Open Access

Marcel Walther

• Electrospinning is a versatile and promising drug delivery technology for the development of tailor-made drug delivery systems for various clinical applications. By applying high voltages to drug-loaded polymer solutions, solid polymeric nanofibers can be generated, which encapsulate active pharmaceutical ingredients (APIs) into their polymer matrix. During the electrospinning process, the fibers are deposited on a collector and form a nonwoven network of drug-loaded polymer fibers. These fibers are spatially distributed in aligned or random orientation, providing the opportunity to design highly tunable structural and mechanical properties, which can be adapted to the biological requirements of the intended application site. The mechanically flexible fiber networks can therapeutically be administered to a multitude of pharmaceutical application sites. Their highly porous fiber structure exhibits a large surface-to-volume ratio, which is ideal for controlled drug release kinetics from the polymer matrix upon contact with biological fluids, such as tear fluid, saliva, mucus, wound exudate or gastro-intestinal fluid. For application at the target site, fiber mats are cut into patches. As the patch size determines the quantity of applied API, the electrospinning process must ensure homogeneous distribution of the API throughout the entire fiber mat area. In this thesis, electrospinning was established as a formulation technology for the rational fabrication of tailor-made multifunctional drug carrier systems for local and site-specific drug delivery to the epithelial interfaces skin, oral mucosa as well as cornea. For adequate characterization and analysis of the drug delivery systems, a broad panel of robust and predictive analytical tools, based of novel investigation techniques for physicochemical characterization of electrospun fibers, was developed. The initial part of the thesis thematically focuses on the development of predictive analytical techniques, to determine fiber morphology and physicochemical properties, as well as fiber composition and drug release. By designing two model formulations with contrasting properties, and subsequent analysis and characterization with a set of newly developed techniques and state-of-the-art methods, a comprehensive toolset has been made available and evaluated, aiming at advancing and standardizing respective techniques in the scientific field of electrospun drug delivery systems. Starting with the initiation of the electrospinning formulation process, which often relies on empirical data rather than analytical methods to predict successful processability, analysis of rheological properties of electrospinning solutions was used to rationally detect the minimum polymer concentration required for electrospinning. For analysis of fiber morphology, scanning electron microscopy is a common technique. However, little attention is given to underlying readout parameters. By analyzing the fiber orientation and diameter of the respective fibers, predictive results regarding mechanical properties could be obtained, which were subsequently confirmed by measuring elongation force with tensile testing. Confocal Raman microscopy, a label-free method for chemically- selective imaging of the fiber samples, was introduced as a complementary visualization technique, enabling the detection of fiber composition and drug distribution. A novel technique for investigation of water contact angles on the fiber surface of highly hydrophilic polymers was introduced, which provides predictive data regarding interaction with body fluids and the resulting drug release kinetics. Subsequent release testing in a newly developed setup for analyzing drug release from electrospun fibers in low-volume body compartments, confirmed the anticipated drug release kinetics from measurement of the surface hydrophilicity. By combining complementary analytical methods, including spectral composition analysis, morphology visualization, characterization of physico-chemical properties and drug release kinetics, as well as the application of multivariate data analysis, a robust and predictive toolset has been established, which can support comparability of future electrospinning studies and the translation from the lab bench into clinics. Based on the analytical toolset, the main part of the thesis focuses on the development and preparation of electrospun platform drug delivery systems for application on epithelial barriers. Electrospun fiber mats are thin, flat, and mechanically flexible, which allows close adherence to epithelial surfaces and reduction of diffusion paths, which enables efficient drug delivery to the skin, oral mucosa, as well as the cornea. Electrospun fibers bear a high potential for application as wound dressings, while simultaneously controlling the local delivery of APIs to the wound area. Their close resemblance to the extracellular matrix of human skin provides a suitable microenvironment for cellular proliferation and migration for wound closure. In this work, insulin, a fragile proteohormone with growth factor characteristics, was successfully encapsulated into the core of coaxially electrospun fibers, thus maintaining bioactivity throughout and after the electrospinning process. The shell has been designed from biocompatible polymers, which, upon contact with aqueous wound exudate, partially dissolve and form pores through which bioactive insulin is released in a controlled manner. The shell layer provides a hydrophilic surface for interaction with body fluids and skin cells, and possesses substantial mechanical strength, flexibility, and high tensile elongation required for application on wounds. The biocompatibility of the wound dressing was investigated by interaction with primary human dermal fibroblasts and keratinocytes, which displayed healthy cell morphologies without indicating any elevated levels of cytotoxicity markers. To investigate the effect of insulin on cell migration, in vitro scratch assays on human skin cells were performed. Increased cellular migration speed and wound closure could be observed, indicating improved wound healing. Bio relevance of in vitro wound healing potential results was advanced by development of 3D ex vivo human epidermal skin wound models from reduction surgery donor material. These complex wound models were treated with electrospun insulin fibers and analyzed by proteome analysis to reveal significant increases in wound healing-associated signaling pathways, which could be attributed to a material-driven remarkably positive impact on wound healing of the electrospun fibers...
• Elektrospinning ist eine vielseitige Technologie zur Entwicklung maßgeschneiderter Wirkstoffverabreichungssysteme für klinische Anwendungen. Durch Anlegen hoher Spannungen an wirkstoffbeladene Polymerlösungen werden feste Polymer-Nanofasern erzeugt, die Wirkstoffe einkapseln. Während des Prozesses werden die wirkstoffbeladenen Polymerfasern auf einem Kollektor abgelagert und bilden ein Fasernetzwerk. Die hochporöse Faserstruktur sorgt für eine hohe spezifische Oberfläche, welche ideal für eine kontrollierte Wirkstofffreisetzungskinetik bei Kontakt mit biologischen Flüssigkeiten wie Tränenflüssigkeit, Speichel, Schleimhaut, Wundexsudat oder Magen-Darm-Flüssigkeit ist. Für die Anwendung der Fasernetzwerke am Applikationsort werden durch Schneiden der Fasermatten Patches erzeugt. In dieser Arbeit wurde Elektrospinning als Formulierungstechnologie für rationale Entwicklung maßgeschneiderter und multifunktionaler Wirkstoffträgersysteme für die lokale und ortsspezifische Wirkstoffabgabe an den epithelialen Grenzflächen Haut, Mundschleimhaut sowie Cornea etabliert. Der erste Teil der Arbeit konzentriert sich thematisch auf die Entwicklung von prädiktiven Analysetechniken zur Bestimmung der Fasermorphologie und der physikochemischen Eigenschaften sowie der Faserzusammensetzung und der Wirkstofffreisetzung. Mit dem Ziel, die Analytik von wirkstoffbeladenen elektrogesponnenen Fasernetzwerken zu standardisieren, wurden zwei Modellformulierungen mit kontrastierenden Eigenschaften entwickelt und analytisch charakterisiert. Hierzu wurden verschiedene analytische Methoden neu entwickelt und etablierte Methoden evaluiert und damit ein umfassendes Portfolio zur Charakterisierung wirkstoffbeladener elektrogesponnener Fasernetzwerke etabliert. Um die erfolgreiche Prozessierbarkeit der Polymerlösung in Fasern vorherzusagen, wurden die rheologischen Eigenschaften der zu verspinnenden Lösung bestimmt, und damit die erforderliche Mindestpolymerkonzentration datenbasiert ermittelt. Rasterelektronenmikroskopie ist als Standardtechnik für die Analyse der Fasermorphologie etabliert. Aus diesen Bildern konnten zusätzlich weitergehende Analysen der Faserorientierungen und -durchmesser durchgeführt werden, um Vorhersagen über die mechanischen Eigenschaften zu treffen, welche anschließend durch Messung der Dehnungskraft im Zugversuch bestätigt wurden. Konfokale Raman Mikroskopie wurde als ergänzende Visualisierungstechnik und markierungsfreie Methode zur chemisch-selektiven Abbildung der Fasernetzwerke und der Wirkstoffverteilung eingesetzt. Ein neuartiges Verfahren zur Untersuchung des Wasserkontaktwinkels auf der Faseroberfläche hochhydrophiler Polymere, durch das Vorhersagen bezüglich der Wechselwirkung zwischen Fasernetzwerk und Körperflüssigkeiten getroffen werden können, wurde etabliert. In einem neu entwickelten Versuchsaufbau zur Wirkstofffreisetzung in kleinvolumigen Körperkompartimenten, bestätigten sich die Vorhersagen bezüglich der Wirkstofffreisetzungskinetik aus der Messung der Oberflächenhydrophilie. Auf Grundlage der entwickelten Methoden zur Charakterisierung, befasst sich der Hauptteil der Arbeit mit der Entwicklung und Herstellung von elektrogesponnenen Wirkstoffabgabesystemen zur Anwendung an epithelialen Barrieren. Elektrogesponnene Fasermatten sind dünn, flach und mechanisch flexibel, wodurch eine enge Anhaftung an Epitheloberflächen und dadurch eine Reduzierung der Diffusionswege erzielt wird, was wiederum eine effiziente Wirkstoffabgabe an Haut, Mundschleimhaut und die Cornea ermöglicht. Elektrogesponnene Fasern haben eine gute Eignung zur Anwendung als Wundauflagen und steuern gleichzeitig gezielt die lokale Abgabe von Wirkstoffen in das Wundbett. Ihre große morphologische Ähnlichkeit mit der extrazellulären Matrix der menschlichen Haut schafft eine geeignete Mikroumgebung für die Proliferation und Migration von Zellen zum Wundschluss. In dieser Arbeit wurde Insulin, ein empfindliches Proteohormon mit Wachstumsfaktor- Eigenschaften, erfolgreich in den Kern von koaxial elektrogesponnenen Fasern eingekapselt, was Einflüsse des Elektrospinnprozesses auf die Bioaktivität vermeidet. Die Hülle wurde aus biokompatiblen Polymeren entwickelt, die sich bei Kontakt mit wässrigem Wundexsudat teilweise auflöst und Poren bildet, wodurch bioaktives Insulin kontrolliert freigesetzt wird. Die Hülle vermittelt den Fasern hohe mechanische Festigkeit, Flexibilität und Dehnbarkeit; Eigenschaften die für die Anwendung auf Wunden erforderlich sind. Die Biokompatibilität der Wundauflage wurde durch Interaktion mit primären humanen dermalen Fibroblasten und Keratinozyten untersucht...