On the Transfer of Active Particles to the Epidermis and Mucus Membranes. Prof. Dr. G. Schulz Universität des Saarlandes Fakultät 7 für Physik und Mechatronik

ABSTRACT: Since early times powders, liquids and gels have been used as carriers to bring active agents and medicines to the human body, to the outer epidermis as well as to the mucus membranes within the body. There exist a long list of substances, which can be applied by these carriers and there is a great number of processes, which seem to serve for the transfer of the agents from the carriers to skin. But do we understand these processes? – The question of purely scientific interest is how for instance sportswear coated with silver particles acts to the skin (wetted by sweat) like a thin sheet or a film of an acid? Or why nano- crystals once incorporated by mucus or a mucus tissue stay for a long time within the tissue? No doubt, in former times physicians were nearly physicists and chemists also. But our days are dominated by the division of labour, which means, that the distance between the divers professions becomes great and even greater. Moreover absolutely new substances as nano-crystals with a great potential as "medical materials" come forth and seems to widen the gap. We want to show, that the mode of interaction of these substances with the human body might be understood by simple physical model. ABSTRACT: Schon in frühen Zeiten wurden Puder, Flüssigkeiten und Gels (Pasten, Kreme) benutzt, um heilende Substanzen oder Medizin an den menschlichen Körper zu bringen, an die Außenhaut ebenso wie an die innere Häute oder Schleimhäute. Es gibt eine lange Liste der Substanzen, die auf diese Weise appliziert (angewendet) werden und eine große Zahl von Prozessen, die die Übertragung der Substanzen auf die Haut besorgen. Aber verstehen wir auch diese Vorgänge? Es ist zu einer wissenschaftlichen Frage geworden, wie es denn kommt, dass eine mit Nanokristallen präparierte Sportkleidung, wenn sie erst einmal vom Schweiß befeuchtet ist, wie ein dünne, säurehaltige Schicht auf die Haut einwirkt? Oder warum Nanokristallen eine so große Langzeitwirkung haben? Zweifellos waren die Ärzte früher ihre eigenen Physiker und Chemiker. Doch unsere Zeit ist durch die Arbeitsteilung bestimmt und das bedeutet, dass die Kluft zwischen den verschiedenen Professionen immer größer wird. Darüber hinaus bekommen vollkommen neue Substanzen wie eben die Nanokristalle eine immer größere Bedeutung als "medizintechnische Materialien" und vergrößern noch die Kluft. Wir möchten zeigen, dass die Wechselwirkung dieser Stoffe mit dem menschlichen Körper dennoch mit Hilfe eines einfachen physikalischer Modells verstanden werden kann.

In molecular dimensions the most powerfull agent is the thermal motion of the moleculs. The molecules are driven by thermal energy and are rebounced by each other and by melocules of other species, that even after many collisions they have traveled only a short way, from the position 1 to the position 2. In a certain sense the collisions confine a swarm of particles to a small area, (but serve also for that the parfume of Your neighbour female arrives at Your nose, finally). Im Bereich der Moleküle ist die thermische Bewegung die alles bewirkende Größe. Die Moleküle bewegen sich aufgrund ihrer thermischen Energie und werden dabei in Stößen mit gleichartigen oder auch andersartigen Molekülen zurückgestoßen, so dass sie auch nach sehr vielen Stößen nur eine kurze Wegstrecke – wie eingezeichnet von Position 1 nach Position 2 vorangekommen sind. In gewissem Sinne begrenzen die Stöße also die Ausdehnung eines Schwarms von Molekülen, (aber sorgen doch auch dafür, dass das Parfüm Ihrer Nachbarin schließlich schließlich Ihre Nase erreicht!) 2 1

If the molecules are bouncing against the surface of a solid body, the atoms of the solid, which are elastically bound in a regular lattice, become excited to vibrations and/or acustic waves, but waves, which must obey strictly quantummechanical laws. That means, that the transfer of energy (heat) and velocity of motion from a gas molecule to bound atoms is a very improble act. Wenn die Moleküle gegen die Oberfläche eines festen Körpers stoßen, werden die Atome des festen Körpers, die im Gitter des Körpers an feste Plätze gebunden sind, zu Schwingungen oder sogar zu elastischen Wellen angestoßen, die jedoch ganz bestimmten quantenmechanischen Bedingungen gehorchen müssen. Das bedeutet, dass die Übertragungen von Bewegungsenergie von Molekülen auf einen festen Körper eine sehr unwahrscheinlicher Prozess ist.

Now let us look for what occurs in particular, when an atom or molecule with a certain velocity v collides with the lattice atoms at the surface of a solid body. Lassen Sie uns für einen Augenblick nachschauen, was im Einzelnen passiert, wenn ein Atom oder Molekül mit einer bestimmten Geschwindigkeit v mit den Gitteratomen eines festen Körpers zusammenstößt. v

The atom arrives at the surface and deforms the lattice. Das Atom trifft auf die Oberfläche und deformiert das regelförmige Gitter.

The energy, the atom has lost, is stored by the lattice as elastic energy of deformation, i.d. the velocity of the atom goes to zero and the atom stays for maybe a very short time in this situation, Die Energie, die das stoßende Atom verloren hat, steckt nun in der elastischen Deformation des Gitters. Das heißt aber auch, dass das Atom für eine möglicherweise sehr kurze Zeit zur Ruhe kommt,

but the elastically deformed lattice drives the atom back, Bis sich die Bewegungsrichtung umkehrt und das Gitter das Atom zurücktreibt.

and even while leaving the surface, the energy stored in the elastic deformation of the lattice is retransfered to the atom according to the mechanical law of action = reaction Sogar wenn das Atom die Oberfläche bereits verlassen hat, reicht die elastische Verformung des Gitters aus, um das Atom weiter weg zutreiben – ganz gemäß dem Gesetz der Mechanik actio = reactio

until at least the atom moves away with the velocity turned over to 180 degrees and the lattice recovers its former shape – or bis das Atom schließlich mit der um 180 ° gedrehten Geschwindigkeit das Gitter verläßt, das seine ursprüngliche Form wieder annimmt. v

Or the collider moves away with less velocity, because part of the energy remains within the body and travels away from the surface into the interior of the body, which means: Heat transfer has happened. Es sei denn, das Gitter habe eine Teil der Stoßenergie aufgenommen, die dann als elastische Welle ins Innere des festen Körper läuft. Dann hat Wärmeübertragung stattgefunden.

Totally different is the situation, if an atom or an active substanz within a gel (gellium) gets into contact with an nonsolid body, i.d. the mucus of a bladder. In the gel the thermal agitation is much lesser than in a gas, the mean free path shorter than in a gas or even in a liquid. Vollkommen anders (andersartig) ist die Situation, wenn ein Atom oder sonst eine Partikel sich in einem Gel befindet und von dorther mit einem nicht festen Körper, also zum Beispiel mit der Schleimhaut der Blase in Wechselwirkung tritt. Im Gel ist vor allem die thermische Agitation (Bewegung) sehr viel kleiner, die mittlere freie Weglänge kürzer,

But the aktive substances stay at the mucous for longer time and moreover the molecules of the mucus make way, when the molecule gets nearer Aber die Verweildauer der aktiven Substanzen an der Schleimhaut ist größer. Darüber hinaus weichen die Moleküle einer Schleimhaut aus und machen Platz für das eindringende Molekül oder die Partikel

the collider gets deeper into the mucus Das Teilchen dringt tiefer ein

and the invading particle stays for an even longer time near or just behind the surface becaus of molecular forces, which act between the particle and the surounding. Das eindringende Teilchen erfährt molekulare Kräfte und verweilt auch daher länger in der Schleimhaut

at least, the particle - f.i. a nanocristilline metallic particle - becomes ionized by splitting off positiv ions, which then are the really active substance. Wenn das eindringende Teilchen ein nano-kristallines metallisches Teilchen ist, wird Ionisation beobachtet, sogar Abspaltung positiver Ionen aus dem kristallinen Verband, die dann die eigentlich aktive Substanz darstellen.

The last picture is a physical model and contains all parameters - like the density and the viscosity of the gel, the porosity and the polarity of the mucus and the gel – which must be determined by further measurements to confirm preliminary resaults which suggest, how nanos can deliver positiv ions as the real active substance to a mucus (without becoming neutralized by free electrons), thus acting like an acid and remains deposited for a long time. Diese Bild steht für ein physikalisches Model, das alle Parameter enthält – wie die Dichte und die Zähigkeit des Gels, die Porosität und die Polarität der Schleimhaut und des Gels – die weiterer Messungen bedürfen, um die vorläufigen Ergebnisse zu sichern. Diese sollten die Vorstellung befestigen, dass positive Ionen die active Substanz sind und als solche wie einer Säurer wirken, der selbst im Gel noch nachgewiesen werden kann. porosity polarity molecular interaction pH-value density viskosity, mean free path