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Dokumentenidentifikation DE4440528A1 15.05.1996
Titel Implantierbare Vorrichtung zur Verabreichung von Wirkstoffen an Pflanzen
Anmelder LTS Lohmann Therapie-Systeme GmbH & Co KG, 56567 Neuwied, DE
Erfinder Hoffmann, Hans-Rainer, Dr., 56566 Neuwied, DE;
Kloczko, Malgorzata, Dipl.-Ing.-Agr. Dr., 53545 Linz, DE;
Roreger, Michael, 56567 Neuwied, DE
Vertreter Flaccus, R., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 50389 Wesseling
DE-Anmeldedatum 12.11.1994
DE-Aktenzeichen 4440528
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse A01G 7/06
IPC-Nebenklasse A01N 25/34   C05G 3/00   
Zusammenfassung Bei einer implantierbaren Vorrichtung zur Abgabe von Wirkstoffen an Pflanzen, wobei diese ein von Poren durchsetzter keramischer Formkörper ist, in dem der Wirkstoff in offenen Poren verteilt ist, ist das Porenvolumen zum Zeitpunkt der Implantation so bemessen, daß es die gesamte abzugebende Wirkstoffmenge enthält, wobei die Art der Gesamtporosität, deren Volumen, Größe und Streuung sowie Verteilung der Poren in vorgegebenen Grenzen festlegbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine implantierbare Vorrichtung zur Verabreichung von Wirkstoffen an Pflanzen. Eine Verabreichung von Wirkstoffen an Pflanzen mittels implantierbarer Vorrichtungen ist an sich bekannt und in der einschlägigen Literatur erwähnt. Beispielsweise sind solche den Patentschriften JP 5803 9602 und AU 84 31497 zu entnehmen.

Die Publikation JP 5803 9602 offenbart implantierbare quellfähige Wirkstoffsysteme, die aus einer Mischung hydrophiler und wasserabsorbierender Polymere bestehen. Das Funktionsprinzip dieser Systeme besteht darin, daß die Freisetzung des Wirkstoffs infolge seiner Solubilisierung erfolgt und somit durch die Wasseraufnahme der Pflanze gesteuert wird. Dieser Regelmechanismus weist jedoch folgenden Nachteil auf:

Weil die Wirkstoffabgabe nach Maßgabe der Wasserabsorption erfolgt, werden die Freisetzungsraten durch den Hydratationszustand der Gewebezellen der Pflanze am Applikationsort bestimmt. Der Grad der Zellhydratation unterliegt jedoch erfahrungsgemäß großen Schwankungen, wobei die Schwankungsbreite vom Zustand des Wasserhaushaltes der Pflanze abhängt. Extrem niedrige bzw. hohe Wasserpotentiale der pflanzlichen Zellen können entweder zu einer Unterbrechung der Wirkstoffabgabe oder zu einer raschen Freisetzung und folglich zu einer unerwünschten vorzeitigen Systemerschöpfung führen. Eine langfristige und zuverlässige Steuerung der pro Zeiteinheit zu verabreichenden Wirkstoffmenge ist mittels dieser Systeme nicht möglich.

Im Falle des Patentes AU 843 1497 handelt es sich um ein Abgabesystem, das in erster Linie zum Zwecke der Irrigation und Fertilisation entwickelt wurde. Es besteht aus einem porösen keramischen Implantat und einem externen Gas- oder Flüssigkeitsreservoir, die miteinander verbunden sind. Eine Wasser- und Wirkstoffabgabe erfolgt hier unter Ausnutzung der Kapillarkräfte des Implantat-Körpers, wobei der natürliche Transpirationsstrom der Pflanze eine für die Förderung der Wirkstoffträgerflüssigkeit notwendige Triebkraft darstellt. Die Steuerung des Flüssigkeitsstromes und der damit verbundenen Wirkstofflieferung an das pflanzliche Leitsystem wird hier also der Pflanze selbst überlassen. Somit ist es offensichtlich, daß dieses System für eine exakte Wirkstoffdosierung ungeeignet ist, was seinen Einsatz für die Verabreichung von Pflanzenschutzmitteln oder Wachstumsregulatoren ausschließt. Beim Pflanzenschutz in der Forst- und Gartenbaupraxis ist es nämlich wichtig, den Wirkstoffbedarf an die spezifischen Erfordernisse der jeweiligen Wirt-Pathogen-Beziehung (zeitliche Krankheits- und Schädlingsbefallentwicklung, Höhe der wirtschaftlichen Schadensschwelle) anzupassen. Nicht zuletzt hat die Wirkstoffabgabe-Rate auch Einfluß auf die Kostensituation bei der Behandlung eines z. B. größeren Pflanzen- bzw. Baumbestandes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine implantierbare Vorrichtung zur Verabreichung von Wirkstoffen an Pflanzen bereitzustellen, bei der die Kopplung der Wirkstoffabgabe mit dem Wasserhaushalt der Pflanze auf ein Mindestmaß beschränkt und eine Steuerung der Wirkstoffabgaberate unter Vermeidung vorgenannter Schwierigkeiten und technischer Grenzen mit wirtschaftlichen Mitteln ermöglicht wird.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einer implantierbaren Vorrichtung mit der Ausbildung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Zweckmäßige weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind entsprechend den Unteransprüchen vorgesehen. Dabei wurde überraschend gefunden, daß in das Hohlraumsystem poröser Keramikkörper Wirkstoffe eingelagert werden können, die nach Einbringen der Keramikkörper auch in verholzte Pflanzenorgane der Pflanze freigesetzt werden. Gegenstand der Erfindung ist eine implantierbare Vorrichtung zur Abgabe von Wirkstoffen an Pflanzen in Form eines mit Poren durchsetzten Formkörpers, in dem der Wirkstoff in offenen Poren verteilt und das Porenvolumen erfindungsgemäß zum Zeitpunkt der Implantation so bemessen ist, daß es die gesamte abzugebende Wirkstoffmenge enthält.

Zu den wichtigsten Charakteristika der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehört ihre Art und Größenordnung der Gesamtporosität, d. h. Volumen, Größe und Streuung sowie Verteilung der Poren. Weil in das poröse Hohlraumsystem des keramischen Körpers erwünschte Mengen von Wirkstoffen eingelagert werden sollen, sind die vorgenannten Parameter für die Wirkstofffreigabe von entscheidender Bedeutung. Der Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung besteht in der Nutzung ihres Porensystems als treibende und regulierende Kraft bei der Wirkstofffreisetzung. Dies ermöglicht eine weitgehende Abkopplung der Wirkstofffreigabe vom Wasserhaushalt der Pflanze.

Als Ausgangsmaterialien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Tonminerale Al&sub2;O&sub3; × 2 SiO&sub2; × 2 H&sub2;O bis Al&sub2;O&sub3; × 4 SiO&sub2; × H&sub2;O verwendet werden. Hierzu seien beispielsweise Kaoline (Kaolinite, Allophane, Halloysite), Illite (Glaukonit), Smektite (Montmorillonit, Nontronit, Beidellit) und Vermiculite genannt, wobei sie in der Regel in der Mischung vorliegen. Die angeführten Tone sind dadurch charakterisiert, daß sie in feuchtem Zustand quellen und plastisch verformbar werden, jedoch nach dem Trocknen ihre Form beibehalten und während des Brennens bei einer Temperatur zwischen 800°C und 2000°C, bevorzugt zwischen 1000 und 1200°C, unter Entstehung geblähter Poren erhärten. Als besonders geeignet werden hierzu Kaolinite, Illite und Halloysite vorgeschlagen, die üblicherweise als keramische Werkstoffe in verschiedenen Anwendungsbereichen Verwendung finden.

Werden bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Tone (Gemenge verschiedener Minerale) verwendet, so muß ihre mineralische Zusammensetzung sowie der Kornaufbau bekannt sein, da diese Parameter die Eigenschaften und insbesondere den Porenanteil des keramischen Formkörpers bestimmen.

Es kann sich bei der Vorrichtung aber auch um keramische, porenhaltige Formkörper handeln, die, ähnlich wie bei Gasbeton, aus hydraulisch abbindbaren mineralischen Grundstoffen bestehen, und deren Porenanteil durch eine steuerbare Reaktion chemischer Komponenten hergestellt ist.

Um die Porenstruktur zu beeinflussen, stehen dem Fachmann folgende Möglichkeiten zur Verfügung:

Auswahl der Tonmineralien, Variation der Primärteilchengröße, Zusatz von Hilfsstoffen und Veränderung der Bedingungen (Temperatur und Zeit) des Herstellungsverfahrens, sei es durch einen thermischen oder durch einen reaktiven Prozeß.

Erfindungsgemäß werden die Ausgangsmaterialien so gewählt, daß die aus ihnen hergestellte implantierbare Vorrichtung ein offenporiges Gefüge mit einem Porenvolumen von etwa 70 bis 95%, insbesondere 80%, besitzt. Das Porengrößenspektrum der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist relativ breit und umfaßt Werte von 0,05 bis 5,0 µm. Als bevorzugte Porenbreite ist dabei der Bereich zwischen 0,1 und 2,0 µm zu nennen.

Werden Tonminerale gleicher Primärteilchengröße verwendet, so erreicht man in der Regel ein relativ homogenes Porenspektrum (geringe Porengrößensteuerung). Die Korngröße der verwendeten Materialien kann durch Sieben und durch Sedimentation in Wasser ermittelt werden. Als bevorzugte Teilchengröße ist der Bereich ≤ 2 µm zu nennen. Durch Variation der Teilchengröße kann eine Steuerung der Porosität vorgenommen werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Porosität der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu variieren, bietet der Einsatz verschiedener Zusatzstoffe bei ihrer Herstellung. Bekanntermaßen kommt es bei der Herstellung von keramischen Erzeugnissen zu einer durch den Wasserentzug verursachten Volumenverringerung. Um der möglichen Abnahme des Porenraumes entgegenzuwirken, werden sogenannte Magerungsmittel eingesetzt. Durch Zusatz dieser Stoffe wird erreicht, daß das abgegebene Wasser durch Luftporen ersetzt wird. Als geeignete Ergänzungsmittel seien hier beispielsweise Kieselsäure (in Form von Quarz oder Quarzit) oder gemahlene Schamotte genannt. Die Verwendung von Magerungsmitteln fördert gleichzeitig die mechanische Festigkeit des Endproduktes.

Weitere produktverbessernde Zusatzstoffe, die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden können, sind Porosierungsmittel. Hierzu gehören organische Faserstoffe wie Papierschlamm und Sägemehl oder andere brennbare Materialien wie Braunkohle, Kalkstein und geschäumtes Polystyrol. Sie werden in die Rohstoffmasse eingearbeitet und anschließend während des Sinterprozesses unter Vergasung ausgebrannt.

Als eine Möglichkeit der Porositätssteuerung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung seien zuletzt thermische Bedingungen ihrer Herstellung, insbesondere die der Brandführung, erwähnt. Mit der Steigerung der Brenntemperatur läuft bekanntermaßen eine Abnahme der Porosität und Zunahme mechanischer Eigenschaften der keramischen Produkte einher. Der Fachmann kann somit die Feuerführung während der einzelnen Brennstadien so abstimmen, daß die geforderten Porositätseigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden. Als bevorzugte Brandtemperatur ist hierzu der Bereich 950 bis 1050 bzw. 1000 bis 1200°C zu nennen.

Zur Beladung mit dem Wirkstoff wird die erfindungsgemäße Vorrichtung (poröser Formkörper) mit einer wäßrigen Wirkstofflösung getränkt. Durch die Konzentration des Wirkstoffes in der Lösung kann der Gehalt des Wirkstoffes in der Vorrichtung gesteuert werden. Gegebenenfalls kann das Tränken mit dem Wirkstoff auch mehrmals durchgeführt werden, um höhere Gehalte an Wirkstoff zu erzielen. Erfindungsgemäß können 1 bis 20 Gew.-% Wirkstoff in die Vorrichtung eingelagert werden, wobei die Wirkstoffe alleine oder in Mischung miteinander vorliegen können.

Als Wirkstoffe können im Prinzip alle Stoffe verwendet werden, mit denen Vorgänge im pflanzlichen oder tierischen Organismus beeinflußt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt Pflanzenschutzmittel wie Fungizide und Insektizide eingesetzt.

Erläuternde, jedoch nicht beschränkende Beispiele von Wirkstoffen, die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Pflanzen abgegeben werden können, sind

  • - Fungizide, z. B. Benomyl, Bromuconazol, Bitertanol, Etaconazol, Flusilazol, Furalaxyl, Fosetyl-Al, Imazalil, Metalaxyl, Penconazol, Propiconazol, Thiabendazol, Triadimefon, Triadimenol oder Triforine
  • - Insektizide, z. B. Buthocarboxim, Dimethoat, Fenoxycarb, Methamyl, Oxamyl, Oxydemteton-methyl, Pirimicarb oder Propoxur.
  • - Düngemittel, z. B. Superphosphat, Thomasphosphat.


Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können als Formstücke verschiedener Geometrie gewonnen werden. Als besonders bevorzugt sind zylindrische, stäbchen- und kugelförmige Teilstücke zu nennen. Zweckmäßigerweise sind sie so bemessen, daß sie sich manuell leicht handhaben lassen. Im allgemeinen beträgt die Teilchengröße 2,0 bis 100 mm, bevorzugt 5,0 bis 50 mm.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Implantates ist eine Vorrichtung, bei der ein oder mehrere keramische Formteile auf einer starren Platte befestigt sind. Die Platte besteht aus einem mechanisch widerstandsfähigen, pflanzengewebesympathischen Material. Besonders geeignet hierzu ist Holz. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß die Platte, indem sie den Hohlraum in der Pflanze verschließt, eine Schutzabdeckung bildet und die unerwünschte Möglichkeit eines Wirkstoffaustritts eliminiert oder zumindest minimiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in die Sproßachse der Pflanze implantiert, indem sie in zuvor geschaffene Hohlräume (beispielsweise Bohrlöcher) eingesetzt wird. Besonders geeignet ist die Vorrichtung zum Einsatz bei Pflanzen mit verholzten Trieben (Sträucher und Bäume).

Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels erläutert:

Beispiel 1

In 500 g einer aus gleichen Gewichtsteilen von Witterschlicker Blauton 38/40 und Satzveyer Blauton bestehend Tonmischung mit einem Wassergehalt von 15% und folgendem Korngrößenaufbau

Korngröße ∅ in µm Gew.-% > 63 2,0 63-20 1,7 20-6,3 1,7 6,3-2,0 7,2 < 2,0 88,4


wurden 25 g zuvor in Wasser gequollener Sägespäne mechanisch eingearbeitet (unterrührt). Danach wurde der Feuchtigkeitsgehalt der so erhaltenen Masse unter Zugabe von Wasser auf 40 Gew.-% erhöht.

Die so hergestellte plastische Masse wurde in einem Extruder zuerst zu einer "Nudelware" verarbeitet, die anschließend in zylindrische Formteile (6 cm × 2 cm × 1 cm) geschnitten wurde. Die so erhaltenen Rohlinge wurden in einem Trockenschrank bei 30°C über einen Zeitraum von 24 Stunden getrocknet. Anschließend wurde das Trockengut in einem elektrisch beheizten Ofen (Fa. Naber-Therm) unter kontinuierlichem Temperaturanstieg gebrannt. Die Verweilzeit der Formlinge im Hauptbrenntemperaturbereich (950°C) betrug dabei 1,5 Stunden. Nach dem Abkühlen der Formteile wurden ihre endgültigen Dimensionen (5,1 cm × 1,7 cm × 0,85 cm) und Gesamtporosität (60%) ermittelt.

Zur Beladung mit dem Wirkstoff wurden sie in einer 10% Al- Fosetyl-Lösung getränkt. Die anhand der Gewichtsveränderung der Vorrichtung und Wirkstofflösungskonzentration ermittelte in das Porensystem eingelagerte Wirkstoffmenge betrug 0,2 g/Vorrichtung.

Durch die Erfindung steht eine sehr einfache, leicht zu handhabende und preiswerte Wirkstoffabgabevorrichtung zur Verfügung, die insbesondere innerhalb der Städte, wo chemische Baumbehandlung problematisch ist, eine wertvolle Alternative zu konventionellen Techniken darstellt.


Anspruch[de]
  1. 1. Implantierbare Vorrichtung zur Abgabe von Wirkstoffen an Pflanzen, wobei diese ein von Poren durchsetzter keramischer Formkörper ist, in dem der Wirkstoff in offenen Poren verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Porenvolumen zum Zeitpunkt der Implantation so bemessen ist, daß es die gesamte abzugebende Wirkstoffmenge enthält, wobei die Art der Gesamtporosität, deren Volumen, Größe und Streuung sowie Verteilung der Poren in vorgegebenen Grenzen festlegbar ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Formkörper aus bei Temperaturen zwischen 800°C und 2000°C, bevorzugt zwischen 1000 und 1200°C, gebrannten, mineralischen Grundstoffen besteht, wobei die Werkstoffe aus folgenden Gruppen der Tonminerale ausgewählt sind:

    Kaoline (Kaolinite, Allophane, Halloysite), Illite (Glaukonit), Smektite (Montmorillonit, Nontronit, Beidellit), Chlorite und Vermiculite.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Formkörper aus hydraulisch abbindenden mineralischen Grundstoffen ist, die ein bevorzugt durch chemische Reaktion hervorgerufenes Porenvolumen aufweisen.
  4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu ihrer Herstellung neben den Tonmineralien die Porenbildung steuernde Zusatzstoffe verwendet werden, die beispielsweise aus der Gruppe bestehend aus Sägemehl, Papierschlamm, Braunkohle, geschäumtem Polystyrol, Kalkstein und Kreidemehl ausgewählt sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abzugebende Wirkstoff in Form einer wäßrigen Lösung oder Dispersion in deren Poren in einer solchen Verteilung vorliegt, daß er während des Implantationszeitraumes möglichst gleichmäßig an die Pflanze abgegeben wird.
  6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkstoffabgaberate durch Porengröße und Porenverteilung der offenen Poren bestimmt wird.
  7. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmineralien so gewählt und die Herstellung des Formkörpers so gesteuert sind, daß der aus ihnen hergestellte Formkörper ein offenporiges Gefüge mit einem Porenvolumen von etwa 70 bis 95%, bevorzugt 80%, besitzt und das Spektrum der Porengröße Werte von 0,05 bis 5,0 µm, bevorzugt zwischen 0,1 und 2,0 µm aufweist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die enthaltenen Wirkstoffe systemisch oder lokalsystemisch wirkende Pflanzenschutzmittel, Pflanzenstärkungsmittel, Wachstumsregulatoren, Nährstoffe oder andere Mittel zur Steuerung biologischer Prozesse sind.
  9. 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer Schutzabdeckung in Form einer Platte so verbunden ist, daß die Abdeckung den Hohlraum in der Pflanze verschließt.
  10. 10. Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche zum Implantieren in zuvor geschaffene Hohlräume der Sproßachsen von Pflanzen.
  11. 11. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein poröser keramischer Formkörper hergestellt und in diesen der in einer fließfähigen Form vorliegende Wirkstoff mittels Tränken eingebracht wird.






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