DE69525557T2

DE69525557T2 - Verfahren und Apparat zur Erzeugung von feinen Partikeln

Info

Publication number: DE69525557T2
Application number: DE69525557T
Authority: DE
Inventors: Uwe Karst; Robert E Sievers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2015-03-30
Also published as: DE69525557D1; EP1160018B1; EP1160018A3; EP0677332A3; EP1160018A2; US6095134A; US5639441A; DE69535944D1; EP0677332A2; EP0677332B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen, die überkritische Fluidgemenge verwenden, um feine Partikel zur Arzneimittelabgabe, Massenspektometrie, Puder- und Filmherstellung und für andere Anwendungen herzustellen.

Hintergrund der Erfindung

Aerosole und Dämpfe haben eine Vielzahl medizinischer und industrieller Verwendungen. Ein Aerosol ist ein zweiphasiges System, das aus einem gasförmigen Dispersionsmedium und einer dispersen Phase einzelner Partikel besteht. Dämpfe sind molekular dispergiert und stellen eine einzelne Gasphase dar. Die einzelnen Partikel in einem Aerosol können Feststoffe oder Flüssigkeiten sein (Swift D. L. (1985), "Aerosol characterization and generation" in Aerosols in Medicine Principles, Diagnosis and Therapy (Moren, F. et al. eds.) 53-75).
Unter Druck stehende Flüssigkeiten wurden verwendet, um Produkte für eine gewünschte Endform zu reinigen und zu mischen. Das U.S. Patent 5,056,511 von Ronge für "Method and Apparatus for Compressing, Atomising and Spraying Liquid Substances", erteilt am 15. Oktober 1991, offenbart einen Zerstäuber zum Erzeugen kleiner Flüssigkeitströpfchen, wie zum Beispiel Erdnussöl, in dem Vitamine A und E gelöst sind, das ein Komprimieren der Flüssigkeit auf einen Druck von 300 bis 800·10&sup5; Pa und die abrupte Druckfreisetzung beinhaltet, um einen explosiven Sprühnebel herbeizuführen. Das am 8. Dezember 1992 erteilte U.S.-Patent 5,169,433 von Lindsay et al. für "Method of Preparing Mixtures of Active Ingredients and Excipients Using liquid Carbon Dioxide" offenbart die Verwendung flüssigen (nicht überkritischen) Kohlendioxids unter Druck, um aktive Bestandteile und Arzneistoffträger zu lösen, und eine langsame Umwandlung des flüssigen Kohlendioxids in die gasförmige Phase, um ein Produkt herzustellen, das in Wasser einfach gelöst oder dispergiert werden kann.
Superkritische Fluids wurden bei der Herstellung von Aerosolen zur Fällung feiner fester Partikel verwendet. Dieses Phänomen wurde schon 1879 von Hannay, J. B. und Hogarth J. beobachtet und dokumentiert, "On the Solubility of Solids in Gases", Proc. Roy. Soc. London 1879 A29, 324, die die Fällung von Feststoffen aus superkritischen Fluiden beschrieben: "Wenn der Feststoff ausgefällt wird, indem der Druck plötzlich reduziert wird, ist er kristallin und kann in dem Gas als "Schnee" oder auf dem Glas als "Frost" heruntergebracht werden ...".
Dieses Phänomen wurde bei Verfahren zum Erzeugen feiner Partikel genutzt, wobei dessen Verwendung jedoch auf Stoffe beschränkt war, die in dem superkritischen Fluid lösbar sind.
Mohamed, R. S. et al. (1988), "Solids Formation After the Expansion of Supercritical Mixtures" in Supercritical Fluid Science and Technology, Johnson, K. P. und Penninger, J. M. L., eds., beschreibt die Lösung der Feststoffe Naphtalin und Lovastatin in überkritischem Kohlendioxid und eine abrupte Druckreduzierung, um feine Partikel des gelösten Stoffes zu erhalten. Die abrupte Druckreduzierung verringert die Lösungskraft des überkritischen Fluids, was verursacht, dass der gelöste Stoff als feine Partikel ausfällt.
Tom J. W. und Debenedetti, P. B. (1991), "Particle Formation with Supercritical Fluids - a Review", J. Aerosol. Sci. 22: 555-584 diskutiert Verfahren zur schnellen Expansion überkritischer Lösungen (RESS; eng.: rapid expension of supercritical solutions) und deren Anwendungen bei nichtorganischen, organischen, pharmazeutischen und polymeren Stoffen. Das RESS-Verfahren ist geeignet, stoßempfindliche Feststoffe zu zerkleinern, um innige Mischungen amorpher Stoffe zu erzeugen, um polymere Mikrosphären zu bilden und dünne Filme abzuscheiden. Kritische Eigenschaften gewöhnlicher RESS-Lösungsmittel werden bereitgestellt. Die Lösungsmittel umfassen Kohlendioxid, Propan, n-Pentan, Propylen, Ethanol und Wasser. In allen Fällen erfordert es das RESS-Verfahren, wenigstens einen Feststoff in dem überkritischen Fluid aufzulösen.
Das am 15. April 1986 erteilte U.S.-Patent 4,582,731 von Smith für "Supercitical Fluid Molecular Spray Film Depostion and Powder Formation" und das U.S.-Patent 4,734, 451 von Smith für "Supercritical Fluid Molecular Spray Thin Films and Fine Powders", die beide unter Bezugnahme hier aufgenommen sind, beschreiben ein typisches RESS-Verfahren, das eine schnelle Freigabe des Drucks einer überkritischen Lösung eines festen gelösten Stoffes umfasst, um einen Film des gelösten Stoffes auf einem Substrat oder ein feines Puder des gelösten Stoffes zu bilden.
Das am 13. November 1990 erteilte U.S.-Patent 4,970,093 von Sievers et al. für "Chemical Deposition Methods Using Supercritical Fluid Solutions", das hier unter Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart ein mit dem RESS-Verfahren vergleichbares Verfahren, um einen Film auf einem Substrat abzuscheiden, indem der Druck einer überkritischen Reaktionsmischung schnell freigegeben wird, um einen Dampf oder ein Aerosol zu bilden, was einen Film des gewünschten Stoffes auf einem Substrat abscheidet. Alternativ enthält das überkritische Fluid einen gelösten ersten Reaktionsstoff, der mit einem Gas in Berührung gebracht wird, das einen zweiten Reaktionsstoff enthält, der mit dem ersten Reaktionsstoff reagiert, um Partikel des gewünschten Stoffes zu bilden, der als Film auf dem Substrat abgeschieden wird.
Die am 16. September 1993 veröffentlichte PCT-Veröffentlichung WO 93/17665 von Sievers et al., die der Stammanmeldung von dieser entspricht, offenbart die Verwendung von Verneblern, die in überkritischen Fluiden gelöste Medikamente nutzt, um physiologisch aktive Substanzen einem Patienten zuzuführen, vorzugsweise Lungengewebe des Patienten. Das Verfahren mit überkritischen Fluiden liefert Partikel des gewünschten Größenbereiches zur Verabreichung zu den Lungen des Patienten (kleiner als etwa 6,5 um). Das Verfahren ist auf gelöste Stoffe begrenzt, die sich in dem überkritischen Fluid oder in dem überkritischen Fluid und Hilfslösungsmitteln lösen.
Die Verwendung überkritischer Hilfslösungsmittel, beispielsweise Kohlendioxid und Distickstoffoxid, um schwach lösbare aktive Partikel aufzulösen, ist in Donzi, G. und Reverchon, E. (1991), "Micronization by Means of Supercritical Fluids: Possibility of Application to Pharmaceutical Field", Pharm. Acta Helv. 66: 170-173 beschrieben.
Eine Modifizierung des RESS-Verfahrens ist in der PCT-Veröffentlichung WO 90/03782 von The Upjohn Company für "Finely Divided Solid Crystalline Powders via Percipitation Into an Anti-Solvent" beschrieben, die ein Lösen eines gewünschten Feststoffes in einem überkritischen Fluid und ein Hinzufügen eines Anti- Lösungsmittels umfasst, das mit dem überkritischen Fluid aber nicht mit dem gelösten Stoff vermischbar ist, um den gelösten Stoff auszufällen. Ein solches Verfahren mit einem Anti-Lösungsmittel, das als "gas anti-solvant"-(GAS)-Ausfällungsverfahren bezeichnet wird, ist auch in Debenedetti, P. G. et al. (1993), "Application of supercritical fluids for the production of sustained delivery devices", J. Controlled Release 24: 27-440, diskutiert. Das GAS-Verfahren ist ferner unter Bezugnahme auf die Herstellung von Insulinpuder in Yeo, S-D. et al. (1993), "Formation of Microparticulate Protein Powders Using a Supercritical Fluid Antisolvant", Biotechnology and Bioengineering 41: 341-346 diskutiert. Die Brauchbarkeit des Verfahrens ist wiederum auf die Ausfällung von gelösten Stoffen begrenzt, die in dem überkritischen Fluid gelöst werden können.
Eine europäische als EP-A-0 370 268 veröffentlichte Patentanmeldung betrifft ein Form-Trenn-System und insbesondere die Verwendung überkritischer Fluide bei der Sprühanwendung von Trennmitteln auf eine Oberfläche. Das Dokument lehrt ein Verfahren zum Erzeugen ferner Partikel aus einem Stoff, mit:
a) wesentliches Lösen oder Suspendieren des Stoffes in einem ersten nicht gasförmigen Fluid, um eine erste Lösung oder Suspension zu bilden;
b) Mischen der ersten Lösung oder Suspension mit einem zweiten nicht gasförmigen Fluid, um eine Gemisch zu bilden, das den Stoff umfasst; und
c) schnelles Reduzieren des Druckes auf das Gemisch, wodurch wenigstens eines der nicht gasförmigen Fluide ein Gas bildet, und wodurch eine gasgetragene Dispersion feiner Partikel des Stoffes erzeugt wird.
Keine der vorherigen Schriften offenbart oder schlägt die Verwendung von Gemischen überkritischer Fluide mit nicht vermischbaren Flüssigkeiten vor, um gewünschte Stoffe zu verarbeiten oder Aerosole oder Dämpfe zu erzeugen.
Das am 20. Oktober 1992 erteilte U.S.-Patent 5,16,747 von Weber et al. für "Sparation of Liquids with Different Boiling Points with Nebulizing Chamber" offenbart die Verwendung eines erwärmten Gases und eine Vernebelung, um Flüssigkeiten mit hohen Siedepunkten von nicht vermischbaren Flüssigkeiten mit niedrigeren Siedepunkten zu trennen. Die Verwendung überkritischer Temperaturen und Drücke ist nicht offenbart.
Ein Verfahren zum Erzeugen ferner Partikel aus Stoffen, die sich nicht ohne weiteres in überkritischen oder unter Druck stehenden Fluiden auflösen, ist auf dem Gebiet nicht verfügbar, und stellt eine Aufgabe dieser Erfindung dar.
Verfahren mit überkritischen Fluiden, wie oben diskutiert, wurden beim Erzeugen feiner Partikel für industrielle und medizinische Verwendungen eingesetzt. Zusätzlich wurden überkritische Fluide bei überkritischer Chromatographie verwendet. Siehe zum Beispiel Foreman, W. T. et al. (1998), "Supercritical fluid chromatography with sulfur chemiluminescence detection", J. Chromatogr. 465: 23-33, Foreman, W. T. et al. (1988), "Supercritical fluid chromatography with redox chemiluminescense detection" Fresenius' Z. Anal. Chem. 330: 231-334, und Sadoun, F. et al. (1993), "Packedcolumn supercritical fluid Chromotography coupled with electrospray ionization mass spectrometry", J. Chromatogr. 647: 351-359. Diese Verfahren benötigen vielmehr ein einphasiges Fluid zur Chromatographie als ein zweiphasiges Fluid oder ein unvermischbares Gemenge.
Auch wenn Chromatographie mit überkritischen Fluiden mit verschiedenen Detektortypen gekoppelt wurde, wird in der Literatur über die Verfahren und Vorrichtungen dieser Erfindung nicht berichtet, die die Verwendung unvermischbarer Gemenge überkritischer Fluide mit anderen nicht gasförmigen Fluiden zum Erzeugen feiner Partikel umfassen, um eine Analyse mittels Magnetresonanzbildgebung, optischer Emissionsspektroskopie, Atomabsorptionsspektometrie, Elektrosprühionisationsmassenspektrometrie und dergleichen zu erleichtern.
Stoffe, wie z. B. hydrophile Proteine mit hohem Molekulargewicht, sind unter Verwendung herkömmlicher Massenspektrometrieverfahren, wie z. B. Elektrosprühionisationsmassenspektrometrie, aufgrund ihrer geringen Lösbarkeit in den bei derartigen Prozessen verwendeten organischen Lösungsmittel schwierig zu charakterisieren. Die Möglichkeit, wässrige Lösungen derartiger Proteine bei Massenspektrographieverfahren zu verwenden, wäre wünschenswert.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die den Fluss eines überkritischen Fluids und unvermischbarer Fluide zum Herstellen kleiner Partikel veranschaulicht.
Fig. 2 ist eine Vorrichtung dieser Erfindung, die verwendet werden kann, um den Lungen biologisch aktive gelöste Stoffe zuzuführen.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die eine Partikelgrößenverteilung als Funktion der Konzentration von Alanin in wässriger Lösung bei dem Verfahren dieser Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die eine Partikelgrößenverteilung als Funktion der Konzentration von Rinderserumalbumin (BSA; engl.: bovine serum albumin) in wässriger Lösung bei dem Verfahren dieser Erfindung zeigt, wobei kleinere Konzentrationen als die in Fig. 4 gezeigten verwendet werden.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die eine Partikelgrößenverteilung als Funktion der Konzentration des Dinatriumdiethylentriaminpentaacetat-Eisen(III) (Na&sub2;Fe(DTPA))-Komplexes in wässriger Lösung bei dem Verfahren dieser Erfindung zeigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es besteht ein Wunsch, den Bereich von Stoffen zu erweitern, die als feine Partikel bei einer schnell Druckreduktion auf ein Trägerfluid abgegeben werden können. Es besteht ebenfalls ein Wunsch, den Bereich von Stoffen zu erweitern, die mittels einer Fällung überkritischer Fluide in feine Partikel geformt werden können. Zur Zeit sind solchen Verfahren nur Stoffe zugänglich, die in einem unter Druck stehendem oder überkritischem Fluid mit oder ohne Hilfe von Hilfslösungsmitteln oder grenzflächenaktiven Stoffen lösbar sind.
Erfindungsgemäß wird ein hier zuvor unter Bezugnahme auf EP-A 0 370 268 definiertes Verfahren zum Bilden feiner Partikel aus einem Stoff bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Stoff eine physiologisch aktive Zusammensetzung umfasst und dass das Gemisch ein unvermischbares Gemenge der genannten ersten und zweiten nicht gasförmigen Fluide umfasst, wobei das zweite nicht gasförmige Fluid in dem ersten nicht gasförmigen Fluid nicht oder lediglich teilweise lösbar ist.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen feiner Partikel aus Stoffen bereit, die in Fluiden, vorzugsweise nicht gasförmige Fluide, lösbar sind, die mit dem unter Druck stehenden oder überkritischen Fluid nicht vermischbar sind. Dies erweitert den Bereich von Stoffen, die zugeführt werden können, und beseitigt das Erfordernis von Hilfslösungsmitteln und grenzflächenaktiven Stoffen.
Die Verfahren dieser Erfindung sind insbesondere für Stoffe beachtenswert, die nur in Wasser in signifikanter Weise lösbar sind, da die kritische Temperatur von Wasser 374ºC beträgt und ein Transformieren von wässrigen Lösungen in den überkritischen Zustand die meisten organischen Zusammensetzungen spaltet. Daher war es von Vorteil, ein neues Verfahren zum Herstellen feiner Aerosoltröpfchen wässriger Lösungen ausfindig zu machen.
Bei den Verfahren dieser Erfindung werden feine Aerosole mit dem gewünschten Stoff hergestellt, indem ein nicht gasförmiges, unter Druck stehendes oder überkritisches Fluid mit dem gewünschten Stoff vermischt wird, der in einer Lösung, einer Dispersion, einer Suspension, einem micellaren System oder einer Emulsion in einem anderen nicht gasförmigen Fluid vorliegt, um ein unvermischbares Gemenge zu bilden. D. h., das unter Druck stehende oder überkritische Fluid ist wenigstens teilweise mit dem Trägerfluid für den gewünschten Stoff nicht vermischbar. Dieses unvermischbare Gemenge ist vorzugsweise ein inniges Gemenge, womit eine Suspension, eine Emulsion, ein micellares System oder eine Dispersion eines Fluids in dem anderen gemeint ist. Das unvermischbare Gemenge muss keine stabile Emulsion sein. Vorzugsweise sind die zwei gegenseitig nicht vermischbaren Phasen des unvermischbaren Gemenges physikalisch nicht vollständig voneinander getrennt, sind aber so vermischt, dass die Phase, die in dem geringsten Volumen vorliegt, Tröpfchen bildet, die in der Hauptphase im Durchmesser eine Größe von unter 1 mm bis höchstens etwa 5 mm aufweisen.
Beim zielgerichteten Abgeben von Arzneimitteln an verschiedene Gewebe der Lungen ist es wichtig, Partikelgrößen in dem geeigneten Größenbereich bereitzustellen. Siehe z. B. Newman, S. P. et al. (1983), "Therapeutic aerosols 1 - Physical and practical considerations", Thorax 38: 881-886; Newman, S. P. (1985), "Aerosol Deposition Considerations in Inhalation Therapy", Chest 88: 152S-160S; und Gerrity, T. R. et al. (1979), "Calculated deposition of inhaled particles in the airway generations of normal subjects", J. Appl. Physiol. 47: 867-873. Aus der Literatur ist es bekannt, dass lediglich Partikel mit einem Durchmesser von weniger als etwa 6,5 um, vorzugsweise kleiner als etwa 5,0 um, die Alveolen erreichen und dort angelagert werden. Bei dem Verfahren dieser Erfindung können Partikel des gewünschten Größenbereichs hergestellt werden, d. h. kleiner als etwa 6,5 um.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Abgabe von Aerosolpartikeln sowohl als Feststoffe als auch als flüssige, z. B. wässrige, Tröpfchen bereit, die im Durchmesser kleiner sind, als üblicherweise bei vorhandenen Technologien gebildet, zur Behandlung oder Diagnose einer Krankheit bei Menschen, Tieren oder Pflanzen. Die Verfahren dieser Erfindung können auch verwendet werden, um Puder oder Filmbeschichtungen zur industriellen Verwendung, zur Nebelimpfung, um ein Ausfällen zu erhöhen, zur Abgabe feiner Tröpfchen einer wässrigen Lösung zu der Ionisationskammer eines Elektronensprühmassenspektrometers oder einer anderen Detektionsvorrichtung und für andere Zwecke bereitzustellen, die auf dem Gebiet bekannt sind, wo eine Erzeugung feiner Partikel erforderlich ist.
Es werden Partikel mit einem mittleren Durchmesser von etwa 0,1 um bis zu weniger als oder gleich etwa 6,5 um, vorzugsweise weniger als oder gleich etwa 5 um, und in besonders bevorzugter Weise zwischen etwa 1 um und etwa 5 um. Der Begriff "Partikel", wie er hier verwendet wird, betrifft sowohl feste Partikel als auch flüssige Tröpfchen.
Der Begriff "Suspension", wie er hier verwendet wird, umfasst Dispersionen, Emulsionen und micellare Systeme. Der Begriff "wesentliches Lösen", wie er hier verwendet wird, bedeutet, dass der Stoff gelöst oder so innig in dem ersten Fluid dispergiert wird, dass sich ein gleichförmiges Fluid ergibt, in dem der Stoff in der Form von Partikeln von weniger als etwa 6,5 um suspendiert ist. Der Begriff "Lösen" bedeutet die Bildung einer echten Lösung. Eine bevorzugte Klasse gewünschter Stoffe weist wenigstens eine Lösbarkeit von 0,1% in Wasser, Methanol, Ethanol oder Dimethylsulfoxid auf.
Der Stoff, der in der ersten Lösung gelöst, im Wesentlichen gelöst oder suspendiert werden soll, kann ein Medikament oder eine physiologisch aktive Zusammensetzung sein, wie z. B. ein antimikrobieller Wirkstoff, ein Virus, ein antiviraler Wirkstoff, ein Antipilzpharmazeutikum, ein Antibiotikum, ein Nukleotid, DNA, Antisense-cDNA, RNA, eine Aminosäure, ein Peptid, ein Protein, ein Enzym, ein Immunsuppressivum, ein Thrombolytikum, ein Antikoagulantium, ein Stimulantium für das zentrale Nervensystem, ein abschwellender Wirkstoff, ein diuretischer Vasodilator, ein Antipsychotikum, ein Neurotransmitter, ein Sedativ, Hormone, ein Anästhetikum, ein grenzflächenaktiver Stoff, ein Analgetikum, ein Antikrebswirkstoff, ein entzündungshemmender Wirkstoff, ein Antioxidantium, ein Antihistamin, ein Vitamin, ein Mineralstoff oder ein anderes auf dem Gebiet bekanntes physiologisch wirksames Material. Der Stoff muss sich in dem durch das Verfahren dieser Erfindung erzeugten Aerosol in einer physiologisch wirksamen Menge vorhanden sein.
Die feinen Partikel umfassen auch Abgabewirkstoffe, wie z. B. Liposome, wasserlösliche Polymere, wie z.B. mehrwertige Milchsäure und Polyglykolsäure, Beschichtungen zur kontrollierten Abgabe, grenzflächenaktive Stoffe, Viren, Dimethylsulfoxid, Stickoxid und andere auf dem Gebiet bekannte Abgabewirkstoffe.
Pulmonare Verabreichung feiner Partikel ist zur Diagnose nützlich; beispielsweise können MRI-Kontrastmittel oder radiomarkierte Partikel verabreicht werden. Derartige feine Partikel, die den Lungen verabreicht werden, sind zur Diagnose von pulmonaren Funktionsabnormitäten, strukturellen Abnormitäten, Blockaden, Tumoren und Ungleichheiten bei Ventilation und Perfusion nützlich. Die feinen Partikel können Na&sub2;Fe(DTPA), Na&sub2;Cr(DTPA), Na&sub2;Gd(DTPA), dimedone Salze aus Gadolinium(III), Kontrastmittel, radioaktive Rhenium oder Phosphor enthaltende Salze, TEMPO-spinmarkierte Wirkstoffe und andere Hilfsmittel zur Kontrastbildung umfassen.
Der Stoff, der in feine Partikel geformt werden soll, kann eine landwirtschaftliche Chemikalie, eine gewerbliche Chemikalie, eine feine Chemikalie, ein Nahrungsmittelbestandteil, eine Nährsubstanz, ein Pestizid, eine fotografische Chemikalie, ein Färbemittel, ein Explosivstoff, eine Farbe, ein Polymer, ein Kosmetikum, ein Schutzwirkstoff, ein Prekursor einer Metallbeschichtung oder ein anderer industrieller Stoff sein, dessen Endform ein abgeschiedener Film, eine Dispersion oder Puder mit feinen Partikeln ist.
Der Stoff, der in feine Partikel geformt werden soll, kann ein Nebelimpfwirkstoff, ein keimbildender Wirkstoff, ein schattenbildender Wirkstoff oder ein Katalysator sein, wie z. B. Silberiodid, Erwinia herbicola, Pseudomonas syringae, kolloidales Silber, Titandioxid oder andere derartige auf dem Gebiet bekannte Wirkstoffe.
Ferner kann der gelöste Stoff ein Molekül oder ein Teil eines Moleküls oder Ion sein, das unter Verwendung von Ionisation-, Chromatrographie- oder Spektroskopieeinrichtungen detektiert werden soll.
Das erste Fluid kann ein Lösungsmittel, polar oder unpolar, sein, das den genannten Stoff entweder bei herkömmlicher Temperatur und Druck oder bei erhöhten Temperaturen und/oder Drücken lösen kann. Hilfslösungsmittel und grenzflächenaktive Stoffe können auch in jedem Fluid vorhanden sein. Das zweite Fluid kann ein Fluid sein, das in dem ersten Fluid nicht lösbar oder nur teilweise lösbar ist.
Wenn das erste Fluid, das den gelösten Stoff enthält, und das zweite Fluid vermischt werden, kann das Gemisch teilweise eine Lösung der ersten und zweiten Fluide bis zu dem Ausmaß umfassen, in dem sie ineinander lösbar sind. Das Gemisch wird auch dahingehend ein zweiphasiges Gemisch sein, dass es ein unvermischbares Gemenge der ersten und zweiten Fluide umfasst. Vorzugsweise im Gleichgewicht wird das Verhältnis des Fluids, das in einem geringeren Volumen in dem Gemenge vorhanden ist, zu dem Fluid, das in einem größeren Volumen vorhanden ist, wenigstens etwa 1 : 1000 betragen. Die Lösbarkeit des ersten Fluids in dem zweiten Fluid kann vernachlässigbar sein. Ein oder beide Fluide können in Mengen über denen vorliegen, die sich in dem Anderen lösen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gemisch eine Lösung des ersten Fluids und des zweiten Fluids derart, dass, wenn der Druck schnell reduziert wird, wenigstens eines der genannten Fluide ein Gas bildet. Die Druckfreigabe sollte schnell genug sein, dass die Gasbildung explosiv ist, wobei die Bildung feiner Partikel verursacht wird, die den gelösten Stoff umfassen. Die feinen Partikel können fest oder flüssig sein und können den gelösten Stoff in Lösung oder Suspension umfassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eines der Fluide, vorzugsweise das zweite Fluid, ein überkritisches Fluid und der Druck wird schnell freigegeben, vorzugsweise von über dem überkritischen Druck zu Umgebungsdruck. Im Kontext der vorliegenden Erfindung gibt eine Bezugnahme auf die überkritische Fluidlösung an, dass sich die Lösung oberhalb ihres kritischen Drucks und Temperatur befindet oder sich in ausreichendem Maße nahe zu dem kritischen Druck und Temperatur befindet, um die Bildung einer gasgetragenen Dispersion gelöster Partikel einer mittleren Größe von etwa 0,1 um bis etwa 6,5 um im Durchmesser bei schneller Expansion des Gemisches in einen unterkritischen, vorzugsweise umgebenden Bereich, zu verursachen.
Eine Anzahl von Fluiden, die zur Verwendung als überkritische Fluide geeignet ist, sind auf dem Gebiet bekannt, einschließlich Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid, Chlorfluorkohlenstoffe, Fluorkohlenstoffe, Stickoxid, Xenon, Propan, n-Pentan, Ethanol, Stickstoff, Wasser, andere auf dem Gebiet bekannte Fluide und Gemische derselben. Das übe kritische Fluid ist vorzugsweise Kohlendioxid oder Gemische von Kohlendioxid mit einem anderen Gas, wie z. B. Fluoroform oder Ethanol. Kohlendioxid hat eine kritische Temperatur von 31,3 Grad C und einen kritischen Druck von 7,4 · 10&sup6; Pa (72,9 Atmosphären oder 1072 psi), eine geringe chemische Reaktionsfähigkeit, physiologische Sicherheit und relativ niedrige Kosten. Ein anderes bevorzugtes überkritisches Fluid ist Stickstoff.
Wenn eines der Fluide ein überkritisches Fluid ist, kann das andere ein anderes überkritisches Fluid oder eine Flüssigkeit sein. Vorzugsweise umfasst das erste Fluid Wasser, Ethanol, Methanol oder Dimethylsulfoxid.
Die Fluide können grenzflächenaktive Stoffe, Hilfslösungsmittel, Anti-Lösungsmittel und andere Komponenten enthalten. Sie können Mischungen von mehreren unterschiedlichen gegenseitig lösbaren Komponenten sein, wie z. B. Methanol und Wasser.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erste Fluid Wasser und ist in bevorzugter Weise Wasser, in dem der gewünschte Stoff gelöst ist, und das zweite Fluid ist ein überkritisches Fluid, wie z. B. Kohlendioxid, das in ausreichender Menge vorhanden ist, um mit Wasser nicht vermischbar zu sein.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das erste Fluid Wasser und ist in bevorzugter Weise Wasser, in dem der gewünschte Stoff gelöst ist, und das Zweite ist Stickstoff, der oberhalb seiner kritischen Temperatur und Druck gehalten wird.
Bei einer Ausführungsform kann die überkritische Fluidlösung gebildet werden, indem das Fluid, das überkritisch zu machen ist, und die Lösung oder Suspension des gewünschten Stoffes gemischt, das resultierende Gemisch über den kritischen Druck des Fluids unter Druck gesetzt wird, das überkritisch zu machen ist, und das resultierende Gemisch über die kritische Temperatur des Fluids erwärmt wird, um wenigstens ein Fluid überkritisch zu machen.
Alternativ kann das überkritische Fluid gebildet werden, indem das Fluid über seine kritische Temperatur unter Druck gesetzt wird, es mit der Lösung oder Suspension des gewünschten Stoffes vermischt wird und das Gemisch über die kritische Temperatur erwärmt wird.
Innige Gemenge, z. B. Dispersionen, Emulsionen oder micellare Systeme, der Fluide mit oder ohne der Unterstützung von grenzflächenaktiven Stoffen können in Chargenprozessen oder online mit einem Mischen von Parallelstromflüssen gebildet werden, vorzugsweise mit Vorrichtungen niedrigen Totvolumens, wie hier im Folgenden beschrieben.
Das Gemenge, das die unvermischbaren Fluide umfasst, wird in einen Bereich niedrigeren Drucks weitergeleitet, so dass die Dekompression schnell auftritt, d. h. innerhalb von etwa 10&supmin;&sup6; Sekunden, wodurch verursacht wird, dass wenigstens eines der Fluide in die gasförmige Phase übergeht und eine Dispersion feiner Partikel ausfällt, die den gelösten Stoff umfasst.
Bei dem Verfahren dieser Erfindung können unterkritische Fluide verwendet werden. Beispielsweise kam eine Mischung einer wässrigen Lösung und unterkritischen Kohlendioxids verwendet werden. In einem solchen Fall sollte die Lösbarkeit eines Fluids in dem Anderen durch Änderungen des Drucks messbar verändert werden, so dass eine schnelle Entfernung von Druck von dem System die Entwicklung gelösten Gases verursachen wird, um ein Aufbrechen der Tröpfchen und Partikel zu fördern.
Eine Abgabe physiologisch aktiver feiner Aerosolpartikel über das Atmungssystem erhält zunehmende Aufmerksamkeit durch Wissenschaftler und die Öffentlichkeit, insbesondere für Pharmazeutika, die eine schnelle Absorption erfordern und die, die nach einer oralen Anwendung in dem Magen zerstört werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren eine in vivo- oder in vitro-Ablagerung einer therapeutisch wirksamen Menge feiner Partikel des Stoffes auf Gewebe, vorzugsweise Atmungsgewebe, eines Patienten. Die Partikel können auch physiologische Antworten bewirken, die einer Aufnahme in der Nase oder einer anderen Schleimhaut erfolgen. Antibiotika, Vitamine, Mineralstoffe, Analgetika, Antihistamine, Hormone, antimikrobielle Wirkstoffe, Antioxidationsmittel, Antikrebswirkstoffe, bei der Gentherapie nützliche Wirkstoffe und andere auf dem Gebiet bekannte Medikamente sind bei den Verfahren dieser Erfindung verwendbar. Diese Medikamente können in vivo unmittelbar verabreicht werden, indem das Aerosol auf dem zu behandelnden Gewebe oder Organ, wie z. B. den Lungen und dergleichen, abgeschieden wird, oder alternativ können die bei dem Verfahren dieser Erfindung erzeugten feinen Partikel in vitro zugeführt werden, indem sie in einem geeigneten physiologischen Träger zur Injektion, oralen Verabreichung oder Verabreichung mittels anderer auf dem Gebiet bekannter Verfahren gelöst oder suspendiert werden. Beispielsweise können die Partikel in vitro in gesammeltes Gewebe, wie z. B. Lebergewebe, eingebracht werden, und das behandelte Gewebe wird dem Körper zurückgegeben.
Geeignete physiologische aktive Wirkstoffe umfassen ohne Einschränkung: Leustatin (Cladribin), das bei der Behandlung von Haarzellenleukämie nützlich ist, Insulin, das bei der Behandlung von Diabetes nützlich ist, Erythropoietin, das bei der Stimulation der Produktion roter Blutzellen nützlich ist, Risperdal (Resperidon), das bei der Behandlung von Schizophrenie nützlich ist, die psychoaktiven Arzneimittel Serotonin und Dopamin und deren Antagonisten, Amphotericin B, Antipilzwirkstoffe, Livostin (Levocabastinehydrochlorid), das bei der Behandlung von allergischer Konjunktivitis nützlich ist, Survanta, Exosurf und andere grenzflächenaktive Stoffe, die zur Behandlung von Lungenverfassungen nützlich sind, wie z. B. Schwächen hinsichtlich grenzflächenaktiver Stoffe.
Die physiologisch aktiven Stoffe, die bei dieser Erfindung nützlich sind, umfassen ohne Einschränkung auch Acetaminophen, Acetylcystein, Aminosalicylatnatrium, Ascorbinsäure, Aspirin, Koffein, Calciumglukonat, Zitronensäure, Cyanocobalamin, Eisenglukonat, Eisensulfat, Heparinnatrium, Hydrokortisonnatriumphosphat, Insulin, Magnesiumsulfat, Methylen blau, Methylparaben, Methylprednisolonnatrium, Niacin, Oxtriphyllin, oxymorphes Wasserstoffchlorid, Oxyphencycliminhydrochlorid, Paraldehyd, Paromycinsulfat, Pentazocinhydrochlorid, Phenindamintartrat, Phenol, Polyethylenglykol 1540, Kaliumpermanganat, Prednisolonnatriumphosphat, Resorcinol, Silbernitrat, Natriumbicarbonat, Natriumborat, Natriumnitrit, Natriumthiosulfat, Sorbitol, Stearinsäure, Sulfisoxazoldiolamin, Tetracyclinhydrochlorid, Tetracyclinphosphatkomplex, Theophyllinnatriumglykanat, Thiaminhydrochlorid, Thiaminmononitrat, Thymol, Trimeprazintartrat, Harnstoff, Vanillin, Xylometazolinhydrochlorid und Zinkacetat.
Beispiele von Antibiotika, die als physiologisch aktive gelöste Stoffe bei den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Tetracyclin, Chloramphenikol, Aminoglycoside, beispielsweise Tobramycin, Betalactam, beispielsweise Ampicillin, Cephalosporan, Erythromycin und Derivate desselben, Clindamycin und dergleichen. Geeignete Antiviruswirkstoffe umfassen Acyclovir, Ribavirin, Ganciclovir und Foscarnet. Entzündungshemmende Arzneimittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf wässrige Lösungen von Naproxennatrium. Geeignete Antineoplastikwirkstoffe umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Etoposid, Taxol und Cisp atin. Antihistamine umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Diphenhydramin und Ranitidin. Hormone umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Insulin, Testosteron und Östrogen. Antiasthmine Arzneimittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Proventil, eine wässrige Lösung aus Albuterolsulfat und Benzalkoniumchlroid. Diese speziellen physiologisch aktiven Zusammensetzungen sind Zusammensetzungen sind lediglich Beispiele der vielen aktiven Zusammensetzungen, die bei den Verfahren der vorliegenden verwendet werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens ist der physiologisch aktive gelöste Stoff eine Arznei für die Behandlung einer pulmonaren Erkrankung. In dieser Hinsicht sind bevorzugte aktive Zusammensetzungen aus der Gruppe ausgewählt, die aus rhDNAse, Cromolynnatrium und Terbutalinsulfat besteht.
Andere nützliche bioaktive Wirkstoffe umfassen Stoffe, die bei der Gentherapie nützlich sind, entweder über das Blut oder die Leber verabreicht oder unmittelbar auf das Gewebe abgegeben, das beeinflusst werden soll. Derartige Wirkstoffe umfassen ohne Einschränkung: Glucocerbrosidase, Adenosindeaminase, Ornithintranscarbamylase, einen Transmembranregulator bei zystischer Fibrose, Hypoxanthinguaninphosphoribosyltransferase, einen Lipoproteinrezeptor niedriger Dichte (mit einem harmlosen Virus, um den Transport zu fördern), Zelladhäsionsmoleküle, Adenosindeaminase, Tumorsuppressionsgene und andere auf dem Gebiet bekannte Gene zur Gentherapie, einschließlich des Retinoblastom-Tumorsuppressorgens und p53. Andere feine Partikel, die abgegeben werden können, umfassen liposombasierte Antisense-CDNA, Chromosome, DNA, Nukleosidase, Proteine, Fibroblasten, retrovirale Vektoren und andere biologische Stoffe.
Polylysin, eine ligandvermittelte konjugierte DNA-Verbindung, Lipofektion, ein bei Gentherapie verwendetes Kationlipid, Asialoglycoprotein, Fusogenpeptide des Influenza-HA-Proteins, Adenovirus und andere Transportviren, die verwendet werden können, um genetische Stoffe in Zellen einzubringen.
Ein anderer Vorteil, das neue Verfahren, eine wässrige Lösung in innigem Kontakt mit oder in Emulsion in einem überkritischen Fluid, wie z. B. Kohlendioxid, unter Druck zu setzen und das Gemisch schnell Druck zu entlasten, auszuführen, ist in dem folgenden Verfahren veranschaulicht, der bei der Gentherapie nützlich ist.
Bei dieser Anwendung besteht der Hauptvorteil in einem Erzeugen genetisch modifizierter biologischer Stoffe, die feine Partikel sind, wie z. B. Zellen. Die zu verändernden Zellen werden in einer wässrigen Lösung suspendiert, die fremdes genetisches Material, beispielsweise DNA enthält, das in die Zellen einzubringen ist. Dieses wässrige Gemisch wird unter Druck gesetzt und in einem fließenden Emulsionsstrom mit überkritischem Kohlendioxid innig vermengt. Diese unter Druck gesetzte Emulsion wird dann viel schneller dekomprimiert, als sie komprimiert wurde, und bildet wie bei den anderen Anwendungen ein Aerosol. Eine Steuerung der Raten und Größen des Unterdrucksetzens und der Druckfreigabe sind beim Handhaben lebender Zellen kritischer als beim Anwenden des Verfahrens auf die nicht lebenden Bestandteile von Emulsionen. Wenn Moleküle des Kohlendioxids des überkritischen Fluidteils der Emulsion über einige Minuten durch das extrazelluläre Wasser und durch die Zellwände langsam diffundieren, während sie unter Druck stehen, wird der Nukleus der Zellen momentan mit Kohlendioxid übersättigt. Wenn der Druck plötzlich teilweise oder vollständig auf atmosphärischen Druck freigegeben wird, wird das Gas in dem Nukleus Zellwände und Nukleusmembrane dehnen oder Fissuren darin bilden, wodurch eine Leckage der fremden DNA in den Nukleus ermöglicht wird, wo genetische Veränderungen resultieren können. Eine Reparatur und Replikation von Zellwänden der modifizierten Zellen folgt, wenn die Aerosole und Fluide in einer wässrigen Lösung mit geeigneten Nährstoffen zum Zellwachstum gesammelt werden.
Es sollte betont werdne, dass dieses Verfahren sich von Verfahren unterscheidet, die auf ein Sterilisieren mittels Killerbakterien gerichtet sind, wie z. B. in Lin, H. M. et al. (1992), "Inactivation of Saccharomyces cerevisia by Supercritical and Subcritical Carbon Dioxide", Biotechnol. Prog. 8: 458-461 und in Kamihira, M. et al. (1987), "Sterilization of Microorganisms with Supercritical Carbon Dioxide", Agric. Biol. Chem. 51: 407-412 berichtet. Bedingungen bei dem vorliegenden Verfahren sind so gewählt, um die Zellen nicht zu töten. Der Zweck besteht darin, Zustände zu verwenden, die schonend genug sind, um vielmehr ein Überleben der Zellen zu gewährleisten, als diese durch eine katastrophal massive Ruptur von Zellwänden zerstören. Dies kann durch ein Druckentlasten bei einer Rate erreicht werden, die schneller als das Unterdrucksetzen, aber langsamer als die ist, die ein tödliches Hinausdrücken von Zellwänden verursacht. Vorzugsweise findet das Unterdrucksetzen über einige Minuten statt, während das Druckentlasten über Millisekunden stattfindet und in mehreren Schritten auftreten kann. Es kann vorteilhaft sein, Zellen mehr als einmal zu Normdrücken zwischen 1,0 · 10&sup5; Pa (15 psig) und bis zu von näherungsweise 7,6 · 10&sup6; bis 6,9 · 10&sup7; Pa (1.100 bis 10.000 psig) zu zyklieren. Das Hinzufügen von etwa 1% an Hilfsadditiven, wie z. B. Liposomen, grenzflächenaktiven Stoffen, Toluen oder Dimethylsulfoxid, zu der Suspension kann die Zellwände permeabler machen.
Das Aerosol oder die gasgetragene Dispersion kann mit Sauerstoff oder befeuchteter Luft, synthetischer Luft oder anderen Gasen oder Verdünnungsmitteln gemischt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann dem Gemisch Stickoxid hinzugefügt werden, vorzugsweise in einer Menge von wenigstens etwa 1,0 ppm bis etwa 50% des Gemisches, aber nicht so hoch, dass toxische Effekte bewirkt werden, durch Integration in das überkritische Fluid, um eine Relaxation glatter Muskulatur mit nachfolgender Oilation von Luftwegen und Blutgefässen und eine Aufnahme in lebende Systeme zu fördern oder um gleichzeitig ein respiratorisches Schmerzsyndrom bei Erwachsenen (ARDS; engl.: adult respiratory distress syndrome) zu behandeln. Rossaint, R. et al. (1993), "Inhaled Nitric Oxide for the Adult Respiratory Distress Syndrome", N. Engl. J. Med. 238: 399-405 hat die Verabreichung durch Inhalation von 18 bis 36 ppm an Stickoxid in Luft zur Behandlung von Patienten mit ARDS beschrieben, Viele andere Beispiele einer therapeutischen Verwendung von Stickoxid und dessen Prekursoren sind auf dem Gebiet bekannt.
Es ist manchmal wünschenswert, das durch eine rasche Expansion überkritischer Fluide gebildete Aerosol zu verdünnen, wie z. B. mit einem Strom von Luft oder Stickstoff, wenn das Aerosol chronisch oder kontinuierlich den Lungen verabreicht wird, um Hyperkarbie zu verhindern, und für eine luftähnliche Mischung zum Atmen zu sorgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die die Verwendung des Verfahrens für industrielle Beschichtungen beinhaltet, kann der gelöste Stoff ein Kunststoff, ein Polymer, ein Prekursor für Metallbeschichtungen (z. B. H&sub2;Fe(DTPA)), ein Prekursor für Metalloxide (z. B. Cr(NO&sub3;)·9H&sub2;O), Prekursoren für ein Glas (z. B. Kieselsäure) oder eine wasserbasierte Emulsionsfarbe sein.
MRI-Spinrelaxationswirkstoffe, z. B. Disodiumdiethylentriaminpentaacetat-Eisen(III), (Na&sub2;Fe(DTPA)), Na&sub2;Gd(DTPA) oder Na&sub2;Cr(DTPA) können auch als gelöste Stoffe bei dem Verfahren dieser Erfindung zur Verwendung beim Untersuchen von Erkrankungen der Lunge mittels Nuklearmagnetresonanzspektroskopie dienen.
Das Gemisch kann auch mit heißer Luft, Stickstoff oder anderen Gasen als Hilfsmittel zum Trocknen des Aerosols, verdünnt werden. Luft oder Sauerstoff kann den Emulsionen oder Lösungen oder den Aerosolen, die aus diesen hergestellt werden, hinzugefügt werden, um das Bilden von Beschichtungen bei industriellen Verfahren zu unterstützen, und das Aerosol kann auch erwärmt werden, um Reaktionen zum Bilden von Beschichtungen oder feinen Partikeln zu fördern.
Das Verfahren dieser Erfindung kann auch in den Quellenbereichen von Elektrosprühmassenspektrometern oder anderen Detektoren verwendet werden, um neue chemische Profile des getesteten Stoffes bereitzustellen. Es werden Massenspektren erhalten, die sich von Denen unterscheiden, die unter Verwendung herkömmlicher Vernebelung ohne einer überkritischen Fluidemulsion erhalten werden.
Das Vernebelungsverfahren dieser Erfindung kann zur Absorptionspektroskopie, zur Atomemissionsspektroskopie, zu induktiv gekoppelten optischen Plasmaemissionsspektroskopie und für andere Plasmaanwendungen, Flammenionisierungsdetektion oder Gaschromatographiedetektion oder für andere Massenspektrographieanwendungen verwendet werden.
Eine Vorrichtung zum Herstellen feiner Partikel aus einem Stoff mit einem mittleren Durchmesser von weniger als etwa 6,5 um kann umfassen:
(a) eine erste Kammer, die ein erstes nicht gasförmiges Fluid, vorzugsweise ein überkritisches Fluid, enthält;
(b) eine zweite Kammer, die eine Lösung oder Suspension des genannten Stoffes in einem zweiten nicht gasförmigen Fluid, vorzugsweise Wasser, enthält, das wenigstens teilweise mit dem genannten überkritischen Fluid unvermischbar ist;
(c) einer Mischkammer zum Mischen der genannten Lösung und des ersten Fluids, die mit den genannten ersten und zweiten Kammern durch Kanäle verbunden ist;
(d) Flusssteuereinrichtungen, die mit dem Kanal zwischen der ersten Kammer und der Mischkammer verbunden sind, um das genannte erste Fluid in die genannte Mischkammer zu führen;
(e) Flusssteuereinrichtungen, die mit der Leitung zwischen der zweiten Kammer und der Mischkammer verbunden sind, um die genannte Lösung oder Suspension in die genannte Mischkammer zu führen, um so eine Zusammensetzung in der genannten Mischkammer bereitzustellen, die ein unvermischbares Gemenge der genannten Fluide umfasst;
(f) Einrichtungen zum raschen Expandieren der Zusammensetzung in der Mischkammer in einen Bereich, in dem die Temperatur und der Druck unterhalb der kritischen Temperatur und Druck des überkritischen Fluids liegen, um eine Dispersion feiner Partikel des genannten Stoffes zu bilden.
Die Vorrichtung kam auch erwärmende Einrichtungen umfassen, um eine überkritische Temperatur in der ersten Kammer und/oder der Mischkammer aufrecht zu erhalten. Die Flusssteuereinrichtungen können eine Kombination von Ventilen und Begrenzern umfassen, und, falls notwendig, Pumpeinrichtungen, um den Fluss des Fluids und der Lösung zu steuern. Einrichtungen, um den Stoff mit dem gelösten Stoff in Kontakt zu bringen, um die genannte Lösung zu bilden, können ebenfalls als Teil der Vorrichtung bereitgestellt sein.
Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung schließt die Verwendung eines einzelnen Kanisters ein, der das unter Druck gesetzte unvermischbare Gemenge enthält. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen feiner Partikel aus einem Stoff bereitgestellt, mit:
(a) einer unter Druck stehenden Kammer, die wenigstens zwei nicht vermischbare nicht gasförmige Fluide enthält und auch eine Suspension oder Lösung des genannten Stoffes umfasst;
(b) einem druckfesten Septum, das eine Öffnung in der genannten Kammer abdeckt;
(c) einer Düse mit einem dem genannten Septum benachbarten Dornende, das bei Verwendung das Septum perforiert, wobei die genannte Düse einen Kanal durch sie hindurch aufweist;
(d) Kraft erzeugenden Punktionseinrichtungen, um das Dornende der genannten Düse durch das genannte Septum zu bewegen, wodurch bei Verwendung ein inniges Gemenge der genannten nicht vermischbaren nicht gasförmigen Fluide unter Druck in den genannten Kanal und somit in der die genannte Düse umgebenden Raum expandiert, wobei ein Aerosol mit feinen Partikeln des genannten Stoffes mit einem mittleren Durchmesser von weniger als etwa 6,5 um gebildet wird.
Die Vorrichtungen können auch Einrichtungen zum Verdünnen des Aerosols mit Luft oder Sauerstoff oder zum Verabreichen der gasgetragenen Dispersion feiner Partikel einer Zielperson oder einem Tier umfassen, wie z. B. ein Mundstück, eine Gesichtsmaske, eine Röhre und dergleichen.
Vorrichtungen, die zum Herstellen industrieller Beschichtungen oder Partikel geeignet sind, können auch Einrichtungen zum Erwärmen des Aerosols oder zum Beleuchten desselben umfassen, um zu bewirken, das chemische Reaktionen an oder in der Nähe von Oberflächen auftreten, um Stoffe mit von den Ausgangsmaterialien unterschiedlichen Zusammensetzungen herzustellen.
Eine Vorrichtung, die als Quelle zur massenspektroskopischen Detektion dient, umfasst: Einrichtungen (wie z. B. zwei Pumpen) zum Vorbereiten und Unterdrucksetzen eines innigen Gemenges eines überkritischen Fluids mit einer wässrigen Lösung des zu vernebelnden Analyten in einem T-Stück zum Mischen mit geringem Totvolumen und einer Druckbegrenzungsöffnung (hohle Nadel), die aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist, wie z. B. rostfreiem Stahl. Vorzugsweise ist das überkritische Fluid Kohlendioxid oder Stickstoff, die sich beide in der wässrigen Lösung teilweise lösen können, um eine Tröpfchenbildung zu fördern, wenn der Druck schnell reduziert wird.
Die Verfahren und Vorrichtungen dieser Erfindung erzeugen gasgetragenen Dispersionen von Feststoffen oder Flüssigkeiten, die vorzugsweise eine Partikelgröße zwischen etwa 0,1 und etwa 6,5 um aufweisen. Diese Zusammensetzungen, die hier als Aerosole bezeichnet werden, umfassen Gase, die die festen oder flüssigen feinen Partikel begleiten, und können andere Komponenten umfassen, einschließlich von etwa bis zu 50% Stickoxid, vorzugsweise bei Zusammensetzungen, die Medikamente oder diagnostische Wirkstoffe für Atmungserkrankungen umfassen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt, die den Fluss von Fluiden und Lösungen bei dem Verfahren dieser Erfindung veranschaulicht. Ein Reservoir 10 für Kohlendioxid, das flüssiges Kohlendioxid enthält, ist über einen Kanal 26 mit einer Pumpe 12 für überkritisches Kohlendioxid verbunden. Die Pumpe 12 für überkritisches Kohlendioxid ist mit einem T-Stück 20 zum Mischen mittels eines Kanals 28, einem Nadelventil 72 und einem Kanal 74 verbunden, durch die das Kohlendioxid unter Bedingungen gepumpt wird, bei denen es ein überkritisches Fluid wird, wenn es das erwärmte Misch-T-Stück 20 erreicht. Ein Reservoir 14 für wässrige Lösungen, das einen gelösten oder suspendierten Stoff enthält, ist über einen Kanal 30 mit einer Pumpe 16 für Lösungen, vorzugsweise einer Hochdruck- Flüssigkeitschromatographie-(HPLC; engl.: high pressure liquid chromatography)- Pumpe, verbunden, die über einen Kanal 36, ein Nadelventil 32 und einen Kanal 70 mit dem Misch-T-Stück 20 verbunden ist. Die Nadelventile 32 und 72 sind Flusssteuerventile, um die Rate des Flusses superkritischen Fluids und wässriger Lösung zu steuern, um zu gewährleisten, dass in dem Misch-T-Stück 20 ein unvermischbares Gemenge gebildet wird. Das Misch-T-Stück weist vorzugsweise ein niedriges Totvolumen auf, beispielsweise weniger als etwa 10 ul, so dass ein inniges Gemenge des überkritischen Kohlendioxids und der wässrigen Lösung darin gebildet werden kann. Das Misch-T-Stück 20 ist mit einer Heizvorrichtung 18 ausgestattet, die mit Heizspulen 38 ausgestattet ist, um darin die überkritische Temperatur aufrecht zu erhalten. Das Misch-T-Stück 20 ist ferner mit einer Begrenzerkapillare 22 ausgestattet, um den Staudruck in dem Misch-T-Stück 20 aufrecht zu erhalten. Beim Durchgang des innigen Gemenges von dem Misch-T-Stück 20 durch die Begrenzerkapillare 22 kleinen Durchmessers tritt an dem Ausgang der Öffnung der Begrenzerkapillare 23 eine plötzliche Druckfreigabe auf und ein Aerosol mit gasgetragenen feinen Partikeln des gelösten Stoffes und der wässrigen Lösung 34 wird gebildet. Die Partikel werden gesammelt, weiter behandelt oder mit Luft verdünnt und in eine Einrichtung zum Verabreichen von Arzneimitteln oder einen Sammler 24 geleitet. Die Einrichtung zum Verabreichen von Arzneimitteln kann eine Gesichtsmaske oder ein Mundstück für zu inhalierende Partikel, ein Kollektor zum Sammeln oder Lösen der Partikel zur Injektion oder für andere Verwendungen sein; oder bei dem in den Beispielen verwendeten experimentellen Modell umfasst die Vorrichtung einen Kollektor zum Messen von Partikelgrössen mittels Laserdiffraktion gesammelter Aerosole.
Beim Betrieb wird das flüssige Kohlendioxid mittels der Pumpe 12 für überkritisches Kohlendioxid von dem Reservoir 10 für Kohlendioxid über den Kanal 26 durch die Pumpe 12 und über den Kanal 28, das Nadelventil 72 und den Kanal 74 zu dem Misch-T-Stück 20 niedrigen Volumens (0,2 bis 10 ul) gepumpt, wo es zu einem überkritischen Fluid wird, wenn es dies nicht bereits ist. Die wässrige Lösung oder Suspension, die (einen) aktive(n) Stoff(e) enthält, wird von dem Reservoir 14 für wässrige Lösungen durch den Kanal 30 mittels der Pumpe 16 für Lösungen zu dem Misch-T-Stück 20 mittels des Kanals 36, des Nadelventils 32 und des Kanals 70 gepumpt. Die Heizeinrichtung 18, die Heizspulen 38 umfasst, hält die Temperatur in dem Misch-T-Stück 20 über der kritischen Temperatur des Kohlendioxids. Alternativ oder zusätzlich kann der Kapillarbegrenzer 22 erwärmt werden. Die zwei Fluidilussraten werden durch Einstellen der zwei unabhängigen Ventile 32 und 72 aufgebaut, die vorzugsweise Nadelventile sind. Flussraten können auch durch sich ändernde Pumpzustände gesteuert werden. Das unvermischbare Gemenge in dem Misch-T-Stück 20 expandiert stromabwärts und bildet ein Aerosol 34 mit feinen Partikeln des in der wässrigen Lösung gelösten oder suspendierten Stoffes. Die Partikel werden in dem Kollektor 24 gesammelt und ein Teil kann einer Messung von Partikelgrößenverteilungen mittels Laserdiffraktion suspendierter Aerosoltröpfchen und -partikeln unterworfen werden.
Vorzugsweise sind alle Hochdruckteile aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Begrenzerlänge beträgt vorzugsweise 5 cm (2 in.). Jüngste Ergebnisse belegen, dass ein längerer Begrenzer (10 cm anstelle von 5 cm (4 in, anstelle von 2 in.)) zu vergleichbaren Resultaten führt, aber bei einer Abnahme der Flussrate des überkritischen Fluids. Wie mittels der unten beschriebenen Experimente gezeigt, die Druck- und Flussratenvariationen umfassen, resultiert dies in einer Verschiebung der Partikelgrößenverteilung abhängig von den Bedingungen zu anderen Bereichen. Die Flussraten für die wässrigen Lösungen in der obigen Vorrichtung betrugen 0,5 ml/min bis 3 ml/min. Falls gewünscht, kann das Verfahren in einem größeren Maßstab durch Anpassen von Dimensionen und Flussraten ausgeführt werden, wobei vergleichbare Temperaturen und Drücke aufrecht erhalten werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform dieser Erfindung, die zur Erzeugung feiner Partikel aus einer statischen Quelle, wie z. B. einem das unvermischbare Gemenge enthaltenden Kanister, verwendet wird. Diese Vorrichtung umfasst einen Kanister 46, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, mit einem unvermischbaren Gemenge 44 eines überkritischen Fluids und einer Lösung oder Suspension eines Stoffes, der mit einem Septum 48 ausgestattet ist. Der Kanister 46 wird über dem kritischen Druck und Temperatur des überkritischen Fluids gehalten. Ein oder mehrere Kugeln 42 aus rostfreiem Stahl sind optional hinzugefügt, um ein Mischen und eine Emulsionsbildung durch Schütteln zu fördern. Das Septum ist Vorzugsweise ein Stahlseptum, das stark genug ist, um dem Druck in dem Kanister 46 zu widerstehen. Ein Punktionsstift 50 mit einem Kanal durch diesen ist dem genannten Septum 48 benachbart angeordnet. Der Punktionsstift 50 erstreckt sich durch eine Öffnung 52 in einer Kappe 54, die vorzugsweise eine Kappe aus rostfreiem Stahl ist. Die Kappe 54 ist vorzugsweise mittels eines Gewindes 60 mit einem Gewinde versehen, um auf das mit einem Gewinde versehene Ende 58 des Kanisters 46 aufgeschraubt zu werden. Alternativ kann eine Lochzange verwendet werden, um das Septum zu durchbrechen, wobei vielmehr der mechanische Vorteil eines Hebels als einer Schraube genutzt wird.
Beim Betrieb wird die Kappe 54 auf den Kanister 46 aufgeschraubt, bis der Punktierstift 50 das Septum 48 punktiert, wobei das unvermischbare Gemenge 44 von dem Kanister 46 durch die Öffnung 52 in einen Bereich mit Umgebungsdruck freigegeben wird. Die schnelle Druckfreigabe verursacht die Bildung eines Aerosols mit feinen Partikeln 56 des gewünschten, in dem überkritischen Fluid gelösten Stoffes. Die Partikel werden in eine Tasche, Gesichtsmaske, einen Instrumenteneinlass oder ein Reservoir 62 freigegeben. Luft oder andere Gase können durch einen Einlass 64 hinzugefügt werden, um das Aerosol zu verdünnen. Ein Auslass 66 führt das Aerosol zu der Atmosphäre oder zu Abgabe- oder Messvorrichtungen.
Die sensitivste Maßnahme zum Steuern von Partikelgrößen bei dem Verfahren dieser Erfindung ist es, die Konzentration des gewünschten Stoffes in dem Fluid zu variieren, das verwendet wird, um es löslich zu machen. Die mittlere Partikelgröße steigt mit einer ansteigenden Konzentration von in Wasser gelösten Stoffen an. Im Allgemeinen steigt bei einer konstanten Flussrate der den gewünschten Stoff enthaltenden Lösung die mittlere Partikelgröße mit einem Druckanstieg des überkritischen Fluids bei hohen Kohlendioxiddrücken an (um 1,0 · 10&sup7; Pa (um 1500 psi)). Bei niedrigen Kohlendioxiddrücken, beispielsweise 3,4 · 10&sup6;, 5,2 · 10&sup6; und 6,9 · 10&sup6; Pa (500, 750 und 1000 psi) (unter nahezu kritischen Zuständen) können auch feine Partikel erzeugt werden. Nahezu kritische Fluide sind als Stoffe definiert, die bei Drücken zwischen 0,9 und 1,0 ihres kritischen Drucks gehalten werden (King, M. B. und Bott, T. R., eds. (1993), "Extraction of Natural Products using Near-Critical solvents", (Blackie Acad & Prof., Glasgow) Seiten 1-33).

Beispiele

Die Vorrichtung von Fig. 1 wurde verwendet, um die Erfindung hinsichtlich einer Anzahl gelöster Stoffe zu überprüfen. Das Misch-T-Stück wurde erwärmt, um die Temperatur des Gemenges zwischen 32ºC und 300ºC zu halten. Typischerweise wurden 50ºC verwendet. Der Druck der zwei Pumpen wurde oberhalb von 1,0 · 10&sup7; Pa (1500 psi) gehalten, um beide Fluide in kondensierten Zuständen zu halten (flüssig für die wässrige Lösung und überkritisches Fluid für Kohlendioxid). Typische Flussraten betrugen 0,1 bis 3 cc/min der wässrigen Lösungen oder Suspensionen und 0,3 bis 10 cc/min des überkritischen Kohlendioxids. Es sollte angemerkt werden, dass ein 10 : 1-Verhältnis von überkritischem Kohlendioxid zu Wasser nicht ausreicht, um eine echte Lösung irgendwo in der Nähe der Gesamtheit des Wassers in dem überkritischen Kohlendioxid zu bilden (etwa 0,2-0,6 mol-% Wasser in dem überkritischen Kohlendioxid ist eine gesättigte Lösung). Daher konnten lediglich etwa 6 mol-% der wässrigen Lösung als wirkliches Hilfslösungsmittel wirken und der Rest ist ein inniges Zweiphasengemenge, vielleicht eine Mikroemulsion. Das Ergebnis eines Expandierens dieses Gemenges war unerwarteterweise ergiebige Mengen feiner Partikel (etwa 1 um im Durchmesser).
Beste Ergebnisse hinsichtlich einer Partikelgrößenverteilung wurden unter Verwendung einer Flussrate der wässrigen Lösung von zwischen 0,9 ml/min und 2 ml/min erhalten, wobei ein 127,5 um Begrenzer verwendet wurde. Wie von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden wird, werden unterschiedliche Begrenzergrößen unterschiedliche Flussraten beider Fluide benötigen, um äquivalente Drücke aufrecht zu erhalten. Der Druck des überkritischen Fluids wurde während der ersten Experimente konstant auf 1,0 · 10&sup7; Pa (1500 psi) gehalten. Das Verfahren schließt viele Variablen ein: Wie von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt wird, sind der Druck und der Typ eines überkritischen Fluids oder Gases und dessen Flussrate, die Flussrate der wässrigen Lösung und die Länge und der Innendurchmesser des Begrenzers voneinander abhängig, so dass eine Variation eines oder mehrerer dieser Parameter die anderen unmittelbar ändern wird. Wenn beispielsweise die Pumpe für überkritisches Fluid den konstanten Druck des oberkritischen Fluids steuert, wird eine Änderung der Flussrate der wässrigen Lösung zu einer Erhöhung des von der Emulsion ausgeübten Staudrucks führen und dadurch zu einer Erniedrigung der Flussrate des überkritischen Fluids und unterschiedlichen Zusammensetzungen des Gemenges. Die Konzentration des gelösten Stoffes in der wässrigen Lösung ist jedoch eine unabhängige Variable. Solang dessen Konzentrationsbereich niedrig genug ist, dass keine signifikante Veränderung der physikalischen Eigenschaften (z. B. Viskosität) der Lösung durch ein Verändern der Konzentration auftritt, ist die Partikelgrößenverteilung unmittelbar von der Variation der Konzentration in der wässrigen Phase abhängig.
Die Beispiele zeigen, dass die Partikelgrößenverteilung von mittels des neuen Verfahrens gebildeten Aerosolpartikeln im Allgemeinen kleinere Partikel als andere Verfahren zur Aerosolherstellung begünstigen. Es wurden reichliche Partikel mit Durchmessern zwischen 0,3 und 5 um gebildet, was ein optimaler Bereich zur pulmunaren Abgabe von Arzneimitteln ist.

Beispiel 1. Partikelgröße als Funktion der Konzentration

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Partikelgrößenverteilung von der Konzentration von Alanin in wässriger Lösung, wobei die experimentelle Vorrichtung von Fig. 1 verwendet wurde. Die Alaninkonzentration wurde zwischen 1 mmol/l und 20 mmol/l variiert. Ein Zwischenbereich aus Wasser, der keinen hinzugefügten gelösten Stoff enthielt, wurde aufgenommen, auf den als "Wasserzwischenbereich" Bezug genommen wird. Aerosoltröpfchen wurden aus dem reinen Wasser gebildet und Änderungen der Partikelgrößen und -anzahl wurden gemessen, wenn der gelöste Stoff vorlag.
Die Flussrate der wässrigen Lösung betrug 0,9 ml/min und der Druck des überkritischen Kohlendioxids betrug 10,0 · 10&sup7; Pa (1500 psi). Der Begrenzer wurde in einem Wasserbad auf 41ºC erwärmt. Bei 1 mmol/l stieg die Anzahl von Partikeln in dem Größenbereich 0,3-0,5 um verglichen zu den in dem reinen Wasserzwischenbereich gemessenen Aerosolpartikeln an. In allen anderen Größenbereichen trat keine bedeutsame Veränderung auf. Bei der nächsten Konzentration (2 mmol/l) begann sich die Partikelgrößenverteilung zu größeren Partikeln mit einem Anstieg der Alaninkonzentration zu verschieben. Wenn die absolute Menge an Stoff in der Lösung ansteigt, ist anscheinend die Trennung von Aggregaten durch ein relativ kleineres Verhältnis von Kohlendioxid zu Wasser schwieriger.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit von Partikelgrößenverteilungen von der Konzentration von Rinderserumalbumin (BSA, engl.: bovine serum albumin) in wässriger Lösung, wobei die gleichen Bedingungen der Flussrate, des Drucks und der Temperatur verwendet wurden. Die erste Reihe ist ein "Luftzwischenbereich" der Luft in der Abdeckung, die den Kollektor umgibt. Dieser Zwischenbereich war an dem Tag, an dem die Überprüfungen, die hier berichtet werden, durchgeführt wurden, wesentlich höher als üblicherweise. Die zweite Reihe zeigt einen Wasserzwischenbereich. Die niedrigste hier untersuchte Konzentration von BSA betrug 0,001% (w/v). Im Gegensatz zu den in Fig. 3 gezeigten Alaninmessungen steigt die Anzahl von Partikeln in dem kleinsten Größenbereich zuerst mit einem Anstieg in der Proteinkonzentration an. Alle anderen Größenbereiche zeigen keine signifikante Veränderung. Beginnend bei 0,002% (w/v) wurde bei einem Anstieg der Konzentration die gleiche Verschiebung zu höheren Anzahlen von größeren Partikeln wie bei Alanin beobachtet. Eine Interpretation dieser reproduzierbaren Ergebnisse mit BSA könnte darin bestehen, dass die absolute Anzahl von Partikeln auch bei den sehr niedrigen Konzentrationen ansteigt. Nichtsdestotrotz könnte das Maximum der Größenverteilung gut unter 0,3 um liegen, dem unteren Grenzwert der Instrumentenleistungsfähigkeit. Da dieser Effekt auf vergleichbare Weise bei den Messungen mit Na&sub2;Fe (DTPA) erhalten wurde, wird von diesem nicht angenommen, dass er für einen speziellen Stoff spezifisch ist und dass er ein generelles Phänomen zu sein scheint.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit von Partikelgrößenverteilungen von der Konzentration von Na&sub2;Fe(DTPA) unter Verwendung der gleichen wie Alanin verwendeten Bedingungen von Flussrate, Druck und Temperatur. Die Ergebnisse sind zu denen analog, die mit BSA erreicht wurden.
Da die Flussraten bei diesen Experimenten relativ hoch sind, kann die große Anzahl von erzeugten Partikeln detektiert werden. Bei höheren Konzentrationen der Modellstoffe führte die Erhöhung bei der Partikelanzahl zu einer Überladung des Partikelgrößenanalysegeräts (in dem Größenbereich 0,7 bis 1,0 um). Daher konnte die Anzahl von Partikel in diesem Bereich bei diesem Experiment lediglich abgeschätzt werden. Ein weiterer Anstieg der Konzentration führt zu einem Fehler des Größenanalysegerätedisplays. Durch Extrapolation von den vorliegenden Resultaten sollten höhere Konzentrationen zu einer größeren mittleren Partikelgröße führen.

Beispiel 2. Partikelgröße als Funktion der Temperatur

Es wurden Kohlendioxid und Stickstoff als Trägergase oder überkritische Fluide bei 1500 psi und unterschiedliche Begrenzertemperaturen in dem Bereich zwischen 20ºC und 60ºC verwendet. Kohlendioxid ist bei Temperaturen von 31ºC und darüber bei Drücken über 7,6 · 10&sup6; Pa (1100 psi) überkritisch. Stickstoff ist in dem gesamten hier verwendeten Temperatur- und Druckbereich überkritisch. Bei dem Experiment mit Kohlendioxid erfassten wir eine starke Veränderung der Partikelgrößenverteilung nahe der kritischen Temperatur. Mit Stickstoff lag lediglich eine kleine Abnahme der mittleren Partikelgröße mit ansteigender Temperatur vor.
Auch bei unterkritischen Zuständen resultiert die Verwendung von Kohlendioxid in kleineren Partikelgrößen als bei Stickstoff. Bei einem konstanten Druck wurde bei Stickstoff eine höhere Flussrate als bei Kohlendioxid verwendet; die günstigen Auswirkungen einer Verwendung von Kohlendioxid können jedoch von der höheren Lösbarkeit von Kohlendioxid in Wasser verglichen mit anderen Gasen herrühren. Die Lösbarkeit von Kohlendioxid in Wasser beträgt zwischen 2 und 3 mol-% zwischen 8,1 · 10&sup6; und 2,0 · 10&sup7; Pa (80 und 200 atm) bei 15ºC bis 25ºC. (King, M. B. et al. (1992), "The Mutual Solubilities of Water with Supercritical and Liquid Carbon Dioxide", J. Supercrit. Fluids 5: 296-302.) Wenn der Druck von einem kleinen Wassertröpfchen, das 2% Kohlendioxid enthält, schnell freigesetzt wird, kann eine reichliche Gasentwicklung die Bildung von noch kleineren Wassertröpfchen fördern. Das Volumen des entwickelten gasförmigen Kohlendioxids ist vielfach größer als das Volumen der flüssigen Tröpfchen. Dort kann auch in gewissem Grad ein gleichzeitiges Trocknen der feinen Partikel vorliegen, um noch feinere Partikel des gelösten Stoffes oder Tröpfchen der Lösung zurückzulassen. Daher ist Kohlendioxid ein bevorzugtes überkritisches Fluid. King et al. berichten ebenfalls, dass die Lösbarkeit von Wasser in überkritischem Kohlendioxid bei 15ºC bis 40ºC von 0,2 bis 0,6 mol-% bei Drücken von 5,2 · 10&sup6; bis 2,1 · 10&sup7; Pa (51 bis 203 atm) beträgt. Das bedeutet, dass über ein sehr breites Verhältnis von Kohlendioxid zu Wasser der gegenläufige Strom durch die Düse heterogen sein wird.
Ohne damit zu beabsichtigen, an eine Theorie der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung gebunden zu sein, meinen die Anmelder, dass etwas Kohlendioxid in den wässrigen Tröpfchen zusammen mit dem gewünschten Stoff gelöst wird, während das Meiste des Kohlendioxids in dem überkritischen Fluidzustand verbleibt. Wenn der Druck freigesetzt wird, expandieren sowohl das überkritische Kohlendioxid als auch die wässrigen Tröpfchen, und das Kohlendioxid in den flüssigen Wassertröpfchen schwillt an, um die Wassertröpfchen aufzubrechen, wenn sie transportiert, verdünnt und in der umgebenden trockenen Luft getrocknet werden. Das Ergebnis sind feine Partikel des gelösten Stoffes in einer luftgetragenen (oder gasförmigen kohlendioxidgetragenen) Dispersion.

Beispiel 3. Verwendung von bei Elektronensprühmassenspektrometrie erzeugten feinen Aerosolen

Unter Verwendung eines Dreifach-Quadrupel-Massenspektrometers Sciex Modell API3 (Toronto, Canada) und der wie unten beschrieben modifizierten Vorrichtung von Fig. 1 wurden Experimente unter Verwendung von in einer wässrigen Lösung gelösten Pferdemyoglobins durchgeführt. Dies wurde mit überkritischem Kohlendioxid zur Zufuhr in den Elektronensprühionisationsvernebler und der geladenen Polquelle zusammengemischt, mit einer nachfolgenden Analyse mehrfach geladener Myoglobinionen mittels des Quadrupel-Massenspektrometers. Ein Misch-T-Stück geringen Totvolumens aus rostfreiem Stahl wurde an dem Einlass der Kapillare zum Sammeln kondensierten Siliciumdioxids eingesetzt, die normalerweise mit der Sciex- Elektronensprühionisationsquelle des Dreifach-Quadrupel-Massenspektrometers verwendet wird. Ein Bein des T-Stückes empfing überkritisches Kohlendioxid und das zweite Bein empfing die wässrige Lösung des Analyten von einer Flüssigkeitschromatographiepumpe hoher Leistung, wie in Fig. 1.
Der wesentliche Unterschied beim Vorgehen zu den obigen Experimenten bestand darin, dass die Spitze des Kapillarbegrenzers elektrisch geladen war. Die an der Spitze der geladenen Kapillare gebildeten Aerosole wurden in den Massenspektrometer eingebracht und analysiert. Das Ergebnis war ein ausgezeichnetes Massenspektrum mit guten Signal-Rausch-Verhältnissen, wenngleich eine wässrige Probe analysiert wurde. Historisch wurden andere Lösungsmittel als Wasser gewählt, da nicht modifizierte wässrige Lösungen zu viskos sind, um feine Tröpfchen zu bilden. Das Massenspektrum unterschied sich deutlich von dem, das mit einer herkömmlichen Luftvernebelung einer Methanollösung von Pferdemyoglobin erhalten wird, möglicherweise als Ergebnis des Kohlendioxids, das gleichzeitig als Modifikator für die Viskosität und als Vernebelungswirkstoff dient und an der chemischen Ionisierung teilnimmt und/oder das Protein chemisch beeinflusst.
Ergebnisse dieser Tests, die Pferdemyoglobin, ein Referenzprotein bei Massenspektrometrie größerer Biomoleküle, verwendeten, zeigten zu denen von Beispiel 1, bei denen BSA verwendet wurde, sehr ähnliche Partikelgrößenverteilungen, was bedeutet, dass die Partikel feiner als die herkömmlicher Vernebeler sind.
Die Flussrate der wässrigen Lösungen wurde für diese Experimente bei 10-100 ul/min optimiert. Der optimale Druck des überkritischen Kohlendioxids betrug 2,1 · 10&sup7; Pa (3000 psi) (Flussraten von näherungsweise 300 ul/min). Der verwendete Begrenzer Begrenzer war eine Siliciumdioxidkapillare mit einem inneren Durchmesser von 50 um und einer Länge von näherungsweise 1,5 m.
Testergebnisse unter Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt. Testergebnisse unter Verwendung herkömmlicher Verfahren sind zum Vergleich in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 1*
mittlere Masse der Zusammensetzungen: 17,566 Standardabweichung: 1,99 8 Schätzungen der Masse der Zusammensetzungen Tabelle 2*
mittlere Masse der Zusammensetzungen: 16,951 Standardabweichung: 1,18 10 Schätzungen der Masse der Zusammensetzungen Tabelle 3**
mittlere Masse der Zusammensetzungen: 17,565 Standardabweichung: 1,67 6 Schätzungen der Masse der Zusammensetzungen
* Primärchargenwirkstoff: H; 1,0079 Masse; 1,0000 Charge; Wirkstoff angelagert Toleranz für Höchstwertschätzungen: 0,50
Höchstwertgrenze: 358,000 (10,0%)
minimale Höchstwertbreite: 0,40
Abtastschrittgröße: 0,10
Anzahl an Höchstwerten: 20
** Primärchargenwirkstoff: H; 1,0079 Masse; 1,0000 Charge; Wirkstoff angelagert Toleranz für Höchstwertschätzungen: 0,50
Höchstwertgrenze: 470,000 (10,0%)
minimale Höchstwertbreite: 0,40
Abtastschrittgröße: 0,10
Anzahl an Höchstwerten: 8
Die vorherige Beschreibung der vorliegenden Erfindung war auf spezielle Ausführungsformen gerichtet. Es ist jedoch für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich, dass Modifikationen und Veränderungen sowohl der Vorrichtungen als auch der Verfahren, die hier offenbart sind, durchgeführt werden können, ohne sich dabei vom Umfang der Erfindung, die durch die folgenden Ansprüche definiert ist, zu entfernen.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen feiner Partikel auf einem Stoff, umfassend:

(a) wesentliches Lösen oder Suspendieren des Stoffes in einem ersten nicht gasförmigen Fluid, um eine erste Lösung oder Suspension zu bilden,

(b) Mischen der ersten Lösung oder Suspension mit einem zweiten nicht gasförmigen Fluid, um ein den Stoff umfassendes Gemisch zu erzeugen, und

(c) schnelles Reduzieren des Druckes auf das Gemisch, wodurch wenigstens eines der nicht gasförmigen Fluide ein Gas bildet, und wodurch eine gasgetragene Dispersion feiner Partikel des Stoffes erzeugt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Stoff eine physiologisch aktive Zusammensetzung aufweist und das Gemisch ein unvermischbares Gemenge der ersten und zweiten nicht gasförmigen Fluide umfasst, wobei das zweite nicht gasförmige Fluid nicht oder nur teilweise in dem ersten nicht gasförmigen Fluid löslich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durch das Verfahren erzeugten Partikel einen mittleren Durchmesser kleiner als 6,5 · 10&supmin;&sup6; m (6,5 um) aufweisen, und bei dem das zweite nicht gasförmige Fluid ein überkritisches Fluid ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Partikel einen mittleren Durchmesser von weniger als 5 · 10&supmin;&sup6; m (5 um) aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das überkritische Fluid aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlendioxid, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, einem Chlorfluorkohlenwasserstoff, einem Fluorkohlenwasserstoff, Distickstoffmonoxid, Argon, Sauerstoff, synthetische Luft, Kohlenmonoxid, Helium, Wasserstoff, Xenon und Mischungen derselben besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste nicht gasförmige Fluid ein Lösungsmittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasser, Methanol, Ethanol, Dimethylsulfoxid und Mischungen derselben besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das erste nicht gasförmige Fluid auch einen grenzflächenaktiven Stoff oder ein Hilfslösungsmittel umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das nicht mischbare Gemenge ein inniges Gemenge, eine Suspension, eine Emulsion oder ein micellares System ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die physiologisch aktive Zusammensetzung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus grenzflächenaktiven Stoffen, Insulin, Aminosäuren, Enzymen, Analgetika, Antikrebswirkstoffen, antimikrobiellen Wirkstoffen, Viren, antiviralen Wirkstoffen, Antipilzpharmazeutika, Antibiotika, Nucleotiden, DNAs, Antisense-cDNAs, RNA, Peptiden, Proteinen, Immunsuppressiva, Thrombolytika, Antikoagulantien, Stimulativa für das zentrale Nervensystem, abschwellende Wirkstoffe, diuretischen Vasodilatoren, Antipsychotika, Neurotransmittern, Hormonen, Anästhetika, entzündungshemmenden Wirkstoffen, Antioxidantien, Antihistaminen, Vitaminen, Mineralien und anderen auf dem Gebiet bekannten physiologisch wirksamen Materialien besteht, oder die feinen Partikel einen schattenbildenden Wirkstoff oder Kontrastmittel zur medizinischen Bildgebung umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die feinen Partikel auch Abgabewirkstoffe umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Liposomen, wasserlöslichen Polymeren, Beschichtungen zur kontrollierten Abgabe, grenzflächenaktiven Stoffen, Viren, Dimethylsulfoxid und Stickoxid besteht.

10. Vorrichtung um Herstellen feiner Partikel aus einem Stoff, mit:

(a) einer unter Druck stehenden Kammer (46), die wenigstens zwei nicht vermischbare nicht gasförmige Fluide enthält und darüber hinaus eine Suspension oder Lösung des Stoffes umfasst,

(b) einem druckfesten Septum (48), das eine Öffnung in der Kammer abdeckt,

(c) einer Düse mit einem dem Septum (48) benachbarten Dornende, das bei Verwendung das Septum (48) perforiert, wobei die Düse einen Kanal durch sie hindurch aufweist,

(d) krafterzeugenden Punktionseinrichtungen, um das Dornende der Düse durch das Septum (48) zu bewegen, wodurch bei Verwendung ein inniges Gemenge der nicht vermischbaren nicht gasförmigen Fluide unter Druck in den Kanal und somit in den die Düse umgebenden Raum expandiert und ein feine Partikel des Stoffes mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 6,5 um aufweisendes Aerosol bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Stoff eine physiologisch aktive Zusammensetzung aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die physiologisch aktive Zusammensetzung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus grenzflächenaktiven Stoffen, Insulin, Aminosäuren, Enzymen, Analgetika, Antikrebswirkstoffen, antimikrobiellen Wirkstoffen, Viren, antiviralen Wirkstoffen, Antipilzpharmazeutika, Antibiotika, Nucleotiden, DNAs, Antisense-cDNAs, RNA, Peptiden, Proteinen, Immunsuppressiva, Thrombolytika, Antikoagulantien, Stimulativa für das zentrale Nervensystem, abschwellenden Wirkstoffen, diuretischen Vasodilatoren, Antipsychotika, Neurotransmittern, Hormonen, Anästhetika, entzündungshemmenden Wirkstoffen, Antioxidantien, Antihistaminen, Vitaminen, Mineralien und anderen auf dem Gebiet bekannten physiologisch wirksamen Materialien besteht, oder die feinen Partikel einen schattenbildenden Wirkstoff oder Kontrastmittel zur medizinischen Bildgebung umfassen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem eines der zwei nicht vermischbaren nicht gasförmigen Fluide ein überkritisches Fluid ist.