. Zur Ausrüstung der Baumwollwaren wurde CTS primär in 1 %-iger Essigsäure gelöst und anschließend auf den gewünschten pH-Wert mit Carbonat eingestellt. Die jeweilige Behandlungskonzentration an Ankermolekülen in der Auftragsflotte belief sich auf 5 und 8.10-4 Mol/g Faser. Bei Verwendung der Polycarbon-säuren wurde 0,6 Mol Na-Acetat bezogen auf die Carbonsäure als Katalysator zugesetzt. Das Gewebe wird mit der Flotte imprägniert und auf eine Flottenaufnahme von etwa 100 % abgequetscht. Nach 3-10-minütigem Vortrocknen bei 80 °C (Restfeuchte um 10-30 %) wurde


3 min bei 170 °C bzw. 15 min bei 140 °C fixiert. Bei Verwendung von NHDT als Verankerungschemikalie wird die Ankermenge so gewählt, dass max. 25 % der verfügbaren Gruppen einer Glucaneinheit erfasst werden, um weiterhin eine Beweglichkeit der Polymersegmente aufrecht zu erhalten. Die jeweiligen Kohlenhydrate können praktisch bei Raumtemperatur nur mit max. 2 % Flottenkonzentration angeboten werden, da sonst die Viskosität der Präparation zu hoch ist. Die Ausrüstungsflotten der anionischen Kohlenhydrate werden mit Puffer von pH-Wert 9,2 eingestellt. Zur Ausrüstung von PET konnte auch auf die erprobte Sol-Gel-Technik zurückgegriffen werden. Die erhaltenen Muster wurden in vorläufigen Tests auf Amphetaminbindefähigkeit untersucht. Präparation und Ausrüstung von Polyester (PET) mit Chitosan(derivaten) Die einer permanenten Verankerung von Chitosan (und anderen Biopolymeren) zu Grunde liegenden Verankerungsmethoden auf Synthesefasern sind in einer DTNW-Mitteilung beschrieben [41]. Prinzipiell kann Polyester im Sinn einer Dispersionsfärbung an der Oberfläche mit Aminogruppen ausgerüstet werden, die in einem Folgeschritt unter Verwendung einer Ankerchemikalie wie Hydroxydichlortriazin mit polymeren Kohlenhydraten chemisch verknüpft werden. Der zweite Weg besteht in der Modifizierung des zu verankernden Biopolymers (hier CTS) durch Derivatisierung etwa durch längere Alkylketten, die anschließend wiederum nach einer Dispersionsfärbung eine Fixierung auf der PET-Oberfläche bewirken. Alle ausgerüsteten Proben nach Kapitel 5.5.4 wurden im Linitest 2-fach mit einer 1 g/l Lösung eines nichtionischen Tensids bei 40 °C gewaschen. 5.5.5 Messungen zur antimikrobiellen Wirkung von Chitosan Untersuchungen zur antimkrobiellen Wirkung an Biopolymer ausgerüsteten Waren werden mit Hilfe von Mikrobenkulturen im Schütteltest durchgeführt, wobei letztlich das Tetrazolium/Formazan-Redoxsystem als Indikator für die Lebensfähigkeit der verbliebenen Mikroben gewählt wird. Details sind in [41] beschrieben. 5.6 Versuche mit Adrenalin und Ephedrin als Modellsubstanz für

Amphetamine zur Komplexierung und Stabilisierung im transdermalen Kollektorsystem

Die Wirkungen der Stimulanzien vom Amphetamintyp (Adrenalin, Ephedrin) – als später verwendete Modellsubstanz für Drogen - entsprechen im Wesentlichen denen der körpereigenen Stresshormone Adrenalin und Noradrenalin (Catecholamine) und resultieren aus ihrer strukturellen Ähnlichkeit (s. Abb. 5). Deshalb wurde in Absprache mit der Hautklinik Jena zunächst im Rahmen von Vorversuchen die Komplexierung und Stabilisierung von Adrenalin und Ephedrin in Cyclodextrinen untersucht.


Abb. 5: Chemische Strukturen von Stimulanzien vom Amphetamintyp im Vergleich zu

den körpereigenen Stresshormonen Adrenalin und Noradrenalin [32-34]. Die Wasserlöslichkeit von Adrenalin (Epinephrin) liegt bei < 0,1 g/l bei 18 °C. Adrenalin ist empfindlich gegenüber Luft und Licht und erzeugt während des Abbaus dunkel gefärbte Produkte [23]. Die Löslichkeit in Wasser von Ephedrin wird mit 50 g/l angegeben. Ephedrin, Ephedrinsalze und andere Präparate, die den Wirkstoff enthalten, müssen lichtgeschützt aufbewahrt werden, da sie sich unter Lichteinfluss langsam zersetzen und dunkel verfärben. Für Adrenalin wurden spektralphotometrische Kalibrierungen durchgeführt. Es wurde ein pH-Wert der Schweißlösung von 3 eingestellt, da bei größeren pH-Werten Adrenalin zu sehr instabil wird. Messungen im Bereich von 10-5 mol/l geben sowohl bei 279 nm als auch 220 nm lineare Kalibrierungen im Bereich von 0-0,1 g/l. Adrenalin besitzt zwei UV-Absorptionsmaxima; eine starkes bei 220 nm und ein schwächeres bei 279 nm. Über den gemessenen Konzentrationsbereich liegt ein linearer Zusammenhang zwischen der Adrenalinkonzentration und der UV-Absorbanz sowohl bei 220 nm als auch bei 279 nm vor. Der Abgleich des Photometers erfolgte mit der reinen Schweißlösung. 5.6.1 Indirekte Bestimmung des Verteilungsgleichgewichtes

Adrenalin/Baumwolle/Schweißlösung Zur Klärung der Frage, inwieweit das Adsorptionsverhalten der Baumwolle gegenüber Adrenalin durch eine β-Cyclodextrin-Ausrüstung beeinflusst wird und welche Rolle die Komplexierung spielt, wurde ECE-Baumwoll-Testgewebe roh und mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüstet (5,7 Gew.-% Auflage), mit 7,5 cm ∅ eingewogen, in eine verschließbare Petrischale gelegt und mit 30 ml Adrenalin/Schweißlösung (0,08 g/l Adrenalin in Schweißlösung pH 3, eingestellt mit HCl) übergossen. Es wurde darauf geachtet, dass die


Baumwollproben die gleiche Größe haben, da sich das Flächengewicht des Gewebes durch die Cyclodextrinbeschichtung verändert. Die Adrenalin/Schweißlösung zur Bestimmung des Blindwertes (Schweißlösung pH 3 mit 0,08 g/l Adrenalin) wurde parallel zur Baumwolle behandelt. Die Blindlösung und die Baumwollproben wurden für 1 h bei Raumtemperatur abgedunkelt stehen gelassen und anschließend die UV-Absorptionsspektren der überstehenden Lösungen aufgenommen. Der Photometerabgleich erfolgte mit reiner Schweißlösung ohne Adrenalin. Nach Ende des Versuchs wurde die Baumwolle (β-Cyclodextrin beschichtet und unbeschichtet) abgequetscht und bei Raumtemperatur im Dunkeln getrocknet. Anschließend wurden die Remissionsspektren der beiden Baumwollproben gemessen und das Material bei Raumtemperatur und Tageslicht gelagert. Nach einer einstündigen Behandlung von nicht vorbehandelter und mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteter Baumwolle mit einer adrenalinhaltigen Schweißlösung konnte festgestellt werden, dass die Adrenalinlösung auf die Faser aufzieht. Die UV-Absorbanzen der überstehenden Lösungen sind jedoch nahezu mit der Blindlösung (Ansatzlösung) identisch. Dies wird aus Tabelle 4 und Abb. 6 ersichtlich. Die höheren Absorbanzwerte bei CO/CD zwischen 200 und 260 nm in Abb. 6 gehen vermutlich auf eine Extraktion von nicht völlig fixiertem MCT-β-Cyclodextrin durch die Schweißlösung zurück. Dies ist auch daraus ersichtlich, dass das in Abb. 6 eingezeichnete Additionsspektrum, bestehend aus der Adrenalinausgangslösung und der Schweißlösung pH 3 nach Exposition von mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteter Baumwolle für 1 h ohne Adrenalin, nahezu identisch mit dem Spektrum der Adrenalinlösung nach Tauchen von mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteter Baumwolle ist. Tabelle 4: UV-Absorbanzen der überstehenden Lösungen nach der Behandlung von nicht

ausgerüsteter und mit β-Cyclodextrin ausgerüsteter Baumwolle in Schweißlösung von pH 3 und in Gegenwart von Adrenalin.

Adrenalin [g/l] Baumwoll-einwaage [g]

Baumwollvor-behandlung

UV-Absorbanz bei 279 nm

0,08 - Blindlösung 1,1706

-* 0,5409 - 0,0207

0,08 0,5379 - 1,1893

1,1686

-* 0,6009 β-Cyclodextrin 0,0669

0,08 0,5975 β-Cyclodextrin 1,2477

1,1808

* reine Schweißlösung pH 3.


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

200 220 240 260 280 300 320 340

Wellenlänge [nm]

Abs

orba

nz

Adrenalin Ausgangslösung BW/MCT-ß-CD Adrenalin pH 3

BW/MCT-ß-CD pH3 BW Adrenalin pH3

Addition Adrenalin Lsg. + BW/MCT-ß-CD

Abb. 6: Aufziehverhalten einer 0,08 g/l Adrenalin enthaltenden Schweißlösung von pH 3

auf Baumwolle und einer mit 3,7 Gew.-% MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteten Ware (beides ECE-CO-Testgewebe).

Adrenalin bildet mit β-Cyclodextrin keine sehr starken Komplexe, was an der photometrisch bei 282 nm ermittelten Komplexbildungskonstante von log K = 1,81 zu erkennen ist. Darüber hinaus ist die Baumwolle sehr polar und die Löslichkeit von Adrenalin in Wasser nur gering. Aus diesen Gegebenheiten resultiert wahrscheinlich die geringe Affinität des Adrenalins sowohl zur unbehandelten als auch zur ausgerüsteten Baumwolle. Generell sollte weiterhin beachtet werden, dass der pro g Baumwolle komplexierbare Anteil an β-Cyclodextrin nur mäßig ist. Bei einer MCT-β-Cyclodextrin-Auflage von z. B. 3,49 % befinden sich auf 1 g Baumwolle 0,0349 g MCT-β-Cyclodextrin. Bei Annahme einer 20 - 50 %-igen Komplexierfähigkeit des MCT-β-Cyclodextrins befindet sich auf der Baumwolle zwischen 0,00698 g (6,1⋅10-6 mol) und 0,01745 g (1,53⋅10-5 mol) komplexierfähiges MCT-β-Cyclodextrin. Dies bedeutet, dass bei einer UV-photometrischen Nachweisempfindlichkeit für L-Adrenalin von 1⋅10-4 - 4⋅10-4 mol/l (entsprechend einer UV-Absorbanz bei 279 nm zwischen 0,2 und 1,0) viel größere ECE-Baumwoll-Testgewebestücke pro Versuch eingesetzt werden müssten als handwerklich möglich sind, oder auf sensitivere Nachweisverfahren, wie z. B. die GC/MS, zurückgegriffen werden sollte. Dies wurde allerdings erst einmal zurückgestellt, da zunächst sichergestellt werden musste, dass als Nebeneffekt bei den Untersuchungen kein MCT-β-Cyclodextrin mehr von den ausgerüsteten Geweben herunter gewaschen wird. 5.6.2 Untersuchungen zur Stabilisierung von Adrenalin durch

Komplexierung in mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteter Baumwolle In diesem Zusammenhang galt noch die Frage zu klären, ob es Unterschiede in der Vergilbung der mit MCT-β-Cyclodextrin beschichteten und unbeschichteten Baumwolle gibt. Dazu wurden die abgequetschten Gewebestücke an der Luft getrocknet. Nach ca. 20 h Trocknungszeit wurden die Remissionsspektren jeweils gegen ECE- und mit MCT-β-


Cyclodextrin ausgerüstetes Baumwollgewebe gemessen. Die Spektren sind in Abb. 7 dargestellt.

100

120

140

160

180

220 270 320 370 420Wellenlänge [nm]

Rem

issi

on [%

]

BW Schweißlösung BW Adrenalin SchweißlösungBW/CD Schweißlösung BW/CD Adrenalin Schweißlösung

Abb. 7: Remissionsspektren von mit 3,7 Gew.-% MCT-β-Cyclodextrin ausgerüstetem

(CO/CD) und nicht ausgerüstetem (CO) ECE-Baumwollgewebe nach 1 h in Schweißlösung von pH 3 mit und ohne Adrenalin und anschließender Trocknung über 20 h bei Raumtemperatur.

Die Remissionsmessungen der mit Adrenalinlösung imprägnierten Baumwollgewebe zeigen ebenfalls keine Unterschiede zwischen der ausgerüsteten und unbehandelten Ware, so dass kein Stabilisierungseffekt bei den gewählten pH-Wert-Bedingungen für das Adrenalin durch das β-MCT-Cyclodextrin eindeutig nachgewiesen werden konnte. Die Schweiß-/Adrenalinlösung mit pH 3 beginnt sich nach einer Woche Lagerung im Dunkeln bei Raumtemperatur leicht braun/rötlich zu verfärben. Bei pH 4 und 5, was in etwa dem pH-Bereich der Haut entspricht, wurde schon während der Zugabe des Adrenalins zu der Schweißlösung eine beginnende Rotbraunfärbung der Schweißlösungen beobachtet, die sich mit steigendem pH-Wert noch verstärkt. Trotz einer geringeren Löslichkeit des Adrenalins mit zunehmendem pH-Werten (die Lösung bei pH 4 mit 0,08 g/l Adrenalin musste vor Erstellung der Kalibrierreihe filtriert werden) wurden - aufgrund der Verfärbung der Kalibrierlösungen - höhere Absorbanzen bei 279 nm gemessen. Dies bedeutet, dass die Reproduzierbarkeit der erzielten Messwerte nur gering ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn es innerhalb der Messung zu unvorhergesehenen Verzögerungen kommt und der Zerfall des Adrenalins weiter fortschreiten kann. Außerdem besitzt Adrenalin keine hohe Affinität zur Baumwollfaser bzw. zum β-Cyclodextrin (Verteilungsgleichgewicht zwischen saurer Schweißlösung und Baumwolle scheint ungefähr gleich zu sein), so dass keine verstärkte Adsorption/Komplexierung beobachtet wird. Aus diesen Gründen wurden die Versuche mit Adrenalin als Modellsubstanz abgebrochen und Ephedrin untersucht, das zudem bei pH-Werten näher zu hautrelevanten Daten untersucht werden kann. Analog zum Adrenalin wurde zunächst eine konzentrationsabhängige Kalibrierungskurve für das Ephedrin in Schweißlösung pH 5 erstellt. Sie erweist sich als linear im Konzentrationsbereich bis zu 3.10-3 mol/l.


Gegenüber Adrenalin ist Ephedrin in Schweißlösung pH 5 wesentlich stabiler, wie aus den UV-Spektren in Abb. 8 hervorgeht. Selbst nach Stehenlassen der Lösung über 48 h bei Raumtemperatur im Tageslicht kommt es zu keinen signifikanten spektralen Änderungen. Die in der Literatur beschriebene langsame Zersetzung unter Lichteinfluss und ein dunkles Verfärben der Lösung wurde nach dieser Zeit nicht beobachtet.

Ephedrin in Schweißlösung pH 5

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

230 240 250 260 270 280 290 300Wellenlänge [nm]

Abs

orba

nz

Ephedrin 0,1507 g/l Ephedrin 0,1507 g/l nach 48 h Ephedrin 0,3315 g/l

Abb. 8: Stabilitätsmessungen von Ephedrin in Schweißlösung pH 5 nach Stehenlassen

für 48 h bei Raumtemperatur und Tageslicht. Obwohl Ephedrin wesentlich besser als Modellsubstanz geeignet zu sein scheint, gilt auch in diesem Fall die bereits für Adrenalin diskutierte zu niedrige UV-Nachweisempfindlichkeit an Textilproben in praxisrelevanten Größen. Aufgrund interner Sicherheitsverschärfungen im Umgang mit Chemikalien, die im Laufe des Projektes in der Hautklinik Jena eingeführt wurden, durften keine systematischen Studien zum Proliferationsverhalten von HaCaT-Keratinocyten und anderen Zelllinien unter dem Einfluss von komplexiertem Ephedrin und Adrenalin sowohl an den isolierten Komplexen als auch auf am Gewebe befindlichen Komplexen mehr durchgeführt werden. Deshalb wurden die Untersuchungen mit beiden Substanzen auch seitens des DTNW nach Absprache mit der Hautklinik in Jena abgebrochen. 5.6.3 UV-spektralphotometrische Bestimmung von 4-Aminophenol neben

Paracetamol und Stabilisierungsversuche mit Cyclodextrinderivaten Zur Bestimmung der konzentrationsabhängigen UV-Absorbanz wurde eine Stammlösung von Paracetamol und 4-Aminophenol in Wasser angesetzt und entsprechend Verdünnungsreihen erstellt: Die entsprechenden Kalibriergeraden sind in Abb. 9 und 10 dargestellt.


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Paracetamolkonzentration [10-4 mol/l]

Abso

rban

z be

i 243

nm

1

Abb. 9: Konzentrationsabhängige Kalibriergerade von Paracetamol in Wasser.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,5 1 1,5

4-Aminophenolkonzentration [10-4 mol/l]

Abso

rban

z

2

Absorbanz bei 230 nm Absorbanz bei 297 nm

Abb. 10: Konzentrationsabhängige Kalibriergerade von 4-Aminophenol in Wasser. Es zeigte sich, dass 4-Aminophenol bei Wellenlängen von 230 und 297 nm Absorptionsmaxima besitzt. Überlagert man die UV-Spektren von Paracetamol und 4-Aminophenol in Wasser - gemäß Abb. 11 - so erkennt man, dass 4-Aminophenol neben Paracetamol als Abbauprodukt quantitativ bei ca. 310 nm detektierbar ist, da hier keine Absorption von Paracetamol mehr stattfindet.


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

200 250 300 350W ellenlänge [nm]

Abso

rban

z

0,00008 mol/l 4-Aminophenol 0,00008 mol/l Paracetamol

Abb. 11: Überlagerung der UV-Spektren von Paracetamol und 4-Aminophenol in Wasser.

Die Versuche dienten zur Klärung der Frage, ob es möglich ist, 4-Aminophenol als Abbauprodukt neben Paracetamol quantitativ zu bestimmen. Dazu wurde eine Stammlösung von 6,0⋅10-5 mol/ Paracetamol in Wasser erstellt und mit unterschiedlichen Mengen an 4-Aminophenol versetzt. Der Photometerabgleich erfolgte mit Wasser. Vergleicht man z. B. die UV-Absorbanzen von 4-Aminophenol (0,16.10-3 mol/l) bei 300 nm ohne Paracetamol, so beträgt der Wert 0,30462 und in Gegenwart von Paracetamol 0,30425 (0,15.10-3 mol/l). Dies bedeutet, dass 4-Aminophenol auch in Gegenwart von Paracetamol quantitativ bestimmt werden kann. Dies geht auch aus der Abb. 12 hervor. Dort sind noch einmal vergleichend die UV-Spektren von 4-Aminophenol in Wasser und in Gegenwart von 6,0⋅10-5 mol/l Paracetamol dargestellt. Der Photometerabgleich erfolgte in beiden Fällen mit bidestilliertem Wasser.

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

200 250 300 350

W ellenlänge [nm]

Abs

orba

nz

0,00016 mol/l ohne Paracetamol0,00015 mol/l mit Paracetamol

Abb. 12: Überlagerung der UV-Spektren von 4-Aminophenol in Wasser und in Gegenwart

von 6,0⋅10-5 mol/l Paracetamol


Die entsprechenden UV-Spektren und die Kalibriergerade für 4-Aminophenol in Gegenwart von Paracetamol sind in den Abbn. 13 und 14 dargestellt.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

210 230 250 270 290 310 330 350

Wellenlänge [nm]

Abso

rban

z

0,00005 mol/l 0,00015 mol/l 0,00025 mol/l 0,00035 mol/l 0,00050 mol/l

Abb. 13: UV-Spektren von 4-Aminophenol bei unterschiedlichen Konzentrationen in

Gegenwart von 6,0⋅10-5 mol/l Paracetamol in Wasser.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 54-Aminophenol-Konzentration [10-4 mol/l]

Abso

rban

z be

i 300

nm

6 Abb. 14: Konzentrationsabhängige Kalibriergerade von 4-Aminophenol in Gegenwart einer

konstanten Paracetamolkonzentration von 6,0⋅10-5 mol/l in Wasser. Während Paracetamol in Wasser auch nach einer längeren Lagerzeit keine optischen Veränderungen zeigt, färbt sich die 4-Aminophenol enthaltende wässrige Lösung selbst bei pH-Werten im Neutralbereich – beginnend nach ca. 3 h – braun. Vermutlich wird 4-Aminophenol durch den im Wasser gelösten Sauerstoff aus der Luft oxidiert, was nachfolgend näher untersucht wird.


Abbau von 4-Aminophenol in Wasser und in Schweißlösung bei pH 4 Für die Untersuchungen wurden 0,0003 mol/l (32,74 mg) 4-Aminophenol in 1000 ml UV-Wasser gelöst. 500 ml wurden bei Raumtemperatur (ca. 20 °C) stehen gelassen und der andere Teil in einem Thermostaten auf 50 °C erwärmt. In Abständen von 1 h wurden jeweils die UV/VIS-Spektren der Lösungen aufgenommen. Beide Lösungen färbten sich mit der Zeit braun (gelbbraun/cognacfarben) (Raumtemperatur) bzw. rotbraun mit zunehmender Trübung bei 50 °C, vermutlich bedingt durch die Polymerisation des chinoiden Abbauprodukts von 4-Aminophenol. In der Abb. 15 sind beispielhaft die Absorptionsspektren von 4-Aminophenol in Wasser und in Schweißlösung pH 4 nach einer 23-stündigen Behandlung bei Raumtemperatur und 50 °C dargestellt.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

250 350 450 550 650Wellenlänge [nm]

Abso

rban

z

RT in Wasser 50 °C in WasserRT in Schweißlösung pH 4 50 °C in Schweißlösung pH 4Originalspektrum

Abb. 15: UV/VIS-Spektren einer 3,0⋅10-4 molaren 4-Aminophenollösung nach 23-stündiger

Behandlung in Wasser und Schweißlösung pH 4 bei Raumtemperatur und bei 50 °C im Vergleich zur frisch angesetzten Originallösung (4-Aminophenol in Schweißlösung pH 4).

In Abb. 15 ist zu erkennen, dass sich durch die Sauerstoffoxidation des 4-Aminophenols eine zusätzliche relative Absorptionsbande mit einem VIS-Maximum bei 364 nm bildet, entsprechend der beobachteten zunehmenden Braunfärbung der Lösungen. Generell nimmt die Sauerstofflöslichkeit in Wasser mit zunehmender Temperatur, sinkendem pH-Wert und steigendem Salzgehalt ab. In diesem Fall scheinen insbesondere der niedrige pH-Wert und der hohe Salzgehalt der Schweißlösungen zu einer Verlangsamung der Zersetzung des 4-Aminophenols zu führen. So ergibt sich für das 4-Aminophenol nach 23 h bei RT in Wasser ein ähnliches UV/VIS-Spektrum wie nach 23 h in Schweißlösung pH 4 bei 50 °C. In Abb. 16 ist noch einmal die Zunahme der Absorbanz bei 364 nm in Abhängigkeit von der Reaktionszeit dargestellt. Es zeigt sich, dass beim 4-Aminophenolabbau in Wasser bei RT und in Schweißlösung pH 4 bei 50 °C über die gesamte Versuchszeit eine ähnliche Zunahme in der Absorbanz bei 364 nm erfolgt. Die höchste Zunahme in der Absorbanz bei 364 nm ergibt sich für das 4-Aminophenol in Wasser bei 50 °C über die ersten 5 h, wobei sich der Wert anschließend einem Sättigungswert annähert. In Wasser bei RT und in Schweißlösung bei RT und 50 °C wird über die gesamte Verweilzeit von 23 h ein nahezu linearer Anstieg der Absorbanz bei 364 nm beobachtet.


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 5 10 15 20 25Zeit [h]

Abso

rban

z be

i 364

nm

50 °C in Wasser RT in Wasser50 °C in Schweißlösung pH 4 RT in Schweißlösung pH 4

Abb. 16: Zeitabhängiger 4-Aminophenolabbau (3,0⋅10-4 mol/l) in Wasser und

Schweißlösung pH 4 bei Raumtemperatur und bei 50 °C. Die Vorteile von 4-Aminophenol gegenüber L-Adrenalin als Modellsubstanz für das transdermale Kollektorsystem liegen u. a. darin, dass es wesentlich stärker wasserlöslich und stabiler in Wasser ist. Es sollte somit eine höhere Affinität zur polaren Baumwolle besitzen. Weiterhin bildet es stabilere Komplexe mit β-Cyclodextrin. Die ermittelten Komplexbildungskonstanten in Wasser liegen bei log K = 2,97 (titrimetrisch ermittelt) und log K = 2,70 (kalorimetrisch gemessen). Im Rahmen der Untersuchungen wurde zunächst versucht, 4-Aminophenol mit β-Cyclodextrin zu komplexieren. Dazu wurden 10 g (0,0088 mol) β-Cyclodextrin in 40 ml bidestilliertes Wasser gegeben und die Lösung bis zum Sieden erhitzt. Die Lösung wurde bei 75 °C klar. Anschließend wurde in die siedende β-Cyclodextrin-Lösung eine äquimolare Menge plus einem 10 %-igen Überschuss an 4-Aminophenol (1,0563 g bzw. 0,0097 mol) unter Rühren als Feststoff eingebracht. Die Lösung färbte sich leicht braun, blieb aber weiterhin klar. Sie wurde deshalb nicht heiß filtriert, sondern bei Raumtemperatur stehen gelassen und abgekühlt. Ab ca. 40 °C fiel der Komplex aus der Lösung aus, wobei sich nach Stehenlassen für ca. 2 h kristalline Ablagerungen am Kolbenrand bildeten. Nach dem Ausfallen des β-Cyclodextrin/4-Aminophenol-Komplexes wurde dieser abfiltriert (ausschlämmen und Spülen mit 25 ml bidestilliertem Wasser) und von der überstehenden Lösung sowie vom Waschwasser ein UV/VIS-Spektrum aufgenommen (nach Verdünnen der Lösung um 1:200). Der Photometerabgleich erfolgte mit Wasser. Die ausgefallene Festsubstanz bestand aus groben Kristallen sowie aus einem feinen amorphen Niederschlag, der hellbraun gefärbt war. Beide Fraktionen wurden bei Raumtemperatur im Exsikkator über Trockengel getrocknet. Basierend auf UV/VIS-Messungen des Filtrats und des Waschwassers (bei 300 nm) nach Bildung des β-Cyclodextrin/4-Aminophenol-Komplexes wurde anhand der Kalibriergeraden hochgerechnet, dass nur max. 37 % des in Lösung befindlichen 4-Aminophenols komplexiert worden sind.


Vergleichend dazu wurde die Komplexierung von 4-Aminophenol in β-Cyclodextrin auch in Schweißlösung von pH 4 durchgeführt. Die Vorgehensweise war analog wie für Wasser beschrieben, allerdings wurden einige abweichende Beobachtungen gemacht. So blieb nach Zugabe von 4-Aminophenol die β-Cyclodextrin-Lösung heller, es fielen nach 2 h signifikant weniger Kristalle aus der Lösung aus. Das Filtrat und das Waschwasser, bestehend aus Schweißlösung pH 4, waren im Vergleich zur Komplexbildung in reinem Wasser heller gefärbt. Allerdings färbte sich das Filtrat nach einer 1:10 Verdünnung mittel- bis dunkelbraun. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Aufarbeitung des Komplexes wurden die Versuche abgebrochen. 5.6.4 Versuche zur Stabilisierung von Substanzen durch Komplexierung in

β-Cyclodextrin mit Paracetamol und 4-Aminophenol als Modellsubstanz, UV-spektroskopische Bestimmung von 4-Aminophenol und Paracetamol

Bei Paracetamol handelt es sich um ein Schmerzmittel, welches neben der Acetylsalicylsäure die größte Bedeutung besitzt. Paracetamol wird auch als N-acetyl-p-aminophenol, N-Acetyl-4-aminophenol, 4-Hydroxy-N-acetyl-amino-benzol oder 4-Hydroxy-acetyl-anilid bezeichnet und ist ein weißer, kristalliner Feststoff mit einem pKa-Wert von 9,5 [35]. Es ist in Alkoholen und heißem Wasser gut löslich. Paracetamol ist als Phenol schwach sauer (pH-Wert einer wässrigen Lösung ca. 6). Es hat einen leicht bitteren Geschmack. Paracetamol kann in wässriger Natronlaugelösung hydrolysiert werden, wobei neben 4-Aminophenol auch Essigsäure entsteht. Bei der alkalischen Hydrolyse von Paracetamol wird die Lösung dunkelbraun bis fast schwarz. Der Grund dafür ist, dass bei der Reaktion nicht das gewünschte 4-Aminophenol, sondern im alkalischen Milieu durch Oxidation mit Luftsauerstoff sofort eine gelbbraune Verbindung mit chinoider Struktur entsteht. Paracetamol kann auch in wässriger Salzsäurelösung hydrolysiert werden, wobei neben 4-Aminophenol auch Essigsäure entsteht. Diesmal findet keine Oxidation statt, da das 4-Aminophenol im sauren Bereich gegenüber Sauerstoff stabil ist. Außerdem wird die Lösung des Paracetamols hellgelb. 4-Aminophenol ist ein Reduktionsmittel und wird u. a. zur Synthese von Azo-Farbstoffen als Ersatz für Sulfanilsäure sowie als Entwickler in der Photographie verwendet. 5.7 Optimierung der Ausrüstung von Baumwolle mit

Cyclodextrin(derivaten) 5.7.1 Ausrüstungsversuche mit MCT-β-Cyclodextrin Aufgrund der vorerst schlechten Fixierausbeute des mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteten ECE-Baumwollgewebes wurde zunächst, ausgehend von den Standardparametern gemäß Abb. 17; der Ausrüstungsprozess optimiert.


AuswaschenReste an nicht fixiertem Cyclodextrin

stören UV/VIS-Messungen beiKomplexierungsversuchen

FixierenFixierzeit zu kurz?

Trocknenkeine Restfeuchte

Imprägnierenabgespaltene HCl/< pH-WertZugänglichkeit der Baumwolle

mögliche Störparameter

AuswaschenAuswaschzeit verlängern

1 x heiss 15 min, 3 x kalt 3 min3 x heiss, 1 x kalt 3 min

FixierenFixierzeit verlängern (7-12 min)

TrocknenRestfeuchte einstellen (8-20 %)

ImprägnierenPuffersystemeTensidzusatz

Gegenmaßnahmen

Abb. 17: Parameter für die Standardausrüstung von Baumwollgewebe mit MCT-β-CD

sowie deren Nachteile und mögliche wirksame Gegenmaßnahmen zur Erhöhung des Fixiergrades.

Nach einer eingehenden Analyse der möglichen Ursachen für die schlechte Fixierung wurde der Einfluss der ebenfalls in Abb. 17 dargestellten Gegenmaßnahmen auf die Fixierausbeute untersucht. Die Charakterisierung der Ergebnisse erfolgte über das UV-Spektrum des MCT-β-Cyclodextrins in den Waschflotten, die gravimetrische Bestimmung der β-Cyclodextrinauflage auf dem Textil und die spektralphotometrische Messung der Schweißlösung (NaCl 2,9695 g/l; KCl 0,3585 g/l; CaCl2⋅2 H2O 0,1907 g/l; MgCl2⋅6 H2O 0,1003 g/l, Einstellung auf pH 5 mit verdünntem HCl) nach Exposition von ca. 0,5 g eines mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüsteten Baumwollgewebes in 30 ml Schweißlösung für 30 min. Weiterhin wurden einige der ausgerüsteten Baumwollgewebe nach der MCT-β-Cyclodextrin-Fixierung mit H2O/MeOH 90:10 in einem Soxhlet extrahiert (mind. 17 Umläufe) und anschließend gravimetrisch der Gewichtsverlust der Gewebe bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabellen 5 und 6 zusammengefasst. Tabelle 5: Einfluss der Prozessparameter auf die Fixierung von MCT-β-CD (Chargen-Nr.

75B090) auf Baumwollechtheitsgewebe, ausgehend von einer 6 %-igen MCT-β-CD-Lösung, Tensid: Marlipal O13/80 1 g/l, pH 6: Titrisol Citrat/NaOH-Puffer, pH 5: CH3COOH, Flottenaufnahme 108-120 %.

Probe Nr.

Tensid pH-Wert Restfeuchte [%]

Fixierzeit [min]

Waschen heiß [min]

MCT-β-CD-Aufl. [%]

UV-Abs.

1-3 - 5 0 7 3 5,7-6,0 + 4-6 + 5 0 7 3-15 5,2-5,5 + 12-14 - 5 7-15 7 3 6,2 + 15-17 - 5 8-16 10 3 5,8-6,1 + 18-20 - 6 10-20 7 3 6,0-6,9 + 21-23 - 6 10-15 10-12 3 6,9-7,4 +


Alle Proben zeigten nach der Fixierung in Schweißlösung pH 5 eine starke, für MCT-β-Cyclodextrin charakteristische UV-Absorbanz (UV-Absorbanz in Tabelle 5). Dies bedeutet, dass keine der in Tabelle 6 zusammengefassten möglichen Ursachen für die Fixierung des MCT-β-Cyclodextrins auf dem Baumwollgewebe eine entscheidende Rolle bei Laborversuchen spielt. Tabelle 6: Einfluss der Prozessparameter auf die Fixierung von MCT-β-CD an Baumwolle

Problem Maßnahme Prozessänderung Einfluss auf CD-Fixierung

pH-Wert-Abnahme durch HCl ?

Einsatz von Puffersystem Citrat/NaOH pH 6 (Titrisol)

kein Unterschied zu CH3COOH

keine Affinität von CD zu CO ?

Zugänglichkeitsver-besserung der Baumwolle durch Tensid

Marlipal O13/80 1 g/l

geringere CD-Auflage, bevorzugte Anlagerung von Tensid an CO ?

Diffusion und Fix-ierung behindert ?

Restfeuchte Textil einstellen 8 – 20 %

Verkürzung Vortrocknung

kein Einfluss, Rest-feuchte ≈ 10 % optimal

Fixierung nicht ausreichend ?

Fixierzeit Verlängerung 7 – 12 min bei 160 °C

kein Einfluss auf Fixierausbeute

CD extrahierbar mit Schweißlösung Diffusionsproblem?

Auswaschen, Verlänge-rung der Waschzeit

1. Heisswaschung 15 statt 3 min

kein Einfluss auf Fixierung, CD extrahier-bar mit Schweißlösung

CD extrahierbar mit Schweißlösung

Auswaschen 3 x heiss und 1 x kalt gewaschen

etwas geringere CD- Extraktion durch Schweißlösung pH 5

Tabelle 7 zeigt exemplarisch anhand von zwei Proben aus Tabelle 6 noch einmal vergleichend den β-Cyclodextringehalt von ausgerüsteter Baumwolle, ermittelt über gravimetrische Messungen nach 24-stündiger Klimatisierung des Gewebes vor und nach einer MeOH/H2O-Extraktion. Tabelle 7: Gravimetrische Bestimmung der MCT-β-Cyclodextrinauflage auf Baumwolle

(ECE-Echtheitsgewebe) nach einer MeOH/H2O (10:90) Soxhlet-Extraktion.

vor Extraktion nach Extraktion

Probe Nr. Flottenaufnahme[%]

Restfeuchte [%]

MCT-β-CD-Auflage [%]


12 114 15,5 6,2 1,9 (31 %)

14 110 7,5 6,6 2,1 (32 %)

Bei beiden Baumwollgeweben werden durch die Extraktion ca. 70 % des ursprünglich verankerten MCT-β-Cyclodextrins wieder vom Gewebe entfernt. Die anschließend verbleibende Restauflage wird für den Einsatz eines solchen Materials als transdermales Kollektorsystem als zu gering erachtet.


Aufgrund des geringen Flächengewichtes (105 g/m2) und der geringen Fadendichte des ECE-Baumwollgewebes wurde nun untersucht, ob cellulosische Gewebe mit einer größeren äußeren Oberfläche zu einer verbesserten Cyclodextrinfixierung führen. Deshalb wurden in Absprache mit dem Industriepartner Girmes International GmbH unterschiedliche Plüsch- und Samtgewebe ausgesucht und entsprechende Vorversuche zunächst im Labormaßstab durchgeführt. Die Charakterisierung der Gewebe in Tabelle 8 basiert auf den Angaben von Girmes (im Folgenden wird unter Baumwollsamt die aus unterschiedlichen, cellulosischen Faserarten zusammengesetzte Polware verstanden). Die Webpelze wurden jeweils gewaschen, gebleicht, entwirrt und eingestreckt zur Verfügung gestellt. Die MCT-β-CD-Ausrüstung im Labormaßstab wurde entsprechend des Fließschemas in Abb. 18 durchgeführt und Charakterisierungen in Tabelle 8 gegeben.

Auswaschen3 x heiss 1 x kaltje 3 min

Auswaschen3 x heiss 1 x kaltje 3 min

TrocknenSpannrahmenbei 80 °C bisRestfeuchte: 8-10 %

TrocknenSpannrahmenbei 80 °C bisRestfeuchte: 8-10 %

Imprägnieren6 % MCT-β-CD-LösungpH 5 (7) (60 %-ige CH3COOH)5 min Rühren

Imprägnieren6 % MCT-β-CD-LösungpH 5 (7) (60 %-ige CH3COOH)5 min Rühren

AbquetschenFoulardFlottenaufnahme: 100-110 %

AbquetschenFoulardFlottenaufnahme: 100-110 %

Klimatisierung 24 hKlimatisierung 24 h

FixierenSpannrahmen7 min bei 160 °C

FixierenSpannrahmen7 min bei 160 °C

Abb. 18: Standardausrüstungsprozess für cellulosische Gewebe mit MCT-β-Cyclodextrin.


Tabelle 8: Charakterisierung und Imprägnierung von Webpelzen und Samt (Polware) mit MCT-β-Cyclodextrin (CV: Viskose, CO: Baumwolle, CMD: Modal)

Tabelle 8 zeigt, dass das Samtgewebe mit dem höchsten Baumwollanteil gleichzeitig auch die höchste MCT-β-Cyclodextrin-Auflage besitzt. Deshalb wurden alle nachfolgenden Laborversuche ausschließlich mit diesem Gewebe durchgeführt. Nachdem Optimierungsmaßnahmen zu diesem Zeitpunkt nicht zu einer höheren Fixierausbeute des MCT-β-Cyclodextrins auf Baumwolle geführt haben, wurde Rücksprache mit einem Mitarbeiter des MCT-β-Cyclodextrin-Herstellers Fa. Wacker gehalten. Es wurde vermutet, dass ein Teil der Monochlortriazinyl-Gruppen des β-Cyclodextrins der im Rahmen der Versuche eingesetzten MCT-β-Cyclodextrine (Chargen-Nr. 75B090 und 75B091) vermutlich aufgrund zu langer Lagerzeiten bereits hydrolysiert waren. Die Versuche wurden deshalb zunächst abgebrochen. Solche Befunde unterstreichen die Schwierigkeiten, die sich bei Übertragung von Laborergebnissen auf industrielle Fertigung abzeichnen. 5.7.2 Ausrüstungsversuche mit 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin und NHDT Alternativ zum Einsatz von reaktiven MCT-β-Cyclodextrinen wurde versucht, 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin und β-Cyclodextrin jeweils mit dem Reaktivanker 2-Na-Hydroxy-4,6-dichlor-1,3,5-triazin (NHDT) auf Baumwolle zu imprägnieren. Im Idealfall reagiert ein Chloratom mit den OH-Gruppen der Baumwolle und eines mit dem Cyclodextrin ab. Zum direkten Vergleich mit den vorherigen Versuchen wurden für die folgenden Versuche in etwa äquimolare Mengen an Cyclodextrin (ca. 0,035 mol/l) eingesetzt, wobei allerdings die geringe Löslichkeit von β-Cyclodextrin (max. 1,8 %) in Wasser zu berücksichtigen war. Die Versuchsdurchführung war analog zur MCT-β-Cyclodextrin-Ausrüstung gemäß Abb. 17. Parameter sind in Tabelle 9 zusammengefasst.

4,615 (160 s)11025073% CO, 27% CMD, Rücken 50/50, Flor 100% CO, Samt

2,113 (330 s)11051461 % CV, % CMD, Webpelz

29 % CO, 10

1,113 (230 s)103

1,215 (150 s)9729634 % CV, % CMD, Webpelz

49 % CO, 17

2,611 (390 s)104

2,512 (390 s)9457165 % CV ebpelz 35% CO, W

2,96 (300 s)10540756 % CV, ebpelz44% CO, W


Restfeuchte [%]

Flottenauf-nahme [%]

Flächenge-wicht [g/m2]

Material Girmes International GmbH

4,615 (160 s)11025073% CO, 27% CMD, Rücken 50/50, Flor 100% CO, Samt

2,113 (330 s)11051461 % CV, % CMD, Webpelz

29 % CO, 10

1,113 (230 s)103

1,215 (150 s)9729634 % CV, % CMD, Webpelz

49 % CO, 17

2,611 (390 s)104

2,512 (390 s)9457165 % CV ebpelz 35% CO, W

2,96 (300 s)10540756 % CV, ebpelz44% CO, W


Restfeuchte [%]

Material Girmes International GmbH

Flächenge-wicht [g/m2]



Tabelle 9: Versuche mit 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin bzw. β-Cyclodextrin und NHDT als Alternativsubstanzen zu MCT-β-Cyclodextrin.

Cyclodextrin (CD) Substitutions-grad pro Glucoseeinheit

H2O-Gehalt CD [%]

Konz. CD [mol/l]

Konz. CD [g/l]

NHDT (2,8/β-CD)

[mol/l] [ml/l]

MCT-β-CD (M: 1.463 g/mol)

0,3 - 0,5 2,8/β-CD

3 - 5 0,041 60 -

0,035 48,9 0,098 268,4 2-Hydroxypropyl-β-CD (M: 1.380 g/mol) (HP)

≈ 0,6 4 (- 8)/β-CD

< 3 %

0,070 97,8 0,196 536,8

β-CD (kalt) (M: 1.135 g/mol) (CD)

- 0,016 18,1 0,045 105,0

β-CD (heiss, 60 °C) (M: 1.135 g/mol)

-

10 – 13 %

0,032 36,3 0,090 210,0

Weiterhin sollte durch die Untersuchungen geklärt werden, ob 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin aufgrund des hohen Substitutionsgrades noch eine ausreichend hohe Reaktivität besitzt, um mit NHDT abzureagieren. Dies kann durch entsprechende Versuche mit unmodifiziertem β-Cyclodextrin aufgezeigt werden. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengefasst. Generell lassen sich anhand der Laborversuche folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Die Auflage von 2-HP-β-CD auf Baumwollsamt und ECE-Baumwollgewebe (2,2 – 2,8 % bzw. 3 – 4 %) ist nach dem Ausrüstungsprozess geringer als bei MCT-β-Cyclodextrin (3,5 – 4,0 %, bzw. 5,5 – 7,0 %).

Die Fixierausbeute, d.h. der nicht extrahierbare Anteil an β-Cyclodextrin ist bei Verwendung von NHDT etwas höher als bei den bisherigen Versuchen mit MCT-β-Cyclodextrin.

Eine Fixierung mit NHDT als Reaktivanker wird nur bei höheren pH-Werten erzielt, wenn die Lösung gepuffert wird. Bei niedrigen pH-Werten von pH 5 wird zusätzlich eine starke gelb-braune Färbung des Gewebes beobachtet.


Tabelle 10: pH-Wert-abhängige Fixierbarkeit von 0,035 mol/l HP-CD mit NHDT als Reaktivanker auf Baumwolle; Flottenaufnahme 90-110 %.

Proben- Nr.

pH-Wert Restfeuchte [%]

Verfärbung Gewebe

β-CD-Auflage vor Extraxtion

[%]

β-CD-Auflage nach Extraktion

[%] 1 ECE 5 HP 1,2 - 4 ECE

5 (S) 3

hellbraun HP 1,4 0,0

2 ECE 4 HP 2,8 - 5 ECE 2 HP 1,9 0,1 26 ECE

8 (E)

3

gelb, scheckig

HP 2,0 0,4 3 ECE 7 HP 4,0 - 6 ECE 4 HP 3,1 1,8 (58 %) 27 ECE

7 (P)

5

keine Färbung

HP 3,7 2,4 (65 %) 6qu Samt 7 (P) 14 leichte

Färbung HP 2,2 0,9 (41 %)

E: Eigen-pH-Wert der Lösung, P: Puffer KH2PO4/NaOH nach Küster-Thiel, S: pH-Einstellung mit 60 %-iger CH3COOH. Zur Abklärung der optimalen pH-Wert-Bedingungen wurden weitere Versuche zur Bestimmung der Reproduzierbarkeit und zur Erhöhung der Auflagemenge auf Baumwollsamt durchgeführt. Dazu wurde die 2-HP-β-Cyclodextrin-Konzentration von 0,035 mol/l auf 0,07 mol/l verdoppelt und für NDHT ebenfalls wieder ein Substitutionsgrad von 2,8 (f=2,8) angenommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 11 zusammengestellt. Tabelle 11: Einfluss des pH-Wertes und der Auflagemenge von 2-HP-CD und

β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt auf die Fixierausbeute (NHDT); Flottenaufnahme 95-115 %.

CD [mol/l]

Restfeuchte [%]

CD-Auflage vor Extraktion [%]

CD-Auflage nach Extraktion [%] (Rest)

0,035 2-HP-β-CD 17 2,8 1,1 (39 %) 0,070 2-HP-β-CD 21 3,9 1,4 (37 %) 0,035 2-HP-β-CD 20 2,6 1,0 (39 %) 0,070 2-HP-β-CD 19 4,1 2,0 (49 %) 0,016 β-CD 3 1,2 0,1 (8 %) 0,032 β-CD 15 2,5 0,8 (32 %)

Puffer pH 7: KH2PO4/NaOH und pH 9: H3BO3/KCl/NaOH nach Küster-Thiel. Aus Tabelle 11 ist zu ersehen, dass für die Verankerung von 2-HP-β-CD mit NHDT bei pH-Wert von 9 die höchste Fixierausbeute zu erzielen ist. Deshalb wurde bei den nachfolgenden Versuchen die zu imprägnierende Flotte immer auf pH-Wert 9 eingestellt.


Tabelle 12: Reproduzierbarkeit der Auflagemenge von 2-HP-β-Cyclodextrin und NHDT auf Baumwollsamt bei pH 9 mit einem Boratpuffersystem; Flottenaufnahme 105-115 %; Laborversuch.

Proben-Nr. CD [mol/l]

Restfeuchte [%]



6 y 19 4,1 2,00 (49,0 %) 6 z 19,3 4,24 1,66 (39,2 %) 6 AA 18,0 3,98 1,97 (49,5 %) 6 AC 22,5 4,53 1,54 (34,0 %) 6 AG

0,070

2-HP-β-CD

18,5 4,15 1,84 (44,3 %) Im Mittel ergibt sich in Boratpuffer pH 9 eine fest fixierte Auflage an 2-HP-β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt von 1,8 ± 0,2 %. Aufgrund der besseren industriellen Einsetzbarkeit wurde versucht, ob eine Pufferung der Reaktion von 2-HP-β-Cyclodextrin mit NHDT auch mit einem Carbonatpuffer pH 9,2 (Na2CO3/NaHCO3, 0,1 mol/l) erfolgen kann. In Tabelle 13 sind die entsprechenden Auflagemengen vor und nach einer MeOH/H2O (10:90) Extraktion zusammengestellt. Im Mittel ergibt sich in Carbonatpuffer pH 9 eine fest fixierte Auflage an 2-HP-β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt von 1,9 ± 0,1 %. Tabelle 13: Reproduzierbarkeit der Auflagemenge von reaktiv mit NHDT verankertem 2-HP-

β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt bei pH 9 mit einem Carbonat-Puffersystem; Flottenaufnahme 108-114 %; Laborversuch.

Proben-Nr. CD [mol/l]

Restfeuchte [%]


CD-Auflage nach Extraktion [%]

6 AJ 15,5 3,91 2,01 6 AR 20,4 4,00 1,80 6 AS

0,070

2-HP-β-CD 18,4 4,00 1,90 Ein Vergleich der Tabellen 12 und 13 zeigt, dass das Puffersystem keinen Einfluss auf die reaktiv verankerte Auflagemenge an β-Cyclodextrin hat. Deshalb wurden alle folgenden Versuche mit dem Carbonat-Puffersystem durchgeführt. Im Rahmen der Optimierungsversuche wurde auch der Einfluss der Flottentemperatur (Carbonatpuffer) auf die Auflagemenge bestimmt. Dazu wurde der Baumwollsamt (Proben 6 AL und 6 AM) für 5 min zur Flottenimprägnierung nicht wie sonst üblich bei Raumtemperatur in der Flotte bewegt, sondern es wurde bei 80 °C unter sonst gleichen Bedingungen gearbeitet. Während sich die Cyclodextrinauflage vor der MeOH/H2O-Extraktion nicht wesentlich von den bei Raumtemperatur erzielten Ergebnissen (s. Tabellen 14 und 15) unterschied, war anschließend die Restauflage allerdings signifikant niedriger. Dies lässt darauf schließen, dass es bereits in der Ansatzflotte zu einer Reaktion von 2-HP-β-Cyclodextrin mit NHDT kommt. Eine Änderung des pH-Wertes der Flotte durch die Freisetzung von HCl wurde allerdings nach der kurzen Imprägnierphase und durch die Pufferung nicht beobachtet.


Tabelle 14: Auflagemenge von reaktiv verankertem 2-HP-β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt bei einer Flottentemperatur von 80 °C (6 AL und 6 AM) bzw. bei Raumtemperatur mit Ultraschall; Flottenaufnahme 108-112 %.

Proben- Nr.

CD [mol/l] [g/l]

Restfeuchte [%]



6 AL 16,6 4,12 1,20 (29,1 %)

6 AM

0,070 2-HP-β-CD

17,4 4,50 0,99 (22,0 %)

Darüber hinaus wurde auch versucht, die Flottenzugänglichkeit von Baumwollsamt durch Ultraschall zu erhöhen, um auszuschließen, dass evtl. durch im Flor vorhandene Luftbläschen die Flottenaufnahme beeinträchtigt wird. Während der Imprägnierphase des Samtes im Becherglas wurde allerdings keine verstärkte Bläschenfreisetzung aus dem Gewebe in die Flotte durch den Ultraschall beobachtet. 5.7.2.1 Bestimmung der Wasseraufnahme von mit β-CD ausgerüsteten CO-

Geweben im Vergleich zur nicht ausgerüsteten Ware Generell stellt sich die Frage, inwieweit die Zu- und Abnahme des Gewichtes der Baumwollgewebe nach der β-Cyclodextrin-Imprägnierung bzw. Extraktion gravimetrisch exakt bestimmbar ist. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass es in Abhängigkeit vom β-Cyclodextringehalt der Faser zu unterschiedlichen Feuchtigkeitsaufnahmen im Vergleich zum Ausgangsmaterial kommt. Deshalb wurden unterschiedlich imprägnierte Baumwollgewebe zur Bestimmung des Wassergehaltes einer Karl-Fischer-Titration unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 15 zusammengestellt. Aus Tabelle 15 geht hervor, dass durch das imprägnierte β-Cyclodextrin – dies gilt sowohl für MCT-β-CD als auch für HP-CD - der Wassergehalt der Baumwollgewebe nur geringfügig beeinflusst wird. Deshalb ist es statthaft, ohne einen großen Fehler zu machen, den β-Cyclodextrin-Gehalt der Faser gravimetrisch zu bestimmen.


Tabelle 15: Bestimmung des Wassergehaltes von Baumwollgeweben nach Imprägnierung mit unterschiedlichen β-Cyclodextrinen in Abhängigkeit vom β-Cyclodextringehalt an der Faser.

Baumwoll-gewebe

Behandlung β-CD-Auflage [%]

Mittelwert H2O-Gehalt [%]

- - 5,93±0,03

60 g/l MCT-β-Cyclodextrin 5,68 6,67±0,05

6 g/l MCT-β-Cyclodextrin 1,20 6,25±0,01

0,035 mol/l 2-HP-β-CD + 0,098 mol/l NHDT f=2,8

4,04 6,57±0,19

ECE

0,035 mol/l 2-HP-β-CD + 0,098 mol/l NHDT f=2,8 H2O/MeOH extrahiert

1,83 6,65±0,12

- - 8,15±0,01

0,041 mol/l MCT-β-Cyclodextrin 3,70 9,00±0,07

Samt Girmes

0,041 mol/l MCT-β-Cyclodextrin H2O/MeOH extrahiert

0,29 8,48±0,22

- - 8,20±0,29

0,07 mol/l 2-HP-β-CD + 0,07 mol/l NHDT (f=1), Carbonatpuffer pH 9, (6AU) H2O/MeOH extrahiert

1,02 8,88±0,13

0,07 mol/l 2-HP-β-CD + 0,14 mol/l NHDT (f=2), Carbonatpuffer pH 9, (6AV), H2O/MeOH extrahiert

1,50 9,01±0,14

Samt Girmes

0,07 mol/l 2-HP-β-CD + 0,20 mol/l NHDT (f=2,8), Carbonatpuffer pH 9, (6AR),H2O/MeOH extrahiert

1,80 8,76±0,07

5.7.2.2 Bestimmung der Reaktivität von MCT-β-Cyclodextrin und NHDT mit

2-HP-β-CD über Vernetzungsreaktionen in Lösung Da die Reaktivität von MCT-β-CD und NHDT mit der Zeit bei der Lagerung abnimmt, wurde nach einem Testverfahren gesucht, mit dem es möglich ist, die Reaktivität der Ankergruppen zu bewerten und Aussagen über die Lagerfähigkeit angesetzter Cyclodextrin-Flotten machen zu können. Auf der anderen Seite sollten die Ergebnisse möglichst nahe an den optimalen Fixierbedingungen an Baumwolle angelegt sein.


Zur Simulation der Versuchsbedingungen wurden 10 ml Flotte; bestehend aus NHDT (5,4 ml) und 2-HP-β-CD (0,798 g); in Carbonatpuffer pH 9 hergestellt, bzw. alternativ 0,6 g MCT-β-Cyclodextrin pH 5 (eingestellt mit CH3COOH) in 10 ml Wasser in einem Becherglas gelöst. In zwei weiteren Versuchen wurden zu der 6%-igen MCT-β-Cyclodextrin-Lösung noch 2 % α-Cyclodextrin bzw. 2,7 % γ-Cyclodextrin zugegeben. Die Lösungen wurden in eine Kristallisierschale (kleine Füllhöhe ⇒ große Oberfläche zur optimalen Verdampfung des Wassers) gegeben und für 2 min 50 s analog zur Versuchsdurchführung mit Gewebe bei 80 °C im Spannrahmen ‚vorgetrocknet’ und anschließend noch einmal für 7 min bei 160 °C ‚fixiert’. Diese Zeit ist vollkommen ausreichend, um das Wasser aus der Flotte vollständig zu verdampfen. Im Einzelnen ergaben sich folgende Ergebnisse, die in Tabelle 16 zusammengestellt sind. Tabelle 16: Reaktive Vernetzung von Cyclodextrin in Lösung zur qualitativen Bestimmung

der Reaktivität der Reaktivanker

Cyclodextrin Einwaage Flotte [g]

nach Vor-fixierung

[g]

nach Fixierung

[g]

Aussehen Rückstand

Löslich-keit in H2O

dest. H2O 9,7 7,0 0,2 - - HP-β-CD/NHDT Flotte 1 Tag alt

10,45 7,35 1,65 ++

HP-β-CD/NHDT frisch angesetzt

10,8 7,1 1,9

hellgelber / farbloser Film und Kristalle ++

MCT-β-CD Charge 75B090

8,7 5,0 0,5 ++

MCT-β-CD Charge 75B091

8,8 5,6 0,5 ++

MCT-β-CD (75B091) 2% α-CD

10,3 7,4 0,8

farbloser Film und Kristalle

++

MCT-β-CD 75B091 2,7% γ-CD (gelbe Lsg)

10,2 7,1 0,8 gelber Film u. Kristalle

++

Nach der Abreaktion des Cyclodextrins mit den anwesenden Reaktivankern (entweder NHDT oder MCT) wurde versucht, über die Löslichkeit des Rückstandes in Wasser zu testen, ob Abstufungen – entsprechend unterschiedlicher Vernetzungsgrade und damit einer unterschiedlichen Reaktivität der Ankergruppen – beobachtet werden können. Wie aus der Tabelle 16 ersichtlich ist, war allerdings eine gute Löslichkeit bei allen Rückständen vorhanden. Dies spricht dafür, dass sowohl für das HP-β-CD/NHDT als auch für das MCT-β-CD eine geringe Reaktivität der Ankergruppen unter den eingestellten Versuchsbedingungen erzielt wurde.


5.7.3 Untersuchungen zur Extrahierbarkeit von MCT-β-Cyclodextrin von ausgerüstetem Baumwollgewebe durch Schweißlösung

Obwohl zur Entfernung des nicht fixierten MCT-β-Cyclodextrins das Gewebe nach der Ausrüstung jeweils für 3 min 1 x mit heissem (60 °C), 2 x mit kaltem Weichwasser und abschließend noch 1 x mit dest. Wasser unter Rühren gewaschen wurde (s. Kapitel 4.1.3), scheint trotzdem ein Teil nicht fixiertes MCT-β-Cyclodextrin während der Behandlung der Baumwolle in der Schweißlösung in Lösung zu gehen. Dies zeigte sich zunächst bei der höheren UV-Absorbanz bei 279 nm der Schweißlösung ohne Adrenalin und ist auch in Abb. 19 erkennbar.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

200 220 240 260 280 300

Wellenlänge [nm]

Abso

rban

z

BW in Schweißlösung pH 3 BW/CD in Schweißlösung pH 3

Abb. 19: UV-Absorptionsspektren der extrahierbaren Anteile von mit MCT-β-CD

ausgerüsteter im Vergleich zu nicht ausgerüsteter Baumwolle durch reine Schweißlösung von pH 3.

In diesem Zusammenhang wurde untersucht, ob insbesondere der relativ niedrige pH-Wert der Schweißlösung von pH 3 für die Ablösung des MCT-β-Cyclodextrins verantwortlich ist. Aus der Reaktivfärbung von cellulosischen Fasern mit Chlortriazinylgruppen als Reaktivanker ist bekannt, dass die Faser/Farbstoff-Bindung gegenüber einer sauren Hydrolyse bei pH-Werten < pH 5 empfindlich sein kann [36]. Deshalb wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Analog zu den vorherigen Versuchen wurde jeweils mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüstetes (5,7 Gew.-% Auflage) bzw. als Blindwert nicht ausgerüstetes ECE-Echtheitsgewebe für 1 h in 30 ml Schweißlösung und in einer Petrischale verweilen gelassen. Die pH-Einstellung erfolgte mit HCl (pH 3 und 5) und bei pH 9 mit 0,1 m NaOH. Bei pH 7 wurde nur Schweißlösung verwendet. In Abb. 20 sind die UV-Spektren der überstehenden Schweißlösungen vergleichend dargestellt.


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

200 220 240 260 280 300Wellenlänge [nm]

Abs

orba

nz

BW pH 3 BW pH 5 BW pH 7 BW pH 9MCT-ß-CD BW pH 3 MCT-ß-CD BW pH 5 MCT-ß-CD BW pH 7 MCT-ß-CD BW pH 9

Abb. 20: pH-Wert abhängige Extraktion von MCT-β-Cyclodextrin von ausgerüstetem

ECE-Echtheitsgewebe durch die Schweißlösung. Aus Abb. 20 ist ersichtlich, dass unabhängig vom pH-Wert der Schweißlösungen immer MCT-β-Cyclodextrin von den ausgerüsteten Baumwollgeweben abgelöst wird. Allerdings fällt dabei auf, dass das UV-Spektrum des vom Gewebe extrahierten MCT-β-Cyclo-dextrins bei pH 3 kein relatives Absorptionsmaximum bei 230 nm besitzt, sondern eine Schulter ca. bei 214 nm. Dieses Verhalten zeigt sich auch, wenn man pures MCT-β-Cyclodextrin in Schweißlösung auflöst. Während bei allen anderen untersuchten pH-Werten sich das UV-Spektrum zeitabhängig nicht verändert, verschiebt sich das relative UV-Maximum bei 247 nm nach 18 h nach 220 nm (siehe Abb. 21).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

200 220 240 260 280 300Wellenlänge [nm]

Abso

rban

z

pH 3 pH 5 pH 7 pH 9 pH 3 nach 18 h

Abb. 21 UV-spektralphotometrisches Verhalten von MCT-β-Cyclodextrin (0,1 g/l) in

Schweißlösung bei unterschiedlichen pH-Werten.


Die Spektren in Abbn. 20 und 21 deuten darauf hin, dass die Hydrolyse des MCT-β-Cyclodextrins nicht während der Imprägnierung und Fixierung auf der Baumwolloberfläche stattfindet, sondern erst nach Exposition der Gewebe in Schweißlösung. Nach Angaben der Fa. Wacker findet insbesondere bei hohen Temperaturen bzw. bei niedrigen pH-Werten eine Hydrolyse des MCT-β-Cyclodextrins statt, die durch freigesetztes HCl autokatalytisch abläuft. Allerdings sind pH-Werte von 3 nicht hautrelevant und wurden nur eingesetzt, da bei diesem pH-Wert bei den Untersuchungen mit Adrenalin dieses noch relativ stabil war. Deshalb hat die Hydrolyse des nicht fixierten MCT-β-Cyclodextrins auf dem Gewebe für die Anwendung als transdermales Kollektorsystem keine große Relevanz. Zur quantitativen Bestimmung extrahierbarer Anteile von mit MCT-ß-Cyclodextrin ausgerüsteter CO-Ware (ECE-Testgewebe, mit 4,15 % Auflage) wurde mehrfach mit H2O/MeOH (90/10) im Soxhlet extrahiert. Nach 2-tägiger Extraktion (Extraktionszeit: 24 h entspricht ca. 24 Umläufen) wurde das Gewebe erneut gewogen. Der Gewichtsverlust betrug 3,5 %. Der Tüpfeltest mit Phenolrot in unterschiedlichen Farbstoffkonzentrationen (1, 2, 3, und 4 g/l) auf dem extrahierten Gewebe entsprach im Vergleich zur Farbtabelle einer ca. 4 %-igen Auflage an β-MCT-Cyclodextrin. Daraufhin wurde vermutet, dass es sich bei dem farblosen, pulverförmigen Rückstand des Wasser/MeOH-Extraktes nicht um β-MCT-Cyclodextrin handelt. 5.7.4 Untersuchungen zur Stabilisierung von 4-Aminophenol durch

Komplexierung in mit HP-β-Cyclodextrin ausgerüstetem Baumwollsamt

Nach einer Verweilzeit von 1 h in den 4-Aminophenol enthaltenden Lösungen wurde der Baumwollsamt (HP-β-Cyclodextrin beschichtet und unbeschichtet) abgequetscht und bei Raumtemperatur getrocknet. Nach 24 h wurden die Remissionsspektren der behandelten Baumwollproben gemessen und das Material weiter bei Raumtemperatur und Tageslicht mit der Florseite nach oben gelagert. Die Ergebnisse sind in den Abbn. 22 bis 24 dargestellt.


40

50

60

70

80

90

100

350 400 450 500 550 600 650 700Wellenlänge [nm]

Rem

issi

on [%

]

BW Original Flor HP-ß-CD 1,8 % Original FlorBW Flor 4-Aminophenol 24 h HP-ß-CD 1,8 % 4-Aminophenol Flor 24 hBW Original Rücken HP-ß-CD 1,8 % Original RückenBW Rücken 4-Aminophenol 24 h HP-ß-CD 1,8 % 4-Aminophenol Rücken 24 h

Schweißlösung pH 4

SamtgewebeLagerung bei RT und TageslichtFlor (oben) Rücken (unten)

Abb. 22: Vergleich der Stabilisierung von 4-Aminophenol in Schweißlösung von pH 4

durch HP-β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt im Vergleich zu einem vorextrahierten nicht ausgerüsteten Gewebe.

Die niedrigsten Remissionswerte – entsprechend des stärksten 4-Aminophenol-Abbaus; sichtbar durch eine rötlich-braune Färbung – werden bei dem mit HP-β-Cyclodextrin ausgerüsteten Gewebe gefunden. Der gleiche Effekt wird auch in reinem Wasser und in wässriger Lösung bei pH 4 (Einstellung mit verdünnter HCl) beobachtet, wie aus den Abbn. 23 und 24 hervorgeht.

45

55

65

75

85

95

350 400 450 500 550 600 650 700Wellenlänge [nm]

Rem

issi

on [%

]

BW Original Flor HP-ß-CD 1,8 % Original FlorBW Flor 4-Aminophenol 24 h HP-ß-CD 1,8 % Flor 4-Aminophenol 24 hBW Original Rücken HP-ß-CD 1,8 % Original FlorBW Rücken 4-Aminophenol 24 h HP-ß-CD 1,8 % Rücken 4-Aminophenol 24 h


Wasser pH 4

Abb. 23: Vergleich der Stabilisierung von 4-Aminophenol in Wasser von pH 4 durch HP-

β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt im Vergleich zu einem vorextrahierten, nicht ausgerüsteten Gewebe.


40

50

60

70

80

90

100

350 400 450 500 550 600 650 700Wellenlänge [nm]

Rem

issi

on [%

]

BW Original Flor HP-ß-CD 1,8 % Original FlorBW Flor 4-Aminophenol 24 h HP-ß-CD 1,8 % 4-Aminophenol Flor 24 hBW Original Rücken HP-ß-CD 1,8 % Original RückenBW Rücken 4-Aminophenol 24 h HP-ß-CD 1,8 % 4-Aminophenol Rücken 24 h

Wasser pH 7


Abb. 24: Vergleich der Stabilisierung von 4-Aminophenol in Wasser pH 7 durch HP-β-

Cyclodextrin auf Baumwollsamt im Vergleich zu einem vorextrahierten, nicht ausgerüsteten Gewebe.

5.7.5 Versuche zur Komplexierung von Drogen in einem transdermalen

Kollektorsystem Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde mit dem Institut für Hygiene und Laboratoriumsmedizin der Städtischen Kliniken Krefeld zusammengearbeitet. Dazu wurde zunächst nach einer geeigneten und in der Drogenanalytik relevanten Modellsubstanz gesucht, mit der erste Testversuche durchgeführt wurden. Modellsubstanz: Amphetamin(e) Amphetamin wurde mit der Absicht entwickelt, asthmatische Symptome zu lindern. Eines der wirksamsten Mittel zur Behandlung des Asthmas ist das körpereigene Hormon Adrenalin, das unter Stressbedingungen vermehrt im Nebennierenmark gebildet und in die Blutbahn ausgeschüttet wird. Adrenalin beschleunigt den Herzschlag, erhöht die Muskelkraft und erweitert die Lungen, was ein tieferes und besseres Atmen erlaubt. Leider kann Adrenalin nicht oral verabreicht werden, da es im Magen- und Darmtrakt relativ schnell abgebaut wird. Daher wurde ein Derivat gesucht, das ausreichend stabil und aus dem Magen-Darm-Trakt gut resorbiert wird [24,25}. Amphetamine werden von drogenabhängigen Probanden entweder durch Injektion oder Inhalation konsumiert, da hierbei durch die plötzliche hohe Konzentration im Blut die stärkste Wirkung, die für den Rausch nötig ist, erzielt wird. Bei oraler Einnahme bleibt durch die langsame Aufnahme zwischen ca. 30 min und 4 h die Konzentration von Amphetaminen im Blut über längere Zeit konstant (vgl. [1]). Der Abbau und die Ausscheidung von Amphetaminen hängen in hohem Maß vom pH-Wert des Urins ab. Bei pH <7 beträgt die Halbwertzeit, wobei der Abbau über Stoffwechselvorgänge in der Leber erfolgt, ca. 7-14 h, bei pH 7-11 ca. 16-34 h. Amphetamine sind auch über den Schweiß und den Speichel nachweisbar [37,38].


Analysierte Hauptkomponenten an Drogen und deren Metaboliten Für erste Messungen wurden dem Klinikum Samtproben (Flotte: 2-HP-β-CD 0,07 mol/l bzw. 97,8 g/l, pH 9, Auflage nach H2O/MeOH-Extraktion 1,9-2,0 %) sowie zum Vergleich nicht ausgerüstetes, aber mit H2O/MeOH 90/10 vorextrahiertes Samtgewebe zur Verfügung gestellt. Von beiden Geweben (ausgerüstet und nicht ausgerüstet) wurden ca. 0,8 g in jeweils eine Monovette gegeben und die Gewebe mit einer methanolischen, acetylierten Urinprobe eines drogenabhängigen Probanden übergossen. Von der durchgelaufenen Urinprobe wurden jeweils 3 µl in eine GC/MS-Anlage eingespritzt. Aus Voruntersuchungen der reinen hydrolysierten Urinprobe konnten u. a. als Hauptkomponenten Coffein, Codein, Nor-Methadon, Heroin und 6-Monoacetylmorphin (erste Abbaustufe des Heroins) nachgewiesen werden. Als interner Standard wurde Papaverin verwendet (Abb. 25).

9 . 0 5

N i k o t i n 5 . 6

N o r - M e t h a d o n 1 0 , 0 3

9 . 0 5

N i k o t i n 5 . 6

N o r - M e t h a d o n 1 0 , 0 3

Abb. 25: GC/MS-Spektrum einer acetylierten Urinprobe eines drogenabhängigen

Probanden. Erste qualitative vergleichende GC/MS-Messungen der Urinprobe nach Durchlauf durch die mit 2-HP-β-Cyclodextrin ausgerüstete Baumwolle in der Monovette ergaben, dass im Vergleich zur nicht ausgerüsteten Baumwolle alle relevanten Drogensubstanzen vom 2-HP-β-Cyclodextrin weitestgehend aufgenommen worden sind. Bei der Baumwollprobe ohne 2-HP-β-CD fand keine signifikante Adsorption von Substanzen aus der Urinlösung statt. Zur


besseren Erkennung wurde die Fläche der Peaks, die der Urinlösung nach Durchlauf durch die mit Cyclodextrin ausgerüstete Baumwolle entsprechen, mit oranger Farbe unterlegt. Die Substanz, die sich als ´Verunreinigungspeak’ herausstellte, stammte nicht von den untersuchten Proben, sondern aus einer Kontamination des GC-Säulenmaterials. Nach einem Austausch gegen eine neue Säule war dieser Peak in den folgenden GC Spektren verschwunden.

VerunreinigungspeakVerunreinigungspeak

Abb. 26: GC/MS-Messungen einer Urinprobe nach Durchlauf durch die mit 2-HP-β-

Cyclodextrin ausgerüstete Baumwolle. Die mit acetylierter Urinlösung in Kontakt gekommene, ausgerüstete Baumwoll-Samtprobe wurde anschließend zweimal mit jeweils 5 ml Methanol extrahiert und die Extraktionslösung in die GC/MS eingespritzt. Hierbei konnte in beiden Extrakten in abnehmender Konzentration wieder Coffein, Codein, Nor-Methadon, Heroin und 6-Monoacetylmorphin nachgewiesen werden.


Abb. 27: GC/MS-Spektren der Extrakte nach zweimaliger Extraktion der mit

hydrolysierter Urinlösung in Kontakt gekommene ausgerüstete Baumwoll-Samtprobe.

Ähnliche Ergebnisse werden auch erzielt, wenn man ein acetyliertes Amphetamin als Modellsubstanz mit einer physiologischen Kochsalzlösung einsetzt. Auch hier wird von der mit 2-HP-β-Cyclodextrin ausgerüsteten Baumwolle nahezu das gesamte Amphetamin komplexiert, wie an der durch die Monovette gelaufene Imprägnierlösung über GC/MS gezeigt werden konnte. Durch anschließende Extraktion der Baumwolle mit Methanol kann ein Teil des Amphetamins wieder in Lösung gebracht und nachgewiesen werden. Nach den ersten erfolgreichen qualitativen Messungen folgten anschließend weitere Versuche, wobei auf eine Quantifizierung der Messergebnisse besonderer Wert gelegt wurde. 5.7.5.1 Versuche zur Validierung der Analytik zur vergleichenden Messung

der Aufnahmekapazität von Amphetamin an ausgerüstetem Baumwollsamt

Für die Versuche wurde jeweils ein mit Wasser/MeOH 90/10 v/v vorextrahierter, mit 2-HP-β-Cyclodextrin/NHDT (DS (degree of substitution) 2,8 analog MCT-β-Cyclodextrin) ausgerüsteter und anschließend extrahierter (Wasser/MeOH 90/10 v/v) Samt (2-HP-β-Cyclodextringehalt: 1,54 % Probe 6 AC) im Klinikum Krefeld in einer Monovette mit einer physiologischen Kochsalzlösung (als erste Annäherung an eine Schweißlösung) mit 6,59 µg/ml Amphetamin für 4 h in Kontakt gebracht. Durch vorausgegangene Versuche hatte sich gezeigt, dass eine Verlängerung der Kontaktzeiten – untersucht wurden bis zu 24 h - nicht zu einer höheren Amphetaminaufnahme des ausgerüsteten Gewebes führt, so dass für alle folgenden Versuche die Gewebe jeweils für 4 h in Kontakt mit der amphetaminhaltigen Lösung standen. Zum Vergleich wurde analog der Versuch mit vorextrahiertem; aber nicht ausgerüstetem Samt durchgeführt. Anschließend wurde das Gewebe in der Monovette stark abgequetscht und die Kontaktlösung aufgefangen. Das in der Monovette verbliebene Gewebe wurde getrocknet und anschließend mit jeweils 4 ml destilliertem Wasser gespült. Zur quantitativen Entfernung des Restgehaltes an Amphetamin wurde im 5. Extraktionsschritt das Gewebe zunächst 1 x neutral und 2 x alkalisch (NaOH pH 9-10) gewaschen und die wässrigen Lösungen mit CH2Cl2 extrahiert. Die drei Fraktionen wurden zusammengeben, das


Lösemittel abrotiert und der Rückstand in CH3CN aufgenommen. Alle sonstigen Lösungen wurden separat aufgefangen und die Konzentration an Amphetamin über einen Fluoreszenzpolarisations-Immunoassay (FPIA) und über die Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) nach Acetylierung des Amphetamins ergänzend bestimmt. Zunächst wurden die Ergebnisse beider Messverfahren gegenübergestellt und miteinander verglichen (s. Abb. 28).

0

1

2

3

4

5

6

7

Amph

etam

in [µ

g/m

l]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Extraktionszyklus

Messmethode: FPIA Messmethode: GC/MS

10: in Lösung verbliebenes Amphetamin 11: Amphetamin Ausgangskonzentration

Abb. 28: Amphetaminextraktion (Mehrfachspülung) aus 1,54 % β-HP-CD ausgerüstetem

Samt (Probe 6 AC) mit jeweils 4 ml H2O (Methodenvergleich). Es zeigte sich bei dieser Probe eine gute Übereinstimmung beider Messverfahren, wobei allerdings die Schwierigkeit darin bestand, dass die Probenaufgabe bei der GC manuell erfolgte. Deshalb waren bei einigen Messungen die Ergebnisse zum Teil doch sehr stark schwankend. Weiterhin kam es bei der Aufarbeitung (Acetylierung) des Amphetamins für die GC-Messungen bei einigen Proben (6 y, 6 AU und 6 AC) zu einer Gelbildung, so dass in erster Linie die Auswertung über die FPIA erfolgte. Da teilweise auch bei der FPIA-Messung des Rückstandes aus dem 5. Extraktionsschritt (1 x neutral und 2 x alkalisch (NaOH, pH 9-10) gewaschen) und den wässrigen Lösungen (mit CH2Cl2 extrahiert) das Grundrauschen viel zu hoch war, ist zu vermuten, dass insbesondere bei der alkalischen Extraktion evtl. noch Reste an β-Cyclodextrinderivat von der Faser mit herunterextrahiert worden waren. 5.7.5.2 Berechnung der theoretischen Beladungskapazität des mit HP-β-

CD/NHDT ausgerüsteten Baumwoll-Samtes für Amphetamin Zur Abschätzung der Beladungskapazität des ausgerüsteten Baumwollsamtes wurde das Material mit einer konstanten HP-β-Cyclodextrin-Konzentration, aber unterschiedlichen NHDT-Konzentrationen ausgerüstet. Dabei wurden unterschiedliche Substitutionsgrade (DS) des Cyclodextrins entsprechend Tabelle 17 angenommen, wobei ein DS von 2,8 dem des von Wacker vorgegebenen Wertes für MCT-β-Cyclodextrin analog war.


Tabelle 17: Berechnete Beladungskapazität des mit HP-β-Cyclodextrin/NHDT ausgerüsteten Baumwoll-Samtes für Amphetamin.

MW Ausgangssubstanz [g/mol]

DS HP-β-CD mit

NHDT

Mw Berechnung

[g/mol]

Auflage HP-β-CD/NHDT [%] /

[g/g CO]

Auflage HP-β-CD/NHDT

[mol/g CO]

2,8 1.643,20 1,54 /0,0154 9,5⋅10-6

2,0 1.568,00 1,50 /0,0150 9,3 10-6

HP-β-CD 1.380,00 NHDT 187,90 (94,00*)

1,0 1.474,00 1,02 /0,0102 6,9⋅10-6 (*für die Mw Berechnung wurde die Abstraktion von 2 Cl- und Na+ bei NHDT berücksichtigt) Zur Gewährleistung der Vergleichbarkeit der Werte untereinander wurde die vom Baumwollsamt aufgenommene Menge an Amphetamin auf 1 g Gewebe umgerechnet. Da außerdem nicht alle auf der Faseroberfläche befindlichen HP-β-Cyclodextrin-Moleküle zugänglich sind und nicht von einer monomolekularen Belegungsschicht der Samtoberfläche ausgegangen werden kann, wurde entsprechend der im Institut vorliegenden Erfahrungen von einer möglichen Zugänglichkeit des HP-β-Cyclodextrins von 20 bzw. 50 % ausgegangen. Entsprechend der in Tabelle 17 aufgeführten Konzentrationen an HP-β-Cyclodextrin/NHDT ergeben sich somit die in Tabelle 18 aufgeführten, maximal möglichen Beladungskapazitäten für Amphetamin (mit Mw Amphetamin: 135,09 g/mol). Tabelle 18: Maximal mögliche Beladungskapazitäten für Amphetamin auf Baumwollsamt

bei Annahme einer Zugänglichkeit des HP-β-CD´s von 100, 50 bzw. 20 %.

100 % Kapazität 50 % Kapazität

Auflage HP-β-CD/NHDT [mol/gCO]

Auflage HP-β-CD/NHDT [g Amphetamin/g CO]

Auflage HP-β-CD/NHDT [g Amphetamin/g CO]

9,3⋅10-6 1,26⋅10-3 6,3⋅10-4

9,5 10-6 1,28 10-3 6,4⋅10-4

6,9⋅10-6 9,3⋅10-4 4,65⋅10-4

5.7.5.3 Vergleich der Beladung von Baumwollsamt mit Amphetamin in

Abhängigkeit von der Ausrüstung der Gewebe Nach der Validierung der Analytik wurden unterschiedlich ausgerüstete Baumwollsamtgewebe mit Amphetamin, welches in physiologischer NaCl-Lösung gelöst war, über 4 h behandelt. Die Konzentrationen an Amphetamin auf dem Gewebe und der überstehenden Lösung - gemessen über FPIA und GC/MS - sind in den Abbn. 28 und 29 vergleichend dargestellt. Balken 1 entspricht dabei der Amphetamin-Ausgangskonzentration (Co) in physiologischer


NaCl-Lösung. Balken 2 steht für die Restkonzentration (cLsg) in Lösung nach Tauchen/Abquetschen von 1 g Baumwollsamt. Balken 3 entspricht der Summe aus cLsg sowie 4 H2O-Extraktionen mit jeweils 4 ml - entsprechend 4 Spülungen des Gewebes mit Abquetschen - (Nrn. 4-7 als Einzelwerte) und einer abschließenden CH2Cl2-Extraktion (1 x neutral und 2 x alkalisch), wobei der Extrakt nach Abdampfen der Lösung (Vakuum) anschließend in 4 ml CH3CN aufgenommen wurde (8).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Amph

etam

in [µ

g/m

l]

1 2 3 4 5 6 7 8

Amphetamin auf Baumwollsamt (GC/MS)

1,46 % MCT-ß-CD 5,01 % MCT-ß-CD (nicht extrahiert) 1,90 % HP-ß-CD/NHDT Blindwert

Abb. 29: Vergleich der Amphetaminaufnahme von unterschiedlich ausgerüstetem

Baumwollsamt und Messung der Freisetzungskinetik im Vergleich zu einem nicht ausgerüsteten Gewebe über GC/MS-Bestimmungen.

Wesentlich für das Bindevermögen eines ausgerüsteten Textils sind jeweils die Balken 1 und 2. Der Vergleich von Balken 1 mit 2 zeigt, dass bereits im ersten Schritt große Mengen an Amphetamin am Gewebe gebunden werden. Die Balken 4-8 zeigen, dass die Wiederfindungsmenge vom beladenen Kollektorsystem (durch Extraktionen) nahezu alles Amphetamin erfasst.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

Am

phet

amin

[µg/

ml]

1 2 3 4 5 6 7 8

Amphetamin auf Baumwollsamt (FPIA)

1,46 % MCT-ß-CD 5,01 % MCT-ß-CD (nicht extrahiert) 1,90 % HP-ß-CD/NHDT Blindwert

Abb. 30: Vergleich der Amphetaminaufnahme und Wiederfindung (durch

Extraktionsschritte) an unterschiedlich ausgerüstetem Baumwollsamt mit einem nicht ausgerüsteten Gewebe mittels FPIA-Bestimmungen. Bedeutung der Balken wie für Abb. 29 erläutert.

5.7.5.4 Einfluss des Ausrüstungsgrades des HP-β-Cyclodextrins auf die

Freisetzungseigenschaften von Amphetamin Nachstehend sind Versuche beschrieben, die sowohl mit GC-MS- als auch vergleichend mit der FPIA-Analytik zur Freisetzung/Wiederfindung von an Cyclodextrin ausgerüstetem Textil für gebundenes/komplexiertes Amphetanmin durchgeführt wurden (s. Abbn. 31-33).

0

1

2

3

4

5

6

Am

phet

amin

[µg/

ml]

1 2 3 4 5 6 7 8

Amphetamin auf Baumwollsamt (FPIA)

NaCl Lösung Schweißlösung Blindwert

1,02 % HP-ß-CD/NHDT (1:1)

Abb. 31: Einfluss der in wässriger Lösung enthaltenen Salze (physiologische NaCl-Lösung und Modell-Schweißlösung pH 5) auf die Amphetaminaufnahme und auf die Wiederfindung von mit 1,02 % HP-ß-CD ausgerüstetem Baumwollsamt (Blindwert: nicht ausgerüsteter Baumwollsamt mit Amphetamin in physiologischer NaCl-Lösung); FPIA-Messungen; Bedeutung der Balken wie für Abb. 29 erläutert.


0

1

2

3

4

5

6

Am

phet

amin

[µg/

ml]

1 2 3 4 5 6 7 8


NaCl Lösung Schweißlösung Blindwert

1,02 % HP-ß-CD/NHDT (1:1)

Abb. 32: Einfluss der Salze (physiologische NaCl-Lösung und Modell-Schweißlösung,

pH 5) auf die Amphetaminaufnahme und auf die Wiederfindung von mit 1,02 % HP-ß-CD ausgerüstetem CO-Samt; Blindwert: nicht ausgerüsteter CO-Samt mit Amphetamin in physiologischer NaCl-Lösung); GC-MS-Messung; Bedeutung der Balken wie für Abb. 29 erläutert.

0

1

2

3

4

5

6

7

Am

phet

amin

[µg/

ml]

1 2 3 4 5 6 7 8


NaCl Lösung NaCl Lösung Schweißlösung Blindwert

1,54 % HP-ß-CD/NHDT (1:2,8)

Abb. 33: Einfluss der enthaltenen Salze (physiologische NaCl-Lösung mit

Doppelbestimmung und Modell-Schweißlösung pH 5) auf die Amphetaminaufnahme und auf die Wiederfindung von mit 1,02 % HP-ß-CD ausgerüstetem CO-Samt (Blindwert: nicht ausgerüsteter Baumwollsamt mit Amphetamin in physiologischer NaCl-Lösung); GC-MS-Messungen; Bedeutung der Balken wie für Abb. 28 erläutert.

Bei den Versuchen mit höherem Ausrüstungsgrad (Ankermenge gut verdoppelt, erreichte Auflage 1,54 %) zeigt sich im Wesentlichen kein veränderter Einfluss auf die Wiederfindung des Amphetamins bei der Extraktion vom Gewebe. Die Wiederfindung durch Extraktion(en)


ist im Rahmen benötigter Messgenauigkeiten immer gegeben. Es ist aber zu vermerken, dass die Zusammensetzung des Schweißes auf das Bindevermögen verringernd wirkt. Tabelle 19: Bestimmung der Beladung von Baumwollsamt mit Amphetamin nach

unterschiedlicher Ausrüstung der Gewebe.

Amphetamin [µg/g]

Nicht ausgerüstet

MCT-ß-CD 1,46 %

MCT-ß-CD 5,01 %

HP-ß-CD/NHDT 1,9 %

c0 6,21 6,21 8,16 8,15 7,35 ± 0,1

cLsg 1,62 2,54 2,12 1,62 1,97 ± 0,37

H2O Extraktion 2,81 3,91 5,68 5,55 1,81 ± 0,13

CH2Cl2-Extr. 1x neutral + 2x alkal.

0,29 0,64 1,43 3,29 2,34 ± 0,25

Σ Extr. + cLsg 4,43 6,45 7,80 7,17 6,13 ± 0,32

Insgesamt kann nach den Befunden davon ausgegangen werden, dass die Wiederfindung eines Amphetamins von Cyclodextrin ausgerüstetem Gewebe gewährleistet ist und dass damit für Analysenzwecke eine Stabilisierung aufgenommener Substanzen zu erzielen ist. 5.8 Wirkung von Chitosanausrüstungen 5.8.1 CTS-Ausrüstung und Hautverträglichkeit In der vorliegenden Studie wurde die Wirkung von Chitosan beschichteten Textilien auf Candida-Spezies anhand von Proliferationsuntersuchungen verfolgt. Dazu wurden Wachstumskurven von Candida albicans DSM 11225 in Sabouraud-4%-Glucose-Bouillon bei T = 25 °C hergestellt. Es zeigte sich bei den Untersuchungen, dass die verschiedenen Textilien eine unterschiedliche proliferative bzw. antiproliferative Wirkung auf die Candida-Spezies besitzen. Die Effekte wurden mit Hilfe der Zellzählung in der Neubauer-Zählkammer quantifiziert (s. Abbn. 34 und 35).


Abb. 34: Wirkung von 40 mg/ml gemahlenen Textil (CTS-beschichtete CO) auf Candida

albicans DSM 11225. Außerdem wurden auch verschiedene Chitosane hinsichtlich ihrer Wirkung auf Candida albicans DSM 11225 untersucht. Abb. 35: Wirkung unterschiedlicher Chitosane auf Candida albicans DSM 11225

(Candida albicans mit 40 mg/ml Chitosan).

Zeit in h0,00E+00 5,00E+07 1,00E+08 1,50E+08 2,00E+08 2,50E+08 3,00E+08 3,50E+08 4,00E+08

0 4 8 24

Zellz

ahl

Kontrolle 5,08E+05 8,23E+05 3,54E+06 3,31E+08

Chitosan MW 150000 Da /Säureabbau 02

2,38E+05 2,73E+05 1,65E+05 1,93E+05

ChitosanMW 150000 Da /Säureabbau 6 4,58E+05 4,80E+05 3,93E+05 3,78E+05

Chitosan No.21 Fa:MBP(lösl.pH=4) 3,65E+05 3,10E+05 1,12E+06 1,07E+08

Chitosan bit02 MW 80000 Da/Asche 0,6% Trockenmasse:92% 3,55E+05 3,73E+05 8,60E+05 1,91E+08

0

3,5*10 E8

0 4 8 24

Kontrolle 440000 712500 2900000 308500000 Chitosan 2,4% 400000 412500 1362500 58500000 Chitosan 2,6% 352500 705000 2225000 43000000 Chitosan 3,0% 437500 225000 1875000 83000000 Chitosan 3,7% 400000 500000 3250000 106000000

Zeit in h

3,0*10 E8 2,5*10 E8 2,0 *10 E8

1,0*10 E8 0,5*10 E8

Zellz

ahl

1,5*10 E8


Dabei zeigt sich, dass das Chitosan mit einem Molekulargewicht von 150000 Da / Säureabbau 02 (A) und das Chitosan mit einem Molekulargewicht von 150000 Da / Säureabbau 6 (B) die stärkste hemmende Wirkung auf das Pilzwachstum haben. Chitosan No.21 (C) und Chitosan bil02 mit einem Molekulargewicht von 80000 Da (D) haben nicht so einen signifikant hemmenden Einfluss auf das Pilzwachstum (s. Abb. 34). Abb. 36: Wirkung unterschiedlicher Chitosane (A-D) auf Candida albicans DSM 11225. 5.8.2 CTS-Ausrüstung und Ausrüstung mit schwefelhaltigen

Kohlenhydraten und antimikrobielle bzw. proteinbindende Wirkung Die Ausrüstungsversuche mit kationisch einstellbarem Chitosan bzw. mit anionischen Sulfatgruppen tragenden Kohlenhydraten (Carrageenan, Fucoidan) können neben Auswirkungen auf Mikroben durchaus als komplexierfähige Ausrüstungen gesehen werden. CTS, das weiterhin freie Aminogruppen beinhaltet, ist besser geeignet, carbonylgruppenhaltig Substanzen (z. B. Metabolite) zu binden als einfache CD-Moleküle. Sulfatierte Kohlenhydrate lassen eine hohe Bindefähigkeit für proteinische Substanzen erwarten. Dieser Binde-/Sammelfähigkeitsstrategie musste im Projekt nachgegangen werden. Als Orientierung für die Wechselwirkung von Mikroben mit der Oberfläche des biopolymer-ausgerüsteten Gewebes kann die Charakterisierung zugänglicher Ladungen mittels Polyelektrolyttitration herangezogen werden. Ergebnisse sind in Tabelle 20 zusammengestellt [40-43].

1,00E+00

1,00E+01

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

0 Zeit (h)

KontrolleABCD

4 8 24


Tabelle 20: Zugängliche Ladungen von CTS-Auflageschichten bei Verwendung unterschiedlicher Ankerchemikalien, CNC Cyanurchlorid, Na-HDCT Na- Hydroxy-dichlortriazin, BTCS Butantetracarbonsäure.

Proben-Code Ankermolekül (Gew.-% in Behandlungsflotte)

Erreichte Auflage[Gew.-%]

Zugängliche Ladung[µÄquiv./g Gewebe]

CTS-0,5 CNC (0,5) 0,6 7,1

CTS-1 CNC (1,0) 2,2 9,05

CTS-2 CNC (2,0) 4,5 8,15

CTS-1-BTCS BTCS (1,0) 2,2 13,0

Man erkennt, dass mehr Ankerchemikalie die Auflagemenge erhöht, aber nicht gleichzeitig die zugängliche Oberflächenladung pro Auflage verstärkt (vgl. CTS-0,5 und CTS-1 u. a.). Die unterschiedlichen Ankerchemikalien bringen durchaus unterschiedliche Auflagen, wobei aber nach bisherigen Befunden - Optimierungsuntersuchungen stehen noch aus - noch keine Bevorzugung ausgesprochen werden kann. Für erreichte biostatische Wirkungen der Ausrüstungen sind exemplarisch Untersuchungen zur Beeinflussung von Mikrobenwachstum vorgestellt. Die Abbn. 37 und 38 zeigen Beispiele von antibakterieller Wirkung von behandeltem Gewebe, gemessen nach der TTC-Methode. Je niedriger die Formazan-Absorption, desto mehr Bakterien haben ihren Metabolismus auf der ausgerüsteten Probe eingestellt. Sie beweisen damit die Existenz einer zumindest bakteriostatischen Oberfläche.

1,8 Micrococcus E. coli

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 3, 4., 5, 8,

Auflage CTS [Gew.-%]

Form

azan

1,6

1,4

1,2

1

13

Abb. 37: Wirkung verankerter CTS-Menge (Gew.-%, auf CO) auf die Reduktion von

E. coli und M. luteus (TTC-Methode).


In Abb. 38 ist die Hemmwirkung an ausgerüstetem PET-Gewebe gezeigt, das nach den Methoden der Aminmodifizierung von PET ausgerüstet wurde [40].

Abb. 38: Bakteriostatischer Effekt von PET mit permanenter CTS-Ausrüstung. Verwandt mit der Bindung von Polyelektrolyten sind die Messungen zur Proteinbindefähigkeit, die an Sulfatgruppen tragenden Kohlenhydraten (Carrageenan, Fucoidan) untersucht worden sind. Tabelle 21 gibt für mit beiden Biopolymeren ausgerüstete CO-Textilien Werte zur Albuminbindung an. Proteinbindung kann aussichtsreich sein, um Textilien für Allergiker zu gestalten [44]. Tabelle 21: Proteinbindung von mit schwefelhaltigen Biopolymeren ausgerüsteten CO-

Textilien.

Proben- Code

Auflage Gew.-%]

Bindekapazität Gewebe [mg

Albumin/g Gewebe]

Bindekapazität pro Auflage [mg

Albumin/g Auflage]

Fibroin [mg/g Auflage]

Carrageenan

Car13-1 2,8 1,05 38 --

Fucoidan

Fuco-27 0,62 1,75 282 198

Fuco-21 3,10 3,7 114 32

Es konnte somit gezeigt werden, dass Chitosan und andere ionische Kohlenhydrate (nachwachsende Rohstoffe !) sowohl auf Cellulose- als auch auf Synthesefasern permanent, waschecht verankerbar sind und dass diese Ausrüstung bakteriostatische und proteinbindende Wirkung aufweist.

0.0

0,5

1,0

1,5

2,0Fo

rmaz

an A

bsor

banz

Kontroll Chitosan mit Polycarbonsäure

verankertHexyl-

chitosan


Weitere Zukunftsaufgaben liegen bei der Untersuchung der Wirkung gegen ein breiteres Mikrobenspektrum, bei der Untersuchung des Einflusses der Molekülmassen der Biopolymere auf den Ausrüstungseffekt und bei Untersuchungen zur Synergiewirkung von Biopolymermischungen. 5.8.3 Amphetaminbindung an mit Chitosan ausgerüsteten Waren Für neue Wege zur Verankerung des Biopolymers Chitosan (CTS) wurden Versuche mit Hilfe der Sol-Gel-Technik vorgenommen (vgl. [45]). Es zeigt sich dabei, dass mengenmäßig verbesserte Auflagen auf Synthesefasern erreicht werden konnten, dass aber bei Ausrüstung von CO kein Vorteil beobachtet wurde (s. Tabelle 22). Tabelle 22: Ausrüstungsversuche an CO und PET mit Hilfe der Sol-Gel-Technik, Proben bei

Raumtemperatur vorgetrocknet auf Restfeuchte 10-20 %, Fixierung 15 min 140 °C, Wäsche bei 40 °C.

Proben-Nr. Ware Flotte Auflage [Gew.-%]

CDCO-SOL1 CO-ECE 10 HP-CD, 3,5 % GPTMS, 30 % MeOH

1,23

CHPESOL-8 PET-ECE 2 % CTS, 1 % GPTMS, 10 % MeOH

3,0

An diesen Proben wurde exemplarisch auch das Amphetamin-Bindevermögen (nach Acetylierung (in Urinproben) vermessen (s. Abb.39).

Amphetamin/g Gewebe

Amphetamin/ml Lsg nachherAmphetamin/ml Lsg vorher

0

1

2

3

4

5

6

Am

phet

amin

[µg]

CO-EchtheitsgewebeOriginal

CDCO-SOL1Echtheitsgewebe

Original (PES) CHPESOL-8

Abb. 39: Amphetaminbindung (aus acetylierten Urinproben) an nach Sol-Gel-Methodik

kohlenhydratisch ausgerüsteten Echtheitsgeweben; CDCO-Sol Cyclodextrin auf CO, CHPES-Sol Polyester mit Chitosan.


Es zeigt sich dabei, dass eine auf Sol-Gel-Technik basierte Ausrüstung mit Chitosanderivaten bisher zu einer Verschlechterung des Bindevermögens führt, da kaum signifikante Änderungen in der Lösungskonzentration des Amphetamins beobachtet wurden. 5.9 Industrieversuche zur Imprägnierung von β-Cyclodextrinen bzw.

-derivaten auf Baumwollsamt Generell wurde versucht, die im Labormaßstab ermittelten optimalen Versuchsparameter zur Imprägnierung und Fixierung von β-Cyclodextrin auf Baumwollsamt auf den Industriemaßstab zu übertragen. Da aufgrund der langen Verweilzeiten von bis zu 5 min ein Tauchen des Samtes in einer zu imprägnierenden Flotte industriell nicht realisierbar ist, wurde alternativ auf einen Zwangsauftrag des Gewebes durch Aufpflatschen der Flotte zurückgegriffen [46,47]. Jeweils Partien von 10 m Länge wurden an Vorläuferbahnen angenäht. Weiterhin wurde – ebenfalls aufgrund für die Textilveredlungsindustrie unüblich langer Verweilzeiten von 7 min – das Gewebe zur Fixierung bei 160 °C bei der ersten Versuchsserie zweimal hintereinander durch einen Spannrahmen mit insgesamt 8 Trocknungsabteilen geführt. Bei einer Warengeschwindigkeit von 6 m/min ergibt sich - nach Aussage von Girmes - eine Verweilzeit im vorgegebenen Spannrahmen von ca. 3 min, so dass ungefähr die Laborbedingungen erreicht werden. Die ersten Versuche wurden mit gebleichtem Samtgewebe (Flächengewicht 223 g/m2) durchgeführt. Die Warenlänge betrug ca. 15 m und die Warenbreite 1,4 m pro Versuch. Zur Bestimmung der Flottenaufnahme wurde vor Versuchsbeginn jeweils mit einer Schablone ein 50 x 50 cm2 großes Gewebestück in der Gewebemitte aufgezeichnet, welches nach Anhalten der Maschine mit einer Schere herausgeschnitten wurde. Das Warengewicht wurde vor Versuchsbeginn (trocken) sowie nach dem Aufpflatschen der Flotte (nass) gemessen. Nach der Vortrocknung im Spannrahmen bei 80 °C (Versuch 1 und 2) bzw. 120 °C (Versuch 3) wurde nach Ausstanzen eines runden Gewebestückes mit einem Durchmesser von ∅ 11,3 cm die Gewichtszunahme des trockenen Gewebes ermittelt. Die Fixierung des β-Cyclodextrins im Spannrahmen bei 160 °C erfolgte einen Tag später. Maschinelle Details sind in Kapitel 5.9.2 (2. Serie) zusammengestellt. 5.9.1 Rezepturen für Betriebsversuche und Durchführung, erste Serie Flottenansatz für MCT-ß-CD Für die Industrieversuche bei Girmes International wurde ein Flottenansatz von 100 l erstellt. Dazu wurden 6 kg MCT-β-Cyclodextrin (6 %ige Lösung) in ca. 80 l Weichwasser vorgelöst, der pH-Wert der Flotte mit 60 %-iger Essigsäure auf pH 5 eingestellt und zum Schluss das Flottenvolumen auf 100 l mit Weichwasser aufgefüllt. Der pH-Wert der Lösung wurde mit pH-Indikatorstäbchen überprüft (ca. pH 5). Die Flotte wurde ca. 1 h nach dem Ansetzen verwendet. Zum Aufpflatschen der Flotte wurde eine Warengeschwindigkeit von 3 m/min eingestellt. Die Rotationsgeschwindigkeit der Pflatschwalze betrug 50-60 U/min. Unter dieser Einstellung der Maschinenparameter ergab sich ein Flottenauftrag von ca. 187 %. Nach der Vortrocknung bei 80 °C mit einer Warengeschwindigkeit von 6 m/min im Spannrahmen war das Gewebe fühlbar noch sehr feucht, so dass die Messung der Gewichtszunahme in diesem Fall nicht angebracht war.


Von dem Gewebe (bezeichnet als Versuch Gir-2) wurde nach der Imprägnierung und Vortrocknung ein Teil für Laborversuche entnommen. Flottenansatz für HP-ß-CD/NHDT Für die Industrieversuche bei Girmes International GmbH wurde auch hier wieder ein Flottenansatz von 100 l erstellt. Dazu wurden 9,78 kg Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin sowie 45 g Na2CO3 und 385 g NaHCO3 in ca. 20 l Weichwasser vorgelöst. Anschließend wurden 54 l Na-Hydroxy-dichlor-triazin-Lösung dazugegeben und die Flotte auf 100 l mit Weichwasser aufgefüllt. Die Flotte wurde ca. 30 min gerührt, bis das starke Schäumen sowie die Trübung der Lösung weitestgehend verschwunden waren. Der pH-Wert der Lösung wurde mit pH-Indikatorstäbchen überprüft (ca. pH 9). Zum Aufpflatschen der Flotte wurde eine Warengeschwindigkeit von 3 m/min eingestellt. Die Rotationsgeschwindigkeit der Pflatschwalze betrug 4-7 U/min. Unter dieser Einstellung der Maschinenparameter ergab sich ein Flottenauftrag von ca. 58 %. Nach der Vortrocknung bei 80 °C im Spannrahmen wurde keine Gewichtszunahme kontrolliert. Dies wurde ermittelt nach Ausstanzen eines runden Gewebestückes mit einem Durchmesser von ∅ 11,3 cm. Von dem Gewebe (bezeichnet als Versuch GIR-1) wurde nach der Imprägnierung und Vortrocknung ein Teil für Laborversuche entnommen. In einem weiteren Versuch wurde ebenfalls wieder eine Warengeschwindigkeit von 3 m/min zum Aufpflatschen der Flotte eingestellt. Es wurde dieselbe Flotte wie in Versuch GIR-1 verwendet, woraus sich eine Standzeit von 2 h 30 min ergab. Die Rotationsgeschwindigkeit der Pflatschwalze betrug in diesem Fall 50-60 U/min. Unter dieser Einstellung der Maschinenparameter ergab sich ein Flottenauftrag von ca. 202 %. Die Vortrocknung erfolgte in diesem Fall bei 120 °C im Spannrahmen bei einer Warengeschwindigkeit von 6 m/min. Von dem Gewebe (bezeichnet als Versuch GIR-3) wurde nach der Imprägnierung und Vortrocknung ein Teil für Laborversuche entnommen. Tabelle 23: Zusammenfassung der Daten der ersten Industrieversuchsserie.

Versuchs-Code

Cyclo-dextrin(e)

pH (Ansatz)


Vorfixierzeit [min]/Temp.

Rest- feuchte [%]

pH-Wert Ware, Ende

GIR-1 HP-β-CD/ NHDT

9 58 3 (80°C) keine 4

GIR-2 MCT-β-CD 5 187 3 (80°C) nass 3

GIR-3 HP-β-CD/ NHDT

9 202 3 (120°C) 5 2

Da die Wägemöglichkeiten bei Girmes International aufgrund der Umgebungsbedingungen (Zugluft u.ä.) stark schwankten, wurde ein Teil der imprägnierten und vorfixierten Gewebe zur exakten Bestimmung der Flächengewichte im DTNW weiter untersucht.


Aufarbeitung der Gewebe im Labor, die nach der Imprägnierung und Vortrocknung bei Girmes entnommen wurden. Zusätzlich zu den imprägnierten Geweben wurde auch noch einmal ein Stück gebleichter, unbehandelter Baumwollsamt der gleichen Charge mit untersucht. Alle Gewebe wurden zunächst im Klimaraum (65 % rel. Luftfeuchte, 21 °C) konditioniert und zur genauen Bestimmung des β-Cyclodextringehaltes auf der Faser DIN A4 große Stücke ausgeschnitten und im Vergleich zum Rohgewebe gewogen. Tabelle 24: Bestimmung der β-Cyclodextrinauflage im Rahmen der Industrieversuche bei

Girmes International, erste Serie. Versuchs- klimatisierte Probe Flächengewicht CD-Auflage Nr. [g] [g/m2] [%]

Original 2,2321 223 -

GIR-1 2,5542 255 14,3

GIR-2 2,5311 253 13,5

GIR-33 3,1087 311 39,5

Anhand der Gewichtszunahme der derart ausgerüsteten Gewebe zeigt sich, dass gegenüber den Tauch/Netz-Laborversuchen eine wesentlich höhere Cyclodextrinauflage durch die Pflatschtechnologie erzielbar ist. Weiterhin wurde eine deutliche Versteifung insbesondere des Gewebes aus Versuch 3 durch die hohen Cyclodextrinauflagen beobachtet. Labor-Nachstellversuche: Muster aus der ersten Serien wurden im Spannrahmen bei 160 °C über 7 min fixiert und anschließend jeweils 3 x 3 min mit heißem (ca. 65 °C, 800 ml) und 1 x kaltem Weichwasser sowie 1 x kalt mit destilliertem Wasser gewaschen. Alle ausgerüsteten Gewebemuster zeigten nach der Fixierung und Spülung eine deutlich sichtbare, unregelmäßige Gelb- bis Braunfärbung. Weiterhin war die Reißfestigkeit gegenüber dem unbehandelten Gewebe signifikant reduziert, wobei das mit MCT-β-Cyclodextrin ausgerüstete Gewebe die stärkste Schädigung zeigte und schon durch die Mechanik des Waschens und Auswringens es zu Rissbildungen kam. Die gleichen Beobachtungen wurden auch bei Girmes International nach der Fixierung im Spannrahmen bei 160 °C gemacht. Es wurde deshalb zunächst auf eine Weiterverarbeitung bzw. eine Nachwäsche der Gewebe in Tschechien verzichtet. Bedingt durch den ins saure Gebiet abgeglittenen pH-Wert war es nicht überraschend, dass die derart ausgerüsteten Waren starke Festigkeitsverluste aufwiesen. Hierbei gilt zu bedenken, dass der eingesetzte Trockner/Spannrahmen gasbetrieben ist und möglicherweise die Verbrennungsgase zu sehr die vorgesehene pH-Wert-Pufferung ´überrollten´. Zudem kann aus den erreichten Auflagewerten, die weit über denen liegen, die im Labor gefunden wurden, abgeleitet werden, dass sowohl die Menge der CD-Derivate bzw. der Verankerungschemikalie herabgesetzt werden können.


Laborbestimmung des pH-Wertes der industriell ausgerüsteten Gewebe der ersten Serie (Nachstellungen) Es wurde vermutet, dass es durch die 5-tägige Lagerung der imprägnierten und vorgetrockneten Gewebe evtl. zu dieser Schädigung gekommen sein muss. Es wurde deshalb zunächst der pH-Wert des Gewebes nach Anfeuchten mit Wasser und aufdrücken eines pH-Teststäbchens gemessen. Auf dem Samtgewebe mit der niedrigeren Flottenaufnahme (Versuch 1) wurde ein pH-Wert von ca. 4 gemessen und auf dem mit der hohen Flottenaufnahme aus Versuch 3 betrug der pH-Wert sogar 2. Dies lässt darauf schließen, dass die Pufferwirkung des Carbonatpuffers nicht ausreichend war, um die gesamte freigesetzte HCl abzufangen. In Versuch 2, bei dem MCT-β-Cyclodextrin auf das Gewebe imprägniert wurde, betrug der pH-Wert 3 (siehe auch Tabelle 23). Bei einer 2-HP-β-Cyclodextrin-Lösung mit einer Ausgangskonzentration von 0,07 mol/l und einem zum MCT-β-Cyclodextrin adäquaten Substitutionsgrad von 2,8 sowie jeweils 2 freigesetzten HCl-Molekülen pro NHDT-Molekül können maximal 0,39 mol/l HCl freigesetzt werden. Da der Puffer allerdings nur 0,1 molar war, ist in diesem Fall die Pufferleistung bei weitem nicht ausreichend gewesen. Trotzdem war nicht verständlich, warum bereits nach der Vortrocknung des Gewebes derart niedrige pH-Werte auf dem Gewebe vorherrschen, da eigentlich die Reaktion zwischen 2-HP-β-Cyclodextrin, der Baumwolle und NHDT erst bei der Fixierung bei 160 °C stattfinden sollte. Deshalb wurden noch einmal Versuche im Labormaßstab nachgestellt, wobei jeweils nach der Vortrocknung und Fixierung der pH-Wert des Samtgewebes mit Hilfe von pH-Teststäbchen gemessen wurde. Für den ersten Laborversuch wurde das Standard-Samtgewebe mit einem Flächengewicht von 250 g/m2 verwendet. Als Puffersystem wurde - wie auch in den Industrieversuchen - Na2CO3 / NaHCO3 pH 9 eingesetzt, in dem 97,8 g HP-ß-CD und 536,8 ml Reaktivanker in 1 l (entspricht: 120 g/l MCT-ß-CD) gelöst waren. Der pH-Wert des Gewebes nach Vortrocknen bei 80 °C betrug pH 8,5 und nach der Fixierung bei 160 °C pH 5. Darüber hinaus wurde ein weiteres Samtgewebe von Girmes mit einem Flächengewicht von 223 g/m2 - entsprechend der Industrieversuche – in derselben HP-ß-CD/NHDT-Flotte des ersten Versuchs (50 ml Verlust im Flottenvolumen durch Versuch 1) behandelt. Nach der Vorfixierung bei 80 °C wurde der Samt (pH-Wert des Gewebes pH 9) für 5 Tage im Klimaraum (65 % rel. Luftfeuchte, 21 °C) liegen gelassen und anschließend der pH-Wert des Gewebes noch einmal gemessen. Der pH-Wert wurde durch die Lagerung nicht verändert (pH 9) und betrug nach der Fixierung pH 5-6. In einem weiteren Versuch wurde Samtgewebe verwendet und die Probe zunächst 20 h klimatisiert. Anschließend wurde wieder nach Standardrezeptur wie oben HP-ß-CD und NHDT angesetzt, allerdings in diesem Fall die doppelte Pufferkonzentration (0,2 molar) verwendet. Der pH-Wert des Gewebes nach der Vorfixierung betrug pH 9 und nach der Fixierung bei 160 °C pH 5-6. Da die starke pH-Wert-Erniedrigung der erstmalig industriell imprägnierten Samtgewebe im Labormaßstab nicht nachgestellt werden konnte, wurden weitere Versuche bei Girmes International vereinbart und mit geänderter Rezeptur und Vorgehensweise durchgeführt.


5.9.2 Rezepturen für Betriebsversuche und Durchführung, zweite Serie Als wesentliche Änderung gegenüber der ersten Serie wurden geringere Konzentrationen an Cyclodextrinderivaten eingesetzt, da einerseits die in den ersten Ausrüstungen erhaltenen Auflagen als unnötig betrachtet wurden. Eine Minderung der reaktiven Mengen an Reaktivanker senkt zudem die Gefahr einer zu starken Säurebildung während der Spannrahmendurchläufe. Als Schutz gegen Säureschädigung wurde auch die Reserve an Alkalispendern bzw. an Puffer verstärkt. Die Versuche basierten auf nachstehend zusammengefassten Waren- und Maschineneinstellungen: Beschreibung der Betriebsversuche Versuchsware • Artikel 40168, Rohware eingesteckt (gebürstet), gewaschen, gebleicht und getrocknet.

Baumwollsamt, 4 Schuss V-Bindung mit Deckkette, 21,50 Schuss/cm, Flächengewicht 306 g/m2 , Florhöhe 1,79 mm, Breite 150 cm.

• Material-Zusammensetzung

Pol: Nm 24/1 Baumwolle gekämmt Ringgarn. Kette: Nm 34/1 Baumwolle/Modal OE 50/50 % Kette: Nm 34/1 Baumwolle/Modal OE 50/50 % Schuss: Nm 28/1 Baumwolle/Modal „CZ“ 50/50 % OE

Gesamt: 70 % CO, 30 % CMD Pol: 100 % CO Rücken: 50 % CO, 50 % CMD.

Fertigungsablauf • Pflatschen und trocknen der Ware auf Brückner-Spannrahmen (Baujahr 2000) mit

vorgeschalteter Pflatschmaschine (1. Lauf). Maschinendaten:

8 Felder-Spannrahmen (3m Feldlänge), horizontale Kettenführung, gasbeheizt, getrennte Ober-/ Unterluftregelung. Warenlauf und Flottenauftrag: Laufrichtung der Ware mit Florlage (d.h. mit Strichrichtung), Florseite nach unten, Flottenauftrag über Pflatschwalze auf die Florseite, Drehrichtung der Platschwalze mit Florlage (d.h. gegen die Laufrichtung der Ware), Ware am Auslauf abgetafelt. Maschineneinstellung: Warengeschwindigkeit 6m/min, Spannrahmentemperatur 120 °C, Oberluft 30 %, Unterluft 50 %, Abluft 60 %, Geschwindigkeit der Pflatschwalze 40 m/min (gemessener Wert mit Handtacho / Einstellung über Potentiometer), Gesamtbreite 152 cm, Auslaufbreite 151 cm (Breiteneinstellung der Spannketten).


Rezepturen für die Flottenansätze (2 Versuchsserie): Versuch GIR-4 60 g/l HP-CD (Cavatex W7 HP) 1 g/l Na-Carbonat 8 g/l Na-Hydrogencarbonat 130 m/l Na-Hydroxydichlortriazin (Taicros) Versuch GIR-5 60 g/l Cavasol W7 10 g/l Na-Acetat 10 g/l Essigsäure 60% Bei beiden Rezepturen wurde auf den Zusatz eines Netzmittels verzichtet. Die beiden Versuchsstücke wurden für die folgenden Fertigungsschritte zusammengefasst und unter gleichen Bedingungen weiterbehandelt (Wäsche...).

• Fixieren auf Brückner-Spannrahmen (2. Lauf). Trockenbehandlung bei 160 °C, Warengeschwindigkeit 8 m/min, Luft- und

Breiteneinstellung wie beim 1. Durchlauf.

• Waschen auf Thies-Overflow-Färbemaschine. 30 min bei 50 °C, nur Wasser, erhöhte Mechanik.

• Einstrecken (Bürsten der nassen Polware) und Abquetschen auf Foulard. • Trocknen auf Thies-Tumbler. • Warenschau/Endkontrolle und Rollen auf Papphülse. Von beiden Versuchen wurden Proben am Ausrüstungsstandort nach der Fixierung entnommen (GIR-4a, GIR-5a) und im DTNW-Labor weiter analysiert, während die Muster GIR-4b und GIR-5b zuerst unter industriellen Bedingungen gewaschen wurden, bevor eine Eigenschaftscharakterisierung im Labor vorgenommen wurde. 5.9.3 Eigenschaften der industriell erhaltenen CD-ausgerüsteten

Polwaren Nachstehend sind die Ergebnisse der industriellen Ausrüstung von Baumwollpolware mit Cyclodextrin(derivaten) wiedergegeben (vgl. Tab. 25), die anschließend an die Betriebs-versuche im Labor ermittelt wurden. Tabelle 25: Ausrüstungsergebnisse zur Cyclodextrinverankerung auf Baumwollsamt bei

industriellen Bedingungen, 2. Serie. Proben- Code

Flächen- gewicht [g/m2]

Auflage Cyclodextrin(derivat), Laborwäsche

[Gew.-%]

Auflage Cyclodextrin(derivat), industrielle Wäsche

Laborwäsche [Gew.-%]

GIR 4a 333,46 9,57 --

GIR-5a 335,3 9,81 --

GIR-4b 1*) 328,4 -- 7,55

GIR-5b 1*) 328,0 -- 7,41 1*) nach industrieller Wäsche.


Besonders hervorzuheben ist, dass die industrielle Wäsche effektiver nichtfixierte CD-Anteile vom Gewebe entfernt als es im Labormaßstab möglich war (Auflage industriell nach Wäsche ~7,6, mit Laborwaschmaschine ~9,6 Gew.-%). Die Änderungen des Flächengewichts gegenüber dem Startmaterial (305 g/m2) sind auf Schrumpfvorgänge während der Ausrüstung zurückzuführen. Zur Prüfung, inwieweit eine Beeinflussung textilmechanischer Parameter durch die unter Industriebedingungen erfolgte Ausrüstung erfolgt, wurden Festigkeitsuntersuchungen am Kett-Teil der Ware durchgeführt (vgl. Tabelle 26). Zudem wurden zur Prüfung, ob Versprödung des Flors eingetreten ist, Pilling-Reibechtheiten ermittelt (Abb. 40). Tabelle 26: Zugfestigkeiten der Kettgarne am industriell ausgerüstetem Baumwollsamt

(Materialprüfgerät Zwick 1445).

Proben- Code

Fmax [daN] (Kette)

Dehnung bei Fmax [%]

Fmax [daN] (Schuss)

Dehnung bei Fmax [%]

Original-Baumwollsamt 65,7 11,4 52,5 18,2

GIR-4a (Laborwäsche) 57,9 19,4 48,6 20,1

GIR-4b (Industriewäsche) 63,0 17,4 51,0 20,3

GIR-5a (Laborwäsche) 57,0 21,1 52,7 19,9

GIR-5b (Industriewäsche) 66,7 18,7 49,6 21,1

0

1

2

3

4

5

Original GIR-4a GIR-4b GIR-5a GIR-5b

Abrie

b [%

]

Abb. 40: Abrieb (in Gew.-%) an den Cyclodextrin ausgerüsteten Baumwollsamten, nach

Labor- bzw. Industriewäsche (Pilling). Bemerkenswert hierbei ist, dass die CD-Ausrüstung - nach beiden Varianten – zu einer deutlichen Verminderung der Pilling-Neigung führt, was durchaus einen Qualitätszuwachs darstellt. Die zuletzt dargestellten Ergebnisse zur Cyclodextrinausrüstung belegen, dass eine erfolgreiche Umsetzung von Laborergebnissen in die betriebliche Praxis erreicht werden


konnte. Teils sind die industriell erhaltenen Resultate deutlich besser als die unter Laborbedingungen erzielten. Dies betrifft die intensivere Waschung, die effektiver nichtfixiertes Cyclodextrinmaterial entfernt hat, aber auch die textilmechanischen Daten aus der industriellen Endstufe weichen weniger von dem des Originals ab. Berücksichtigt man, dass es sich bei Polware insgesamt, insbesondere bei dem zuletzt eingesetzten 3-Komponentensystem (CO, CV, CMD), um generell schwierig zu behandelnde Materialien handelt, stellen diese Industrieversuche eine ausgezeichnete Basis für eine Produktion dar. Der Spielraum hinsichtlich anzustrebender CD-Auflagemenge ist gegeben. Möglichkeiten zur Prozessbeschleunigung werden ebenfalls gesehen (Spannrahmendurchläufe). Eine hohe Gestaltungsmöglichkeit zeichnet sich dadurch ab.


6. Wertende Zusammenfassung Durch strukturelle Probleme innerhalb des Projektverlaufs konnten nicht alle Projektziele erreicht werden. So behinderte das frühe Ausscheiden der Partnerfirma Binder den Ablauf, auch wenn er durch Einbringung der Fa. Alceru etwas ausgeglichen werden konnte. Als langzeitliches Hindernis zeigte sich auch die zweimalige Insolvenz des Partners Girmes. Hinsichtlich der als Unterauftrag vom Klinikum Krefeld durchgeführten Drogenanalysen muss auch das noch laufende Umstrukturierungsverfahren des Klinikums berücksichtigt werden. Zudem sind während der Laufzeit des Vorhabens verschärfte Vorschriften im Umgang mit Drogen bzw. Drogenverwandten eingeführt worden. So durfte der Partner Hautklinik Jena keine weiteren Messungen mit Adrenalin, bereits weit gediehen, mehr durchführen. Ähnliche Restriktionen betrafen auch das Klinikum Krefeld. Es ist aber festzuhalten, dass letztlich die industriell durchführbare Ausrüstung von (baumwollartigen) Florgeweben (´Baumwollsamt´) erfolgreich seitens des Partners Girmes durchgeführt werden konnte. Damit steht für weitere Untersuchungen Material mit hoher Binde-/Komplexierfähigkeit zur Verfügung. Zudem konnte die Unschädlichkeit der applizierten Textilausrüstungen untermauert werden. Innerhalb der begrenzten Möglichkeiten im Projektablauf konnte dennoch nachgewiesen werden, dass eine Cyclodextrinausrüstung Binde- und Stabilisierfähigkeiten für Drogenmetabolite aufweist, auch wenn dies nur an Urinproben für Analysezwecke durchgeführt werden konnte. Auch für den Einsatz von kohlenhydratischen Biopolymeren zur Textilausrüstung konnten wesentliche Grundlagen festgelegt und eine Unbedenklichkeit ermittelt werden. Zur Evaluierung des Anwendungspotentials von derartigem Material sind künftig Kooperationen mit anderen Wissenschaftsbereichen von Nöten, bei der die Hilfe des Projektträgers hinsichtlich Partnervermittlung erbeten wird. Für eine Weiterführung der angestrebten Kollektorfunktion von Cyclodextrin bzw. Biopolymer ausgerüsteten Textilien muss eine Initiative seitens der Medizin erfolgen. So ist vorstellbar, dass Institutionen, die mit Doping-Problemen beschäftigt sind (sowohl auf Human- als auch Veterinärgebiet) die Ergebnisse aufgreifen. Nur solche Institutionen können die Hürde von Testserien von In-vivo-Messungen überwinden (Persönlichkeitsrecht eines Probanden, Ethikkommissionen…). In Summe gesehen wurden die Vorhabenziele erreicht.


7. Nutzen der Ergebnisse Die Bedeutung neuer diagnostischer Methoden im medizinischen Bereich lässt sich heute schwer ökonomisch beurteilen. Solche Methoden werden jedoch langfristig hohen Stellenwert erhalten, wenngleich heute industrielle Unterstützung solcher grundlegenden Arbeiten nur schwer vorhersehbar ist. Die wirtschaftliche und ökologische Bedeutung der vorgelegten Ergebnisse des Forschungsverbunds besteht zudem darin, dass Textilien mit neuartigen Eigenschaften entwickelt werden konnten, die wegen Vermeidung von Einwegartikeln und wegen der angestrebten Funktionalität für den Verbraucher und Analytiker ökologisch und ökonomisch vorteilhaft sein werden. Mit den funktionell als Kollektorsystem wirksamen Textilien wird somit die Wettbewerbsfähigkeit der hiesigen Textilveredlungsindustrie, aber auch die Effizienz der Humandiagnostik gesteigert. Für eine Weiterführung, vor allem im diagnostischen Bereich (Human/Veterinär/Doping), sind medizinische Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen gefordert.


8. Veröffentlichte Arbeiten (1) Fouda, M.; Nickisch-Hartfiel, A.; Knittel, D.; Zimehl, R.; Schollmeyer, E.: Antimicrobial Activity of Chitosan, Application for Molloplast® B-soft liner denture based

material, 2nd Intern. Conf. of Textile Res. Div. NRC, Cairo, Egypt, (2005) 109-115 (Lecture 014). (2) Fouda, M.; Knittel, D.; Elsner, P.; Hipler, U.-C.; Schollmeyer, E.: Antimycotic influence of α-cyclodextrin complexes - In-vitro measurements using laser

nephelometry in microtiter plates, Int. J. Pharmaceutics 311 (2006) 113-121. (3) Knittel, D.; Schollmeyer, E.: Functionalization of fiber surfaces by thin layers of chitosan and related carbohydrate

biopolymers and their antimicrobial activity, in: Polymer Surface Modification: Relevance to Adhesion 4 (2007) 193-207; Mittal, K.L. (Hrsg.) VSP, Utrecht, NL. (4) Bach, E.; Knittel, D.; Schollmeyer, E.: Transdermale Kollektorsysteme durch Verankerung von Cyclodextrinderivaten auf

Textilien, DTNW-Mitteilung 59 (2007) (in Vorbereitung). (5) Bach, E.; Knittel, D.; Schollmeyer, E.: Ausrüsten von Polwaren mit Cyclodextrinderivaten zur Komplexierung empfindlicher

Substanzen, Melliand Textilber. (2007) (in Vorbereitung). (6) Knittel, D.; Bach, E.; Schollmeyer, E.: Betriebsversuche zur Ausrüstung von Polwaren mit Cyclodextrinderivaten, (2007) (in Vorbereitung).


9. Danksagung Das diesem Bericht zu Grunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministers für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 033459 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. Weiterer Dank gilt den Firmen Wacker, Degussa und SKW Biosystems für die Bereitstellung vieler Ausrüst-Chemikalien.


10. Literatur [ 1] Schneider, E.; Balabanova, S.: Nachweis von Drogen in körpernahen Wäschestücken, Arch. Kriminol. 188 (1991) 97-105. [ 2] Kintz, P.; Tracqui, A.; Mangin, P.; Edel, Y.: Sweat testing in opioid users with a sweat patch, J. Anal. Toxicol. 20 (1996) 393-397. [ 3] Kintz, P.: Excretion of MBDB and BDB in urine, saliva, and sweat following single oral administration, J. Anal. Toxicol. 21 (1997) 570-575. [ 4] Taylor, J.R.; Watson, D.; Tames, F.J.; Lowe, D.: Detection of drug use in a methadone maintenance clinic: sweat patches versus urine testing, Addiction 93 (1998) 847-853. [ 5] Skopp, G.; Potsch, L.; Perspiration versus saliva - basic aspects concerning their use in roadside drug testing, Int. J. Legal Med. 112 (1999) 213-221. [ 6] Huestis, M.A.; Oyler, J.M.; Cone, E.J.; Wstadik, A.T.; Schoendorfer, D.; Joseph, R.E. jr., Sweat testing for cocaine, codeine and metabolites by gas chromatography-mass spectrometry, J. Chromatogr. B., Biomed. Sci. Appl. 733 (1999) 247-264. [ 7] Szejtli, J.: Cyclodextrins and their Inclusion Complexes. Akademiai Kiado, Budapest (1982). [ 8] Reuscher, H.; Hirsenkorn, R.: BETA W7 MCT - New ways in surface modification. Wacker-Chemie GmbH, www.wacker.com. [ 9] a) Denter, U.; Buschmann, H.-J.; Knittel, D.; Schollmeyer: E.: Verfahrenstechnische Methoden zur permanenten Fixierung von Cyclodextrin-derivaten auf

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Textilien durch die permanente Ausrüstung mit supramolekularen Komponenten, DTNW-Mitteilung 32 (1999), ISSN 1430-1954. [12] Wollina, U.: Transdermale therapeutische Systeme (TTS), Übersicht zu Techniken, Wirkstoffen, Indikationen

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HOECHST 33258; in: Cell and tissue culture models in dermatological research. Bernd, A.; Bereiter-Hahn, J.; Hevert, F. (Hrsg.), Springer Verlag, Berlin, 1993. [22] a) Hipler, U.-C.; Knöll, B.; Wollina, U.: The use of an ATP Bioluminiscence aasay to quantify HaCaT cell cytotoxicity in: Bioluminiscence and Chemiluminiscence. Roda, A.; Pazzagli, M.; Kricka, L.J.; Stanley, P.E. (Hrsg.), Wiley, New York, 1999, 169-172. b) Schütz, H.: Screening von Drogen und Arzneimitteln mit Immunoassays, Ein Leitfaden für die Praxis 3., Wiesbaden 1999. [23] http://www.quarks.de/schweiss/schweiss.pdf [24] Marchionini, A.; Hausknecht, W.: Säuremantel der Haut und Bakterienabwehr, 1. Mitteilung: Die regionäre Verschiedenheit der

Wasserstoffionenkonzentration der Hautoberfläche. Klini. Wochenschr. 17 (1938) 663-666. [25] http://www.w-weitensfelder-chirurg.at/Studenten/VL%20funktAnatomie/03-WS-

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http://www.quarks.de/schweiss/schweiss.pdf

http://www.w-weitensfelder-chirurg.at/Studenten/VL%20funktAnatomie/03-WS-2001/Vorlesungen/Semester-3/VL07-Haut.pdf

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[28] DIN Taschenbuch 16, Textilprüfung 3, Farbechtheit Normen, 4. Auflage, Beuth Verlag GmbH, Berlin. [29] Fluid Physiology, 3.3 Sweat, www.qldanaesthesia.com/FluidBook/FL3_3.htm [30] Sachs, H.: Place of sweat in drugs of abuse testing. Institute of Legal Medicine, Munich

www.vv.se/traf_sak/t2000/810.pdf. [31] Kidwell, D.A.; Smith, F.P.: Susceptibility of PharmCheck ™ Drugs of Abuse Patch to Environmental Contamination. Doc. No. 1955986, 20.09.2002, Award No. 2000-RD-CX-A038 (http://www.ncjrs.org/pdffiles1/nij/195986.pdf). [32] Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt/Hrsg.): Drogen- und Medikamentennachweis bei

verkehrsauffälligen Kraftfahrern. Bericht der Bundesanstalt für Straßenwesen - Reihe: Mensch und Sicherheit - M 29, Bergisch Gladbach 1994.

[33 http://www.dshs-koeln.de/biochemie/rubriken/00_home/00_amp.html. [34] http://www2.ccc.uni-erlangen.de/projects/ChemVis/motm/index.html. [35] http://www-vetpharm.unizh.ch/WIR/00000009/0813__F.htm. [36] www.pharmweb.net/pwmirror/pwy/paracetamol/pharmwebpicm.html. [37] Cibacron® C, Dokumentation, Reaktiv-Farbstoffe Grundlagen, Ciba-Geigy, 1987, 50-53. [38] Forth, Henschler, Rummel, Starke: Lehrbuch der allgemeinen und speziellen Pharmakologie, 7.Auflage. Wissenschaftsverlag Mannheim, 1996. [39] http://staff-www.uni-marburg.de/~semihirn/psychpharm/Stimulantien.htm. [40] Untersuchungsbericht der Hautklinik Jena (Hipler, C., Elsner, P.). Untersuchungen zum Einfluss von verschiedenen Chitosan beschichteten Textilien auf das

Proliferationsverhalten von Candida-Spezies. [41] Knittel, D.; Schollmeyer, E.; Zimehl, R.; Zorjanovic, J.: Verankerung von Biopolymeren auf Synthesefasermaterial, DTNW-Mitteilung 47 (2005) ISSN 1430-1954. [42] Fouda, M.; Knittel, D.; Zimehl, R.; Hipler, C.; Schollmeyer, E.: Functionalization of Fibre Surfaces by Thin Layers of Chitosan and the Antimicrobial Activity, Adv. Chitin Soc. 8 (2005) 418-425. [43 ] Knittel, D.; Schollmeyer, E.: Chitosans for permanent antimicrobial finish on textiles, Lenzinger Berichte 85 (2006) 124-130. [44] Knittel, D.; Schollmeyer, E.: Functionalization of fibre surfaces by thin layers of chitosan and related carbohydrate

biopolymers and their antimicrobial activity, Polym. Surf. Modific.: Relevance to Adhes.; Mittal, K.L. (Hrsg.), VSP Utrecht, 4 (2007) 193. [45] Knittel, D.; Mohammadi, K.; Schollmeyer, E.: Funktionalisierung von Textilien mit Biopolymeren – Chitosan und Fucoidan, Textilveredlung 42 (2007) 10-14.

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http://www.pharmweb.net/pwmirror/pwy/paracetamol/pharmwebpicm.html


[46] Textor, T.; Bahners, T.; Schollmeyer, E.: Anorganisch-organische Hybridpolymere zum Schutz technischer Textilien, Techn. Text. 45 (2002) 169-172. [46] Knittel, D.; Bach, E.; Schollmeyer, E.: unveröffentlichte Ergebnisse. [47] Knittel, D.; Bach, E.; Schollmeyer, E.: Betriebsversuche zur Ausrüstung von Polwaren mit Cyclodextrinderivaten, (2007) (in Vorbereitung).

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Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben FKZ: … · 5.7.3 Untersuchungen zur Extrahierbarkeit von...

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