Polyethylenglycol, kurz PEG, auch (veraltet) Polyäthylenglykol und in der Pharmazie auch Macrogol, ist ein – je nach Kettenlänge – flüssiges oder festes, wasserlösliches und nichttoxisches Polymer mit der allgemeinen Summenformel C2nH4n+2On+1. Wegen diesen Eigenschaften wird es in der Medizin, z. B. als Wirkstoffträger sowie in der Pharmazie, in industriellen Anwendungen, in der zellbiologischen Forschung und in Kosmetikprodukten eingesetzt. PEG hat – je nach Kettenlänge und daraus resultierender molarer Masse – unterschiedliche Eigenschaften. Die Wiederholeinheit des linear aufgebauten Polymers ist (–CH2–CH2–O–), mit einer molaren Masse von etwa 44 g·mol−1. Chemisch handelt es sich um einen Polyether.
Herstellung Polyethylenglycol wird mittels anionischer Polymerisation von Ethylenoxid hergestellt. Für Molmassen bis ca. 40.000 g/mol werden Basen wie Natriumethanolat oder Kalium-tert-butanolat als Initiator verwendet. PEG mit einer Molmasse von bis zu 3.000.000 g/mol lassen sich mit Katalysatoren wie Erdalkalioxiden oder -carbonaten herstellen. Alternativ ist auch kationische Polymerisation möglich, welche technisch jedoch keine Rolle spielt. alternativ:
Die Reaktion kann ebenfalls säurekatalysiert ablaufen, dann wird mit Zugabe von leicht basischem Wasser abgebrochen.
Nomenklatur Für PEG mit einer mittleren Molekülmasse von 200 bis 20.000 g/mol hat sich die Bezeichnung Polyethylenglycole eingebürgert. Produkte mit höherer Molekülmasse (ab etwa 20.000 g/mol) werden als Polyethylenoxid bezeichnet, da bei diesen Produkten der Einfluss der endständigen Hydroxygruppen vernachlässigt werden kann. Als Abkürzung wird auch der Ausdruck PEG oder Macrogol bzw. PEO zusammen mit einem Zahlenwert verwendet, der die mittlere relative Molekülmasse angibt.
Eigenschaften Konsistenz Polyethylenglycole mit einer mittleren Molekülmasse zwischen 200 g/mol und 400 g/mol sind bei Raumtemperatur nichtflüchtige Flüssigkeiten. PEG 600 weist einen Schmelzbereich von 17 bis 22 °C und somit eine pastenartige Konsistenz auf. Bei Molekülmassen über 3000 g/mol sind die PEG feste Substanzen und werden als Schuppen oder Pulver in den Handel gebracht. Härte und Schmelzbereich steigen mit zunehmender Molekülmasse an. Durch Mischung eines festen (PEG 1500) mit einem flüssigen PEG kann ein wasserlösliches Produkt von salbenartiger Konsistenz hergestellt werden.
Wasserlöslichkeit Die wichtigste Eigenschaft aller Polyethylenglycole ist ihre Löslichkeit in Wasser. Flüssige PEG sind in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Selbst von einem PEG 8000 können noch 50-prozentige Lösungen hergestellt werden. Auf diese Eigenschaft stützt sich die Verwendung von Macrogol (PEG 3350) als Abführmittel. Bei erhöhten Temperaturen nimmt ihre Löslichkeit in Wasser stark ab.
Hygroskopie Die flüssigen PEG sind hygroskopisch. Die Fähigkeit, Wasser aufzunehmen, nimmt mit steigender Molekülmasse ab.
Flüchtigkeit und thermische Stabilität PEG sind nicht flüchtig, eine Tatsache, die bei ihrer Anwendung als Weichmacher oder Feuchthaltemittel von Bedeutung ist. Bei Temperaturen über 150 °C tritt eine thermische Zersetzung ein, die wegen der flüchtigen Zersetzungsprodukte mit einem Gewichtsverlust verbunden ist. Anwendungen bei höheren Temperaturen machen die Verwendung von Antioxidantien notwendig.
Struktur Röntgenographische Untersuchungen haben ergeben, dass die PEG-Ketten in zwei verschiedenen Modifikationen vorliegen können. Kürzeren Ketten, deren Polymerisationsgrad n = 10 nicht übersteigt, wird eine Zickzack-Struktur zugeschrieben, während sich bei längeren Ketten die sogenannte Mäanderstruktur ausbildet. Der Übergang zwischen beiden hängt auch von der Temperatur ab.
Physiologische Eigenschaften Die Polyethylenglycole weisen außergewöhnlich niedrige Toxizitätswerte auf (akute und chronische orale Toxizität, Embryotoxizität, Hautverträglichkeit). Sie werden daher seit Jahrzehnten in Kosmetika, Nahrungsmitteln und pharmazeutischen Zubereitungen verwendet und werden auch in allen relevanten Arzneibüchern aufgeführt. Von der WHO wurde eine erlaubte Tagesdosis für PEG in Nahrungsmitteln von 10 mg/kg Körpergewicht festgelegt.
Obwohl Polyethylenglycol als nichttoxisch gilt, entwickelt das menschliche Immunsystem Antikörper dagegen. Jüngere Menschen haben deutlich mehr Antikörper als ältere.
Ökologische Eigenschaften Die biologische Abbaubarkeit der Polyethylenglycole nimmt mit steigender mittlerer Molekülmasse ab. Bis PEG 1500 werden sie jedoch als biologisch abbaubar angesehen. Der Abbau anderer Substanzen wird von den PEG nicht beeinflusst. Selbst 1-prozentige Lösungen sind gegenüber Fischen und Mikroorganismen nicht toxisch. In Deutschland sind die PEG in Wassergefährdungsklasse (WGK) 1 eingestuft. Alle Polyethylenglycole können problemlos thermisch beseitigt (verbrannt) werden.
Anwendungen mini|hochkant|Polyethylenglycol 400 in pharmazeutischer Qualität mini|Polyethylenglycol 4000 in pharmazeutischer Qualität
Pharmazeutische Industrie Auf allen Gebieten der galenischen Zubereitungen werden PEG als Wirkstoffträger verwendet. Mittels PEGylierung kann die Plasmahalbwertszeit von einigen Wirkstoffen erheblich erhöht werden.
Flüssige Zubereitungen Polyethylenglycole werden wegen ihrer Lösecharakteristik zur Herstellung flüssiger Zubereitungen – wie Tropfen und Injektionspräparate – sowie zur Füllung von Gelatinekapseln verwendet, da sie diese nicht anlösen oder verspröden.
Salbengrundlage Durch Mischen eines festen und eines flüssigen PEG (z. B. 50 Prozent PEG 1500 und 50 Prozent PEG 300) kann eine wasserlösliche Salbengrundlage erzeugt werden, die sich wegen ihrer guten Löslichkeit für viele aktive Substanzen eignet.
Suppositorien Suppositorienmassen auf Basis von PEG, als Suppositorienwirkstoff auch Macrogol genannt, können genau auf die Körpertemperatur abgestimmt werden. Das Freisetzen der Wirksubstanzen erfolgt nicht durch Schmelzen, sondern durch das Auflösen in der Darmflüssigkeit im Rektum.
Tabletten und Dragees Polyethylenglycole werden als Wirkstoffträger, Lösevermittler und Hilfsmittel beim Tablettieren und Dragieren eingesetzt.
Kosmetik Polyethylenglycole können in folgenden kosmetischen Präparationen verwendet werden: Cremes und Lotionen, Parfüms, Deodorants, Insekten-Abwehrmittel, Lippenstifte, Zahnpasten, Haarpflegemittel, Zahnreinigungstabletten, Badezusätze, Lubrastrips. Polyethylenglycol wird in der Liste der Inhaltsstoffe als PEG gefolgt von einer Zahl und ggf. dem Buchstaben M aufgeführt, beispielsweise PEG-14 (Polyethylenglycol mit durchschnittlich 14 EO-Einheiten) oder PEG-14M (Polyethylenglycol mit durchschnittlich 14 000 EO-Einheiten). In Kosmetika wirkt PEG penetrationsfördernd, das heißt die Haut wird durchlässiger für Wirkstoffe, aber ebenso für mögliche Giftstoffe (sofern vorhanden). Entsprechend weist z. B. auch Öko-Test in ihrem Artikel über Flüssigseifen auf verwendete PEG-Derivate hin.Flüssigseifen. In: Ökotest, November 2010 Vom PEG selbst geht – bei einem LD50-Wert von >20 g·kg−1 – jedoch keine Gefahr aus.
Präparation und Restaurierung Mit Hilfe von PEG können organische Objekte (Frischpräparate, lange in Wasser getränkte Hölzer – Nassholzkonservierung) zu Trockenpräparaten umgewandelt werden. Dabei werden die ursprünglich feucht gehaltenen Objekte (in Wasser, Alkohol oder Formalin) entweder lange Zeit oder im Vakuum in einer PEG-Lösung getränkt. Dank der Verwendung unterschiedlicher PEG-Molekülgrößen wird der größte Teil der ursprünglichen Flüssigkeit durch das PEG ersetzt. Das Verfahren ist auch für große Holzobjekte geeignet und findet daher bei der Konservierung von Schiffswracks bis heute Verwendung. In der modernen Tierpräparation wird wegen der dennoch stattfindenden Schrumpfung durch die Trocknung ein Mischverfahren verwendet, wobei klassische Methoden der Präparation mit einfließen.
In der Paläontologischen Präparation werden vor allem subfossile Fossilien (beispielsweise Funde der Eiszeit) mit PEG behandelt. Diese Fossilien sind sehr anfällig gegen Klimaschwankungen und zerfallen z. B. durch die bei der Trocknung entstehenden Spannungen. Hier wird nur mit einem festen PEG-Typ gearbeitet, der das in den Fossilien enthaltene Wasser über den Weg der Diffusion ersetzt. Das PEG erstarrt anstelle des sonst verdampfenden Wassers und verhindert die zerstörenden Spannungen. Die Langzeiterfahrung mit der PEG-Konservierung zeigt, dass diese Methode bei diesem schwierig zu konservierenden Material die besten Ergebnisse verspricht. Auch bei der Konservierung von Moorleichen wurde Polyethylenglykol bereits erfolgreich eingesetzt.
Technische Anwendungen Als Gleit- und Formtrennmittel, Vulkanisationsaktivator oder Wärmeträger bei der Produktion von Gummiartikeln; als Plastifizierungs- und Bindemittel für keramische Pressmassen; als Pastengrundlage von Wärmeleitpaste als Bindemittel für Pressgranulate bei der Herstellung von Hartmetall zur Herstellung von Siebdruckmedien und anderen Glas- und Keramikfarben; um Enzyme für Waschmittel handhabbar zu machen, und zwar durch Versprühen mit festen PEG; zur Konservierung archäologischer Holz- oder Lederfunde; zur Konservierung subfossilen Knochenmaterials (z. B. Eiszeit-Funden); als weit verbreitetes Trocknungsmittel in der Holzindustrie zur schnellen und schonenden Trocknung von Edelhölzern; als Weichmacher und Feuchthaltemittel z. B. für Klebstoffe; als reaktive Komponente bei der Herstellung von Polyestern und Polyurethanen; als polare stationäre Phase bei der Gaschromatographie.
Außer der oben genannten Verwendung zu rein galenischen Zwecken wird PEG auch zur Veränderung der pharmakokinetischen Eigenschaften von Proteinen als Arzneimittel benutzt. Die mit PEG verknüpften (pegylierten) Proteine (beispielsweise Wachstumsfaktoren für weiße Blutkörperchen) verbleiben wegen der verzögerten Ausscheidung über die Niere länger im Organismus, die Halbwertszeit verlängert sich also.
Medizin PEG wird in mehreren Bereichen der Gastroenterologie angewendet.
Anwendung bei der Darmreinigung Die Substanz wird unter anderem zur Reinigung des Darmes vor einer Koloskopie eingesetzt. Dabei werden PEG-basierte Elektrolytlösungen genutzt. Sie zählen zur pharmakotherapeutischen Gruppe der osmotisch wirksamen Abführmittel (Laxans). Eine orale Einnahme verursacht einen moderaten Durchfall und führt damit zu einer schnellen Entleerung des Darms. Dies geschieht, da hochmolare PEG einen starken osmotischen Effekt haben. Sie binden Wasser über Wasserstoffbrückenbindungen in Form von Hydrathüllen, was wiederum zu einer Ansammlung von Wasser im Darmlumen führt. Das dadurch erhöhte Stuhlvolumen löst über neuromuskuläre Wege eine gesteigerte Motilität des Kolons aus. Dies führt zu einem verbesserten propulsiven Transport des aufgeweichten Stuhls im Kolon.
Ursprünglich wurden PEG-basierte Elektrolytlösungen ohne Ascorbinsäure (Vitamin C) genutzt. Diese Präparate erforderten eine Trinkmenge von 4 l. Durch den heute üblichen Zusatz von hoch dosierter Ascorbinsäure von knapp 5 g pro Liter, dies entspricht ca. dem 50-fachen Tagesbedarf an Ascorbinsäure, ist eine geringere Trinkmenge von 2 l möglich. Außerdem können die in 2 l PEG-EL enthaltenen Elektrolyte und eine ausreichende Flüssigkeitsaufnahme mögliche klinisch relevante Veränderungen des Elektrolyt- und Wasserhaushalts verhindern und dadurch das Risiko einer Dehydratation reduzieren.
Anwendung bei Verstopfung