Mizelle

Datei:Phospholipide in Wasser.svg

Vergleich von Liposom und Mizelle

Datei:MicelleV2.svg

Mizelle eines anionischen Tensids in Wasser

Mizelle oder Micelle (von {{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=la |SCRIPTING=Latn |SERVICE=lateinisch}}, ‚kleiner Bissen‘), auch Assoziationskolloide genannt, bezeichnet zusammengelagerte Molekülkomplexe (Aggregate) aus amphiphilen Molekülen bzw. grenzflächenaktiven Substanzen in einem Lösungsmittel.

Eigenschaften

In einem Dispersionsmedium (meist Wasser) binden sich amphiphile Moleküle aufgrund des hydrophoben Effekts aneinander.<ref name="Moroi">Y. Moroi: Micelles. Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 978-1-4899-0700-4, S. 1.</ref> Dieser Vorgang wird Selbstassemblierung genannt. Typischerweise sind diese amphiphilen Moleküle Tenside (auch Detergenzien). Mizellen bilden sich in polaren Lösungsmitteln wie Wasser ab einer bestimmten Konzentration, der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC), aufgrund der Neigung der Tenside zur Phasentrennung. Ebenso muss die Temperatur über dem Krafft-Punkt liegen, denn unterhalb dieser Temperatur ist die Löslichkeit des Tensids kleiner als die zur Micellenbildung notwendige kritische Mizellenbildungskonzentration. Neben der Wahl des Tensids haben Temperatur, pH-Wert, Ionenstärke und die Polarität des Lösungsmittels einen Einfluss auf die Form der Micellen.

Tenside besitzen einen polaren hydrophilen Kopfteil und einen unpolaren hydrophoben Schwanzteil, wodurch sie als Lösungsvermittler zwischen unpolaren und polaren Stoffen wirken. Die bereitwillig an Wasser bindenden hydrophilen Teile (Köpfe) der Tensidmoleküle richten sich zu den angrenzenden Wassermolekülen aus, wogegen die hydrophoben Teile (Schwänze) sich zusammenlagern und somit eine eigene Phase bilden. Durch den hydrophoben Effekt wird die Kontaktfläche der hydrophoben Bereiche zum Wasser minimiert. Daher nehmen Micellen meist eine Kugelform an, bei der das Oberflächen-Volumen-Verhältnis am kleinsten ist. Es kommen aber auch ellipsoide, zylindrische und doppelschichtige Formen vor, die energetisch etwas ungünstiger sind. Eine Mizelle hat typischerweise eine Größe von wenigen Nanometern. Das Tensid SDS kommt in Lösungen ab der kritischen Mizellenbildungskonzentration von 7 bis 10 Millimolar gleichzeitig als einzelne Moleküle (Monomer) und als Mizellen vor, darunter kommt SDS nur einzeln vor. Bei der kritischen Mizellenbildungskonzentration besteht eine Mizelle aus etwa 62 SDS-Molekülen.<ref name="Turro">Nicholas J. Turro, Ahmad Yekta: Luminescent probes for detergent solutions. A simple procedure for determination of the mean aggregation number of micelles. In: Journal of the American Chemical Society. 100, 1978, S. 5951, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}.</ref> Es gibt drei Typen von Mizellen: klassische Mizellen mit aliphatischem hydrophoben Teil (z. B. Tenside), Mizellen aus einem Polymer mit hydrophoben und hydrophilen Bereichen und Mizellen mit aromatischem hydrophoben Teil.<ref name="PMID36631075">M. Yoshizawa, L. Catti: Aromatic micelles: toward a third-generation of micelles. In: Proceedings of the Japan Academy. Series B, Physical and biological sciences. Band 99, Nummer 1, 2023, S. 29–38, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 36631075, }} PMC 9851959 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> Polymere Mizellen haben verschiedene hydrophile und hydrophobe Bausteine,<ref name="Hwang">D. Hwang, J. D. Ramsey, A. V. Kabanov: Polymeric micelles for the delivery of poorly soluble drugs: From nanoformulation to clinical approval. In: Advanced drug delivery reviews. Band 156, 2020, S. 80–118, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 32980449, }} PMC 8173698 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> größere Durchmesser von 10 bis 100 nm<ref name="PMID35746086">S. Perumal, R. Atchudan, W. Lee: A Review of Polymeric Micelles and Their Applications. In: Polymers. Band 14, Nummer 12, Juni 2022, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 35746086, }} PMC 9230755 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> und werden vorwiegend durch Phagozyten aufgenommen und abgebaut.<ref name="PMID35905947">Y. Cai, J. Qi, Y. Lu, H. He, W. Wu: The in vivo fate of polymeric micelles. In: Advanced drug delivery reviews. Band 188, September 2022, S. 114463, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 35905947.</ref>

Die Zusammenlagerung kann über folgenden Ausdruck beschrieben werden:<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if:

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<math> \frac{v_o}{a_e \ell_o}</math>

mit <math>v_o</math> als das Volumen des Schwanzteils, <math>\ell_o</math> als Länge des Schwanzteils und <math>a_e</math> als der Fläche pro Molekül an der Grenzfläche im chemischen Gleichgewicht.

Inverse Mizellen

Auch in unpolaren Lösungsmitteln gibt es Mizellen, nur mit umgekehrter Orientierung (inverse Mizellen, auch reverse Mizellen genannt). Dabei lagern sich in unpolarem Tenside mit den polaren Kopfgruppen nach innen zusammen. Des Weiteren gibt es neben Kugeln viele andere geometrische Formen (Stäbchen, Plättchen etc.), je nach Größen- und Längenverhältnis von Kopf zu Schwanz. Angewendet werden reverse Mizellen z. B. bei der Extraktion von Proteinen aus Fermentationsbrühen. Hierbei wird das Protein im Kern der reversen Mizelle gelöst.

Supermizellen

Datei:Supramolecular assembly of micelles6.jpg

Elektronenmikroskopisches Bild einer windmühlenartigen Supermizelle (Maßstab 500 nm).<ref name="Li" />

Supermizellen sind aus Mizellen aufgebaute hierarchische supramolekulare Strukturen. Zylindrische Mizellen können durch Steuerung der Umgebungsbedingungen in kreuz-, stern- oder Löwenzahnform umgelagert werden. Nanopartikel können als Kristallisationskeime von Supermizellen verwendet werden. Die Grundstrukturen sind meist aus verschiedenen Blockcopolymeren in kovalenten Bindungen aufgebaut, wohingegen die Amphiphilen durch schwächere Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Wechselwirkungen oder hydrophobe Effekte zusammengehalten werden.<ref name="Li">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if:

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Flüssigkristalle

Enthält eine Lösung sehr große Konzentrationen grenzflächenaktiver Substanzen, so können die vielen Mizellen höhere Ordnungszustände bilden, nämlich Flüssigkristalle.

Bildungsenergie

Der Mizellbildungsprozess läuft spontan ab, d. h. ihm liegt ein thermodynamisches Gleichgewicht zugrunde. Die treibende Kraft dabei ist die Freisetzung von Wassermolekülen, die zuvor mit den Tensidmolekülen assoziiert waren, wodurch die Entropie zunimmt. Die Mizellbildungsenthalpie <math>\Delta H_m</math> lässt sich wie folgt beschreiben:

<math>\Delta H_m = -n \cdot \left( \frac{\delta\ln c_k}{\delta T} \right) \cdot RT^2</math>

mit

• Konstante <math>n</math>, variiert zwischen 1 und 2 je nach Ladung der Mizellen
• der kritischen Mizellenkonzentration CMC (s. o.)
• Temperatur <math>T</math> in Kelvin
• universelle Gaskonstante <math>R</math>.

Molmasse

Der Zusammenhang der Molmasse M mit der CMC wird über die Debye-Gleichung beschrieben:<ref name="Gelbart">William M. Gelbart: Micelles, Membranes, Microemulsions, and Monolayers. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-1-4613-8389-5, S. 2.</ref>

<math>\frac{K \left( c - CMC \right)} \tau = \frac 1 M + 2A_2 (c - CMC)</math>

mit

• der optischen Konstante K (abhängig von Wellenlänge und Brechungsindex des Lösungsmittels und der Lösung)
• der Konzentration c des amphiphilen Moleküls
• der kritischen Mizellenkonzentration CMC
• der Turbidität <math>\tau</math> und
• dem zweiten osmotischen Virialkoeffizienten A₂.

Analytik

Die kritische Mizellenbildungskonzentration (und somit die Mizellenbildung in Wasser) kann durch verschiedene Methoden bestimmt werden: durch Messung der Oberflächenspannung,<ref name="Karimi">Karimi M.A., Mozaheb M.A., Hatefi-Mehrjardi A., Tavallali H., Attaran A.M., Shamsi R.: A new simple method for determining the critical micelle concentration of surfactants using surface plasmon resonance of silver nanoparticles. In: J. Anal. Sci. Technol. (2015); Band 6, S. 35. doi:10.1186/s40543-015-0077-y.</ref><ref name="Scholz">Scholz N., Behnke T., Resch-Genger U.: Determination of the critical micelle concentration of neutral and ionic surfactants with fluorometry, conductometry, and surface tension—a method comparison. In: J. Fluoresc. (2018); Band 28, S. 465–476. doi:10.1007/s10895-018-2209-4.</ref> Lichtstreuung,<ref name="Topel">Topel Ö., Çakır B.A., Budama L., Hoda N. Determination of critical micelle concentration of polybutadiene-block-poly(ethyleneoxide) diblock copolymer by fluorescence spectroscopy and dynamic light scattering. J. Mol. Liq. 2013;177:40–43. {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}.</ref> elektrische Leitfähigkeit,<ref name="Topel" /> osmotischer Druck,<ref>Gadelha G., Nawaz M.S., Hankins N.P., Khan S.J., Wang R., Tang C.Y.: Assessment of micellar solutions as draw solutions for forward osmosis. In: Desalination (2014), Band 354, S. 97–106. doi:10.1016/j.desal.2014.09.009.</ref><ref>Amos D.A., Markels J.H., Lynn S., Radke C.J.: Osmotic pressure and interparticle interactions in ionic micellar surfactant solutions. In: J. Phys. Chem. B. (1998); Band 102, S. 2739–2753. doi:10.1021/jp9805407.</ref> Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie<ref name="Karimi" /> und Fluorometrie.<ref name="Scholz" /><ref name="Topel" />

Anwendungen

Oberhalb der kritischen Mizellenbildungskonzentration können Mizellen hydrophobe Moleküle wie Lipide aufnehmen und im Inneren einlagern und somit als Emulgator wirken. Daher werden Tenside zum Lösen von fetthaltigen Stoffen verwendet. Typische Anwendungen, bei denen Tenside in wässrigen Lösungen oberhalb der kritischen Mizellenbildungskonzentration vorkommen, sind Shampoos, Duschgel, Seifenlösungen, Waschmittel und Hautcremes.

Bei der Verdauung wirken Gallensalze und Fettsäuren als Tenside zur Bildung von Mizellen, die im Inneren Fette und Öle aufnehmen. Dabei werden neben den Lipiden auch fettlösliche Vitamine im Dünndarm aufgenommen wie A, D, E und K. Mizellen in Milch werden bei der Herstellung von Käsebruch durch Zugabe von proteinspaltenden Enzymen und der Spaltung von Kasein, wodurch die Milch gerinnt.

In der Biochemie und in der Pharmazie werden Nukleinsäuren im Zuge der Lipofektion an Mizellen gebunden, um sie in Zellen einzuschleusen, wie RNA-Impfstoffe.<ref name="PMID24795633">A. M. Jhaveri, V. P. Torchilin: Multifunctional polymeric micelles for delivery of drugs and siRNA. In: Frontiers in pharmacology. Band 5, 2014, S. 77, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 24795633, }} PMC 4007015 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> In der Pharmazie werden Mizellen zur Verpackung von (hydrophoben) Wirkstoffen verwendet, um die Toxizität zu mindern,<ref name="Hwang" /> um die Verteilung im Körper zu verändern<ref name="Jin">G. W. Jin, N. S. Rejinold, J. H. Choy: Multifunctional Polymeric Micelles for Cancer Therapy. In: Polymers. Band 14, Nummer 22, November 2022, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 36432965, }} PMC 9696676 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}).</ref> oder vor einem vorzeitigen Abbau oder Ausscheidung zu schützen und die Bioverfügbarkeit zu erhöhen.<ref name="PMID37278964">J. Qian, Y. Guo, Y. Xu, X. Wang, J. Chen, X. Wu: Combination of micelles and liposomes as a promising drug delivery system: a review. In: Drug delivery and translational research. Band 13, Nummer 11, November 2023, S. 2767–2789, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 37278964.</ref><ref name="PMID31679247">L. Yun, H. Shang, H. Gu, N. Zhang: Polymeric Micelles for the Treatment of Rheumatoid Arthritis. In: Critical reviews in therapeutic drug carrier systems. Band 36, Nummer 3, 2019, S. 219–238, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 31679247.</ref><ref name="PMID40362958">P. D. Petrov, S. Davidova, G. Satchanska: Polymer Micelles as Nanocarriers of Bioactive Peptides. In: Polymers. Band 17, Nummer 9, April 2025, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 40362958, }} PMC 1207329 (freier Volltext{{#if:|, PDF}}) (Review).</ref><ref name="PMID37282644">A. Jain, K. Bhardwaj, M. Bansal: Polymeric Micelles as Drug Delivery System: Recent Advances, Approaches, Applications and Patents. In: Current drug safety. Band 19, Nummer 2, 2024, S. 163–171, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 37282644 (Review).</ref> Durch PEGylierung werden hydrophobe Wirkstoffe in amphiphile Wirkstoffe umgewandelt, die Mizellen ausbilden.<ref name="PMID33390113">M. Al-Amili, Z. Jin, Z. Wang, S. Guo: Self-Assembled Micelles of Amphiphilic PEGylated Drugs for Cancer Treatment. In: Current drug targets. Band 22, Nummer 8, 2021, S. 870–881, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 33390113.</ref> Micellen werden daher bei der Behandlung von Krebs<ref name="PMID35196423">T. Kubiak: Polymeric capsules and micelles as promising carriers of anticancer drugs. In: Polimery w medycynie. Band 52, Nummer 1, 2022, S. 37–50, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 35196423.</ref> untersucht oder bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson als Hilfsmittel, um die Wirkstoffkonzentration im Gehirn zu erhöhen.<ref name="PMID36567302">J. Kanoujia, A. Kishore, P. Parashar: Progress in Polymeric Micelles as Viable Wagons for Brain Targeting. In: Current pharmaceutical design. Band 29, Nummer 2, 2023, S. 116–125, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 36567302.</ref> Möglicherweise stellen Micellen eine Vorform einer Urzelle bei der Entstehung des Lebens dar.<ref name="PMID37117387">A. Kahana, D. Lancet: Self-reproducing catalytic micelles as nanoscopic protocell precursors. In: Nature reviews. Chemistry. Band 5, Nummer 12, Dezember 2021, S. 870–878, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}, PMID 37117387.</ref>

Weiterhin werden Mizellen bei der Emulsionspolymerisation und zur Katalyse von chemischen Reaktionen innerhalb von Mizellen eingesetzt.<ref name="Paprocki Madej Koszelewski Brodzka p. ">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if:

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  }}</ref> Dadurch wird bei milderen Reaktionsbedingungen die Ausbeute an hydrophoben Reaktionsprodukten erhöht und weniger organische Lösungsmittel eingesetzt.<ref name="Macquarrie pp. 1640–1650">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if: 
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  }}</ref> Umgekehrt kann eine Mizellenbildung manche chemischen Reaktionen hemmen, indem die Mizelle einen Reaktionspartner von einem Anderen abschirmt.<ref name="Ji Niu Fang Tan Nou 2021 p=133167">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if: 
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  }}</ref> Kationische Tenside wie Cetrimoniumchlorid, Benzethoniumchlorid und Cetylpyridiniumchlorid können chemische Reaktionen zwischen negativ geladenen Molekülen bis zu 5.000.000-mal beschleunigen.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if: 
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  }}</ref> Im Gegensatz zur üblichen Katalyse innerhalb von Mizellen finden diese Reaktionen an der Oberfläche der Mizellen statt.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if: 
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  }}</ref> In Mizellen können auch unpolare Gold-Nanopartikel verpackt werden, um die Verteilung in biologischen Organismen zu verändern.<ref name=chen2008>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if: 
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  }}</ref>

Literatur

• William M. Gelbart: Micelles, Membranes, Microemulsions, and Monolayers. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-1-4613-8389-5, S. 208

Weblinks

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• Theoretische Einführung zur Messung der Oberflächenspannung und der CMC

Einzelnachweise

<references />