Untersuchungen zur Struktur der Stabilisatorschicht von Triglyceridnanokristallen und zu deren mesoskopischen Strukturen in wässrigen Suspensionen mittels Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2016-09-30
Issue Year
2016
Authors
Schmiele, Martin
Editor
Abstract

By means of SAXS and SANS and an improved version of the XPPSA-method (extended for neutron scattering), the structure of the lecithin stabilizer layer of triglyceride and tetracosan nanocrystals in aqueous suspensions was studied. The investigations were successful only for those nanosuspensions, which are stabilized by lecithins, whose main phase transition temperature Tm is sufficiently below the crystallization (caused by homogeneous nucleation) temperature Tc of the particular nanoemulsion. In case of tripalmitin nanodispersions these are lecithins with sufficiently short di-saturated (DLPC, di-C12:0) or mono- (DOPC, di-C18:1) and poly-unsaturated (purified soy lecithin Lipoid S100) acyl chains. In case of these lecithins, the crystallization is most probably triggered by a homogeneous nucleation in the nanoemulsions. After crystallization, nearly all nanocrystals adopt the platelet-like shape of the stable Beta-modification. The SAXS- and SANS-patterns of nanosuspensions with these lecithins are well reproduced with a model, where the acyl chains and the head groups of the lecithin molecules lie rather flatly in a monolayer at the surface of the nanocrystals. Similar results were obtained for DMPC-stabilized tetracosan nanosuspensions. By contrast with the nanosuspension, the thickness of the DMPC stabilizer layer rises for the corresponding tetracosan nanoemulsion. Their structure resembles, in accordance with previous molecular dynamic simulation studies, the structure of a half DMPC bilayer. Only minor interactions of the acyl chains with the near-surface tetracosan molecules were found. Since there are no deuterated versions of DOPC and S100 (in contrast to DMPC used for the tetracosan nanodispersions), the full potential of neutron scattering could not yet be utilized for the triglyceride nanosuspensions. Once they (DOPC and DLPC) are available, they should be used in future studies. As the investigations revealed, the availability of high-resolution crystal structures of all modifications of the matrix lipid is crucial. However, these structures are not always known (Alpha and unknown triglyceride modification, uncommon crystal structure for the tetracosan nanocrystals). For triglyceride nanosuspensions, stabilized by lecithins with longer di-saturated acyl chains (DMPC, DPPC and DSPC, typ. Tm>>Tc), the exact crystallization process and the inner structure of the nanocrystals and their stabilizer layer remain unclear. In case of the more thoroughly investigated tripalmitin nanosuspensions, significant amounts of the unknown (DMPC) and Alpha- (DPPC, DSPC) triglyceride modification were found. In full agreement with previous studies, evidence for a crystallization, triggered by surface-heterogeneous nucleation, is found. Presumably, there is a deeper integration of the lecithin acyl chains into the triglyceride matrix, upon their co-crystallization with the surface-near triglyceride molecules. For a more detailed analysis of their SAS-patterns, new structural models for the stabilizer layer must be developed. Furthermore, high-resolution crystal structures of the Alpha- and unknown triglyceride modifications must be determined. Finally, for all studied nanodispersions the influence of the co-stabilizer NaGC on the crystallization and the structure of the lecithin stabilizer layer remains to be determined, too.

With rising platelet concentration the known stack formation of the triglyceride platelets is followed by an isotropic-nematic phase transition. The corresponding critical concentration is determined on the microscopic level by the onset of an anisotropic intensity distribution in the 2D-SAS-scattering patterns, and, on a macroscopic level when the samples turn birefringent between crossed polarizers (at slightly elevated concentrations). The critical concentration depends on the aspect ratio of the platelets, which is governed by, i.a., the choice of the matrix triglyceride and lecithin, and the ionic strength of the dispersion medium (affects the apparent aspect ratio). The nematic phase consists of rather small domains, ranging typically between several hundred nanometers to a few microns (max. 30 µm) in size. The smaller platelet stacks, found below the critical concentration for the I-N phase transition, can be regarded as the precursors of the domains of the liquid-crystalline phase. At least on short time scales (days) no I-N phase separation was found, most probably because of the very small difference between the gravimetric densities of water and the lipid nanoparticles and the elevated viscosity of the suspensions.

Using the cationic co-stabilizer DODAB in the preparation of the triglyceride nanosuspensions, the triglyceride platelets can form stack-like structures, where anionic DNA molecules are partially sandwiched between the platelets. The choice of the lecithin stabilizer and another costabilizer (Tween 80 or Poloxamer 188), and the concentration of DODAB affect the thickness of the platelets and, thus, the inner structure of the nanocomposites. A more detailed analysis of the stabilizer layer of the nanocrystals in the native nanosuspensions and the DNA-complexes, and a precise localization of the DNA within the complexes with the SAS-patterns and the XNPPSA-method was not yet possible, due to the rather complicated combination of three stabilizers and a high fraction of the unknown triglyceride modification in the nanocrystals. The strong agglomeration of the nanocrystals and stacks in the complexes (particularly for high DODAB and DNA concentrations) limits their potential application so far.

Abstract

Mit Hilfe von SAXS- und SANS-Messungen und einer verbesserten, um Neutronenstreuung erweiterten Variante der XPPSA-Methode wurde die Struktur der Lecithin-Stabilisatorschicht bei wäßrigen Triglycerid- und Tetracosan-Nanosuspensionen untersucht. Bislang konnten Nanosuspensionen erfolgreich untersucht werden, bei denen die Hauptphasenübergangstemperatur Tm des Lecithins hinreichend weit unterhalb der (durch homogene Nukleation bedingten) Kristallisationstemperatur Tc der jeweiligen Nanoemulsionen liegen. Im Fall der Tripalmitin-Nanodispersionen waren dies Lecithine mit hinreichend kurzen di-gesättigten (DLPC, di-C12:0) und einfach (DOPC, di-C18:1) oder mehrfach (gereinigtes Sojalecithin Lipoid S100) ungesättigten Azylketten. Bei diesen Lecithinen findet wahrscheinlich eine durch eine homogene Nukleation ausgelöste Kristallisation der Nanoemulsionen statt. Die Nanokristalle liegen dann überwiegend als Plättchen in der stabilen und bekannten Beta-Modifikation vor. Für Nanosuspensionen mit diesen Lecithinen stellte sich heraus, daß ein Modell, bei dem sich die Azylketten und Kopfgruppen der Lecithin-Moleküle sehr flach in einer Monolage an der Oberfläche der Nanokristalle anordnen, die SAXS- und SANS-Daten gut simultan reproduzieren kann. Ähnliche Ergebnisse konnten auch für DMPC-stabilisierte Tetracosan-Nanosuspensionen erzielt werden. Im Vergleich zur Nanosuspension nimmt die Dicke der DMPC-Stabilisatorschicht der entsprechenden Tetracosan-Nanoemulsion zu. Deren Struktur ähnelt in Übereinstimmung mit früheren molekulardynamischen Simulationsstudien der eines halben DMPC-Bilayers. Die Azylketten wechselwirken dabei nur geringfügig mit den oberflächennahen Tetracosan-Molekülen. Mangels bislang nicht erhältlicher deuterierter Varianten von DOPC und S100 (im Gegensatz zu DMPC bei den Tetracosannanodispersionen) konnte bei den Triglyceridnanosuspensionen bislang nur wenig Gebrauch von unterschiedlichen Neutronenstreukontrasten gemacht werden. Sobald diese verfügbar sind (DOPC und DLPC), sollten diese in künftigen Untersuchungen genutzt werden. Aus den Untersuchungen zeigte es sich, daß das Vorhandensein der hochaufgelösten Kristallstrukturen aller Modifikationen des Matrixlipids in den Nanokristallen unabdingbar ist. Diese Strukturen sind jedoch nicht immer bekannt (Alpha und unbekannte Triglyceridmodifikation, ungewöhnliche Kristallstruktur der Tetracosannanokristalle). Für die Triglyceridnanosuspensionen mit Lecithinen mit längeren di-gesättigten Azylketten (DMPC, DPPC und DSPC, typ. Tm>>Tc) sind der genaue Ablauf der Kristallisation, sowie die innere Struktur der Nanokristalle und deren Stabilisatorschicht noch unklar. Im Fall der genauer untersuchten Tripalmitin-Nanosuspensionen finden sich signifikante Mengen der unbekannten (bei DMPC) sowie Alpha- (DPPC, DSPC) Triglyceridmodifikation. In Übereinstimmung mit früheren Studien finden sich Hinweise darauf, daß die Kristallisation durch eine grenzflächengesteuerte heterogene Nukleation ausgelöst wird. Vermutlich bauen sich die Lecithin-Azylketten während deren Kokristallisation mit den oberflächennahen Triglyceridmolekülen tiefer in die Triglyceridmatrix ein. Für eine genauere Analyse von deren SAS-Kurven wären entsprechend neue Strukturmodelle für die Stabilisatorschicht nötig. Aber auch eine Bestimmung von hochaufgelösten Kristallstrukturen der Alpha- und unbekannten Triglyceridmodifikationen wäre für zukünftige Untersuchungen notwendig. Der Einfluß des Kostabilisators NaGC auf die Kristallisation und die Struktur der Lecithin-Stabilisatorschicht ist bislang für alle untersuchten Nanodispersionen noch nicht detailliert verstanden.

Mit zunehmender Partikelkonzentrationen wird nicht nur die bereits bekannte Stapelbildung der Triglyceridplättchen beobachtet, sondern auch ein isotrop-nematischer Phasenübergang. Dessen kritische Konzentration läßt sich über die Ausbildung von anisotropen 2D-SAS-Streubildern auf mikroskopischer, und durch die Doppelbrechung der Proben unter gekreuzten Polarisatoren (bei etwas höheren Konzentrationen), auf makroskopischer Skala bestimmen. Die kritische Konzentration ist dabei abhängig vom Aspektverhältnis der Plättchen und damit u.a. vom verwendeten Triglycerid und Lecithin, sowie der Ionenstärke im Dispersionsmedium (beeinflußt das effektive Aspektverhältnis). Die nematische Phase besteht dabei aus kleinen Domänen von typ. einigen hundert Nanometern bis wenigen Mikrometern (max. 30 µm). Die kleineren Plättchen-Stapel unterhalb der kritischen Konzentration für den I-N Übergang können als die Vorläufer der Domänen der flüssigkristallinen Phase angesehen werden. Zumindest auf kurzen Zeitskalen (Tagen) ergibt sich keine I-N Phasenseparation, vermutlich aufgrund zu geringer Dichteunterschiede zwischen Wasser und den Lipidnanopartikeln sowie der erhöhten Viskosität der Proben.

Triglyceridplättchen aus mit Hilfe des kationischen Kostabilisators DODAB hergestellten Triglyceridnanosuspensionen können stapelförmige Strukturen bilden, bei denen sich anionische DNA-Moleküle partiell zwischen den Plättchen einlagern. Die Wahl des Lecithin-Stabilisators, eines weiteren Kostabilisators (Tween ® 80 oder Poloxamer 188), sowie die Konzentration an DODAB erlauben dabei eine Variation der Plättchendicken und damit der inneren Struktur der Nanokomposite. Eine genauere Analyse der Stabilisatorschicht der Nanokristalle in den nativen Nanosuspensionen sowie in den DNA-Komplexen und eine genaue Lokalisierung der DNA in diesen mit Hilfe der SAS-Daten und der XNPPSA-Methode war aufgrund der komplizierten Kombination von drei Stabilisatoren und einem hohen Anteil der unbekannten Triglyceridmodifikation in den Nanokristallen bislang nicht möglich. Die bislang ungelöste starke Agglomeration der Nanokristalle bzw. der Stapel in den Komplexen (besonders bei hohen DODAB- und DNA-Konzentrationen) ist für mögliche praktische Anwendungen sehr problematisch.

DOI
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs