Kolloidale Stabilität und Zeta-Potential
Die erfolgreiche Entwicklung von Therapien, Körperpflegeprodukten und bestimmten Lebensmitteln erfordert ein genaues Verständnis der kolloidalen Eigenschaften ihrer Bestandteile. Die kolloidale Stabilität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Systems, Veränderungen der Partikelgröße zu widerstehen. Wenn das System in Bezug auf abstoßende und anziehende Kräfte ausgeglichen ist und die Partikel ihre Größe nicht verändern, gilt es als stabil. Diese Eigenschaft ist grundlegend, um die Entwicklungsfähigkeit und Eignung eines Produkts für eine bestimmte Anwendung zu bestimmen. Es gibt keine direkte Methode zur Messung der kolloidalen Stabilität; stattdessen wird sie durch verschiedene Werte interpretiert. Das Zeta-Potential, das Maß für die Oberflächenladung, ist eine der Hauptmessgrößen.
Was ist Zeta-Potential?
Das Zeta-Potential ist das elektrische Potential, das aus der Oberflächenladung eines Partikels und den daran gebundenen Gegenionen entsteht. Die Bestimmung dieser Eigenschaft bietet detaillierte Einblicke in Mechanismen wie Dispersion, Aggregation und Flockung. Es ist auch nützlich zur Bestimmung der Säurekonstante (pKa-Wert) von Polymeren oder des isoelektrischen Punktes (pI) eines Proteins. Es kann Fragen beantworten wie: „Wird dieser Lipid-Nanopartikel eine günstige Pharmakokinetik aufweisen?“ oder „Wie ändert sich die Eigenschaft eines Moleküls, wenn ein Tensid hinzugefügt wird?“ Dieses Wissen kann die Entwicklung von Biologika und Nanopartikeln verbessern.
Warum ist Zeta-Potential wichtig?
Der Wert des Zeta-Potentials gibt die potenzielle Stabilität eines kolloidalen Systems an. Wenn alle Partikel in einer Suspension ein hohes positives oder negatives Zeta-Potential haben, stoßen sie sich gegenseitig ab. Wenn das Zeta-Potential hingegen niedrig ist, gibt es keine Kraft, die verhindert, dass die Partikel miteinander interagieren und ausflocken. Die Grenze zwischen stabilen und instabilen Suspensionen liegt normalerweise zwischen -30 mV und +30 mV.
Wie wird Zeta-Potential gemessen?
Das Zeta-Potential wird typischerweise durch Beobachtung der Bewegung eines Partikels in einem elektrischen Feld gemessen. Die Geschwindigkeit der Partikelbewegung während dieses Prozesses ist ein Maß für die elektrophoretische Mobilität. Die Mobilität, kombiniert mit dem hydrodynamischen Radius (Rh), ermöglicht die genaue Berechnung des Zeta-Potentials.
Wie wird Zeta-Potential beeinflusst?
Das Zeta-Potential kann durch zahlreiche Faktoren beeinflusst werden, einschließlich des pH-Werts, der Ionenstärke und der Zugabe von Hilfsstoffen oder Additiven. Der Puffer spielt eine wichtige Rolle; die Änderung des pH-Werts der Lösung beeinflusst die ionisierbaren Gruppen entweder durch Protonierung oder Deprotonierung, und die Ionenstärke des Puffers kann geladene Gruppen abschirmen. Tenside, wie Detergenzien (z.B. SDS oder Polysorbat), modifizieren ebenfalls die Oberfläche und die beobachtete Ladung.
Anwendungen des Zeta-Potentials
Suspensionen wie Kosmetika profitieren ebenfalls von Zeta-Potentialmessungen während der Entwicklung. Hautpflegeprodukte werden typischerweise als Emulsion formuliert, und das Verständnis des Zeta-Potentials hilft, deren Verhalten und kolloidale Stabilität vorherzusagen. Diese Fähigkeit, die Stabilität über das Zeta-Potential zu messen und vorherzusagen, verkürzt die Entwicklungszeit, da die Produktstabilität früh im Prozess bestimmt werden kann.
Lipid-Nanopartikel (LNP)
Im Kontext von Lipid-Nanopartikeln (LNP) kann die kolloidale Stabilität oder Instabilität die Wirksamkeit eines Medikaments durch Partikelaggregation beeinflussen. Das Zeta-Potential hilft, diese Wechselwirkungen zu beurteilen, indem es die Kräfte zwischen geladenen Partikeln misst und feststellen kann, ob ein System stabil ist oder zur Aggregation neigt. Die Arzneimittelabgabe-Eigenschaften eines LNPs werden durch dessen Zeta-Potential beeinflusst. Forscher modifizieren auch die Oberfläche der LNP, um die Freisetzung ihrer therapeutischen Nutzlast zu steuern. Das Verständnis und die Kontrolle des Zeta-Potentials sind entscheidend für LNP-Therapien und beeinflussen deren Stabilität und alle Aspekte der Pharmakokinetik.
Zeta-Potential-Messung mit Instrumenten von Waters | Wyatt
Unser Portfolio umfasst verschiedene DLS-Analysatoren, mit denen Sie das Zeta-Potential sowie andere Werte schnell und einfach bestimmen können.
Um das Zeta-Potential eines Partikels zu berechnen, benötigt man seine elektrophoretische Mobilität und seinen hydrodynamischen Radius. Erstere kann mittels elektrophoretischer Lichtstreuung (ELS), letzterer durch dynamische Lichtstreuung (DLS) bestimmt werden. Unser DynaPro™ ZetaStar™ ELS/DLS/SLS Instrument ermöglicht die gleichzeitige Messung von DLS und ELS und liefert Einblicke in Partikelgröße, Polydispersität und Zeta-Potential in einem effizienten Prozess. Außerdem liefert die gleichzeitige Messung von DLS/SLS Größe, Polydispersität und Partikelkonzentration, Molmasse und Trübung. Da die Durchflusszelle des Instruments unter Druck gesetzt werden kann, werden gelöste Gase, die Signale verfälschen können, vermieden, wodurch Messungen unter physiologischen Bedingungen möglich sind.
Wenn Sie das Zeta-Potential jeder Komponente in einer Mischung bestimmen möchten, ist das Eclipse™ Field Flow Fractionation (FFF)-System mit dem Mobility EAF4-Modul die richtige Wahl. Es arbeitet mit elektrischer asymmetrischer Feldflussfraktionierung und kann auch Zeta-Potential-Verteilungen von multi- und polydispersen Proben bestimmen.
In jedem Fall sind Zeta-Potential-Messungen mit Lichtstreuungsmessungen in Reichweite. Wir empfehlen die Messung früh und häufig in der Entwicklung und bei der Implementierung als schnelle Qualitätskontrolle beim Endprodukt.
Referenzen:
- Mo, S., et al. "Increasing entropy for colloidal stabilization" Scientific Reports 6 (2016)
- Clogston JD, Patri AK. Zeta potential measurement. Methods Mol Biol. 697 (2011):63.
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- Seo Y, et al. “Recent Progress of Lipid Nanoparticles-Based Lipophilic Drug Delivery: Focus on Surface Modifications” Pharmaceutics. 15(3) (2023): 772.
- Hong, S. et al. Protein-Based Nanoparticles as Drug Delivery Systems. Pharmaceutics 12 (2020): 604. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12070604
- Kamble, S. et al. Revisiting Zeta Potential, the Key Feature of Interfacial Phenomena, with Applications and Recent Advancements. ChemistrySelect 7(1) (2022). Revisiting Zeta Potential, the Key Feature of Interfacial Phenomena, with Applications and Recent Advancements (wiley.com)
DynaPro™ ZetaStar™
Manuelle oder automatische Messungen der dynamischen, statischen und elektrophoretischen Lichtstreuung.