معالجة الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية للمستحضرات الصيدلانية

تؤدي أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار دورًا حاسمًا في الأبحاث الصيدلانية والتصنيع الصيدلاني، إذ توفر وسيلة قوية وقابلة للتحكم لتصغير حجم الجسيمات وتفكيك الخلايا والتجنيس. تستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية لتوليد التجويف، مما يؤدي إلى تكوّن فقاعات مجهرية وانهيارها. وتولد هذه الظاهرة قوى قص شديدة وموجات صدمية، فتفتت الجسيمات أو تفكك الخلايا بفعالية.

فيما يلي بعض الجوانب الرئيسية لاستخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار في التطبيقات الصيدلانية:

• تصغير حجم الجسيمات: تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات المسبار لتصغير حجم جسيمات المكونات الصيدلانية الفعالة (APIs) أو المركبات الأخرى. ويُعد صغر حجم الجسيمات وتجانسه أمرًا حيويًا لتعزيز التوافر الحيوي ومعدلات الذوبان والفعالية الإجمالية للتركيبات الصيدلانية.
• تفكيك الخلايا: في الأبحاث الصيدلانية الحيوية، تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات المسبار لتفكيك الخلايا وتحرير المكونات الموجودة داخلها. ويكتسب ذلك أهمية خاصة لاستخلاص البروتينات والإنزيمات والجزيئات الحيوية الأخرى من الخلايا الميكروبية أو خلايا الثدييات المستزرعة.
• التجنيس: يُعد تجنيس التركيبات الصيدلانية ضروريًا لضمان التوزيع المنتظم للمكونات. وتساعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات المسبار على تحقيق التجانس من خلال تفكيك التكتلات وتشتيت المكونات بالتساوي.
• تكوين المستحلبات النانوية والجسيمات الشحمية: تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لإنشاء مستحلبات نانوية وجسيمات شحمية مستقرة في التركيبات الصيدلانية. وتُستخدم أنظمة التوصيل النانوية هذه لتوصيل الأدوية بهدف تعزيز الذوبانية والتوافر الحيوي.
• مراقبة الجودة وتحسين العمليات: تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة قيّمة لمراقبة الجودة في التصنيع الصيدلاني. وهي تساعد على تحسين العمليات من خلال ضمان اتساق توزيع أحجام الجسيمات والتجانس، مما يسهم في قابلية تكرار النتائج من دفعة إلى أخرى.
• صياغة الأدوية وتطويرها: أثناء صياغة الأدوية وتطويرها، تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات المسبار لتحضير معلقات أو مستحلبات أو مشتتات مستقرة. ويُعد ذلك بالغ الأهمية لتصميم منتجات صيدلانية ذات خصائص فيزيائية وكيميائية مرغوبة.

المواد النانوية في المستحضرات الصيدلانية

تؤدي تقنيات الموجات فوق الصوتية دورًا محوريًا في تحضير المواد النانوية ومعالجتها وإضافة مجموعات وظيفية إليها في الأبحاث الصيدلانية والتصنيع الصيدلاني. وتسهم التأثيرات الشديدة للموجات فوق الصوتية عالية القدرة، بما فيها التجويف الصوتي، في تفكيك التكتلات وتشتيت الجسيمات واستحلاب القطرات النانوية. وتوفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من Hielscher حلًا موثوقًا وفعالًا يلبي المعايير الصيدلانية، ويضمن إنتاجًا آمنًا ويسهّل توسيع نطاق الإنتاج دون بذل جهود إضافية للتحسين.

معالجة المواد النانوية

أحدثت المواد النانوية، ولا سيما الجسيمات النانوية، ثورة في توصيل الأدوية في المجال الصيدلاني، إذ توفر طريقة مثبتة لإعطاء المواد الفعالة عن طريق الفم أو الحقن. وتعزز هذه التقنية كفاءة تحديد جرعات الأدوية وتوصيلها، وتفتح آفاقًا جديدة للعلاجات الطبية. وتُعد القدرة على توصيل الأدوية أو الحرارة أو المواد الفعالة الأخرى مباشرة إلى خلايا محددة، ولا سيما الخلايا المريضة، تقدمًا كبيرًا.

في علاج السرطان، أظهرت الأدوية ذات التركيبات النانوية نتائج واعدة، مستفيدة من ميزة الجسيمات النانوية لتوصيل جرعات دوائية مرتفعة مباشرة إلى الخلايا الورمية، مما يزيد التأثيرات العلاجية إلى أقصى حد مع تقليل الآثار الجانبية على الأعضاء الأخرى. ويتيح الحجم النانوي لهذه الجسيمات المرور عبر الجدران والأغشية الخلوية، وتحرير المواد الفعالة بدقة عند الخلايا المستهدفة.

تطرح معالجة المواد النانوية، التي تُعرَّف بأنها جسيمات ذات أبعاد أقل من 100nm، تحديات تتطلب جهودًا أكبر. ويبرز التجويف بالموجات فوق الصوتية بوصفه تقنية راسخة لتفكيك تكتلات المواد النانوية وتشتيتها. وتتميز الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)، ولا سيما الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs) والأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs)، بخصائص فريدة، إذ توفر حجمًا داخليًا كبيرًا لتغليف جزيئات الأدوية وأسطحًا مميزة لإضافة مجموعات وظيفية إليها.
 

إنتاج SWCNTs بالكيمياء الصوتية. عولج مسحوق السيليكا في محلول من مزيج الفيروسين والزيلين بالموجات فوق الصوتية لمدة 20 min. في درجة حرارة الغرفة وتحت الضغط المحيط. وتنتج المعالجة بالموجات فوق الصوتية SWCNTS عالية النقاء على سطح مسحوق السيليكا. (Jeong et al. 2004)

تؤدي الأنابيب النانوية الكربونية المضاف إليها مجموعات وظيفية (f-CNTs) دورًا حاسمًا في تعزيز الذوبانية وإتاحة استهداف الأورام بكفاءة وتجنب السمية الخلوية. وتسهّل تقنيات الموجات فوق الصوتية إنتاجها وإضافة مجموعات وظيفية إليها، مثل طريقة الكيمياء الصوتية لإنتاج SWCNTs عالية النقاء. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تُستخدم f-CNTs بوصفها أنظمة لتوصيل اللقاحات، من خلال ربط المستضدات بالأنابيب النانوية الكربونية لتحفيز استجابات نوعية للأجسام المضادة.
تتميز الجسيمات النانوية الخزفية المشتقة من السيليكا أو ثاني أكسيد التيتانيوم أو الألومينا بأسطح مسامية، مما يجعلها حوامل مثالية للأدوية. ويوفر تخليق الجسيمات النانوية وترسيبها بالموجات فوق الصوتية، باستخدام الكيمياء الصوتية، نهجًا من الأسفل إلى الأعلى لتحضير مركبات نانوية الحجم. وتعزز العملية انتقال الكتلة، مما يؤدي إلى أحجام جسيمات أصغر ودرجة أعلى من التجانس

تخليق الجسيمات النانوية وترسيبها بالموجات فوق الصوتية

تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية دورًا حيويًا في إضافة مجموعات وظيفية إلى الجسيمات النانوية. وتفكك هذه التقنية بكفاءة الطبقات الحدية المحيطة بالجسيمات، مما يسمح بوصول مجموعات وظيفية جديدة إلى سطح الجسيم. فعلى سبيل المثال، تتداخل إضافة مجموعات وظيفية إلى الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) باستخدام شظايا PL-PEG بالموجات فوق الصوتية مع الالتقاط الخلوي غير النوعي، مع تعزيز الالتقاط الخلوي النوعي للتطبيقات المستهدفة.

للحصول على جسيمات نانوية ذات خصائص ووظائف محددة، يجب تعديل سطح الجسيمات. ويمكن إضافة مجموعات وظيفية بنجاح إلى أنظمة نانوية متنوعة، مثل الجسيمات النانوية البوليمرية والجسيمات الشحمية والجزيئات المتغصنة والأنابيب النانوية الكربونية والنقاط الكمومية وغيرها، لاستخدامها بكفاءة في الصيدلانيات.

مثال عملي على إضافة مجموعات وظيفية إلى الجسيمات بالموجات فوق الصوتية:

إضافة مجموعات وظيفية إلى SWCNTs بواسطة PL-PEG بالموجات فوق الصوتية: أظهر Zeineldin et al. (2009) أن تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWNTs) بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام الفوسفوليبيد–بولي إيثيلين غليكول (PL-PEG) يؤدي إلى تجزئة PL-PEG، مما يتداخل مع قدرته على منع الالتقاط غير النوعي بواسطة الخلايا. ومع ذلك، يعزز PL-PEG غير المجزأ الالتقاط الخلوي النوعي لأنابيب SWNTs المستهدفة لفئتين متميزتين من المستقبلات التي تُعبِّر عنها الخلايا السرطانية. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في وجود PL-PEG طريقة شائعة لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية أو إضافة مجموعات وظيفية إليها، وتُعد سلامة PEG مهمة لتعزيز الالتقاط الخلوي النوعي للأنابيب النانوية المضاف إليها ربيطات بوصفها مجموعات وظيفية. ونظرًا إلى أن التجزئة نتيجة محتملة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، وهي تقنية شائعة لتشتيت SWNTs، فقد يشكل ذلك مصدر قلق لبعض التطبيقات مثل توصيل الأدوية.
 

تشتيت SWCNTs بالموجات فوق الصوتية باستخدام PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

تكوين الجسيمات الشحمية بالموجات فوق الصوتية

من التطبيقات الناجحة الأخرى للموجات فوق الصوتية تحضير الجسيمات الشحمية والجسيمات الشحمية النانوية. وتؤدي أنظمة توصيل الأدوية والجينات القائمة على الجسيمات الشحمية دورًا مهمًا في علاجات متعددة، وكذلك في مستحضرات التجميل والتغذية. وتُعد الجسيمات الشحمية حوامل جيدة، إذ يمكن وضع المواد الفعالة القابلة للذوبان في الماء داخل مركزها المائي، أو في الطبقة الدهنية إذا كانت المادة قابلة للذوبان في الدهون. ويمكن تكوين الجسيمات الشحمية باستخدام الموجات فوق الصوتية. وتتكون المادة الأساسية لتحضير الجسيمات الشحمية من جزيئات مزدوجة الألفة مشتقة من دهون الأغشية الحيوية أو قائمة عليها. ولتكوين حويصلات صغيرة أحادية الطبقة (SUV)، يُعالَج المشتت الدهني بالموجات فوق الصوتية بلطف – مثلًا باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية المحمول باليد UP50H (50W, 30kHz)، أو VialTweeter، أو البوق الكأسي فوق الصوتي. وتستغرق هذه المعالجة بالموجات فوق الصوتية نحو 5 – 15 دقيقة. وثمة طريقة أخرى لإنتاج حويصلات صغيرة أحادية الطبقة، وهي معالجة الجسيمات الشحمية ذات الحويصلات متعددة الطبقات بالموجات فوق الصوتية.
يشير Dinu-Pirvu et al. (2010) إلى الحصول على ترانسفرسومات من خلال معالجة MLVs بالموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة.
توفر Hielscher Ultrasonics أجهزة متنوعة تعمل بالموجات فوق الصوتية، وسونوترودات وملحقات لتلبية متطلبات جميع أنواع العمليات.
اقرأ المزيد عن مستخلص Aloe vera المستخلص والمغلَّف بالموجات فوق الصوتية!

تغليف المواد داخل الجسيمات الشحمية بالموجات فوق الصوتية

تعمل الجسيمات الشحمية بوصفها حوامل للمواد الفعالة. وتُعد الموجات فوق الصوتية أداة فعالة لتحضير الجسيمات الشحمية وتكوينها لاحتجاز المواد الفعالة. وقبل التغليف، تميل الجسيمات الشحمية إلى تكوين تجمعات بسبب التآثر بين الشحنات السطحية للرؤوس القطبية للفوسفوليبيدات (Míckova et al. 2008)، كما يجب فتحها. فعلى سبيل المثال، يصف Zhu et al. (2003) تغليف مسحوق البيوتين داخل الجسيمات الشحمية بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية. وبعد إضافة مسحوق البيوتين إلى محلول معلق الحويصلات، عولج المحلول بالموجات فوق الصوتية لمدة نحو 1 ساعة. وبعد هذه المعالجة، احتُجز البيوتين داخل الجسيمات الشحمية.

المستحلبات الشحمية

لتعزيز التأثير المغذي لكريمات الترطيب أو مكافحة الشيخوخة، والمستحضرات السائلة والهلامية وغيرها من التركيبات التجميلية العلاجية، تُضاف عوامل استحلاب إلى مشتتات الجسيمات الشحمية لتثبيت كميات أكبر من الدهون. لكن الأبحاث أظهرت أن قدرة الجسيمات الشحمية محدودة عمومًا. ومع إضافة عوامل الاستحلاب، يظهر هذا التأثير في وقت أبكر، وتؤدي عوامل الاستحلاب الإضافية إلى إضعاف ألفة الفوسفاتيديل كولين للحاجز. وتُعد الجسيمات النانوية – المكونة من الفوسفاتيديل كولين والدهون – حلًا لهذه المشكلة. وتتكون هذه الجسيمات النانوية من قطرة زيت تغطيها طبقة أحادية من الفوسفاتيديل كولين. ويتيح استخدام الجسيمات النانوية الحصول على تركيبات قادرة على استيعاب مزيد من الدهون والحفاظ على استقرارها، بحيث لا تكون هناك حاجة إلى عوامل استحلاب إضافية.
تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة مثبتة لإنتاج المستحلبات النانوية والمشتتات النانوية. وتوفر الموجات فوق الصوتية شديدة الكثافة القدرة اللازمة لتشتيت طور سائل (الطور المشتت) على هيئة قطرات صغيرة في طور ثانٍ (الطور المستمر). وفي منطقة التشتيت، تتسبب فقاعات التجويف المنهارة في موجات صدمية شديدة في السائل المحيط، وتؤدي إلى تكوّن نفاثات سائلة ذات سرعة عالية. ولتثبيت قطرات الطور المشتت المتكونة حديثًا ومنع اندماجها، تُضاف عوامل استحلاب (مواد فعالة سطحيًا، مواد خافضة للتوتر السطحي) ومثبتات إلى المستحلب. ونظرًا إلى أن اندماج القطرات بعد تفتيتها يؤثر في التوزيع النهائي لأحجام القطرات، تُستخدم عوامل استحلاب ذات كفاءة عالية في التثبيت للحفاظ على التوزيع النهائي لأحجام القطرات عند مستوى يساوي التوزيع الموجود مباشرة بعد تفتيت القطرات في منطقة التشتيت بالموجات فوق الصوتية.

مشتتات الجسيمات الشحمية

تفتقر مشتتات الجسيمات الشحمية القائمة على phosphatidylchlorine غير المشبع إلى الثبات تجاه الأكسدة. ويمكن تثبيت المشتت باستخدام مضادات الأكسدة، مثل مركب من الفيتامينين C وE.
حقق Ortan et al. (2002) نتائج جيدة في دراستهم المتعلقة بتحضير زيت Anethum graveolens العطري داخل الجسيمات الشحمية بالموجات فوق الصوتية. وبعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تراوحت أبعاد الجسيمات الشحمية بين 70–150 nm، ولحويصلات MLV بين 230–475 nm؛ وظلت هذه القيم ثابتة تقريبًا بعد 2 شهر أيضًا، لكنها ازدادت بعد 12 شهرًا، ولا سيما في مشتت SUV (انظر المدرجات التكرارية أدناه). كما أظهر قياس الثبات، فيما يتعلق بفقد الزيت العطري وتوزيع الأحجام، أن مشتتات الجسيمات الشحمية حافظت على محتوى الزيت الطيار. ويشير ذلك إلى أن احتجاز الزيت العطري داخل الجسيمات الشحمية زاد ثبات الزيت.
 

ثبات مشتتات MLV وSUV بعد 1 سنة. حُفظت التركيبات الشحمية عند 4±1 ºC.
(الدراسة والرسم: ©Ortan et al., 2009):

 
انقر هنا لقراءة المزيد عن تحضير الجسيمات الشحمية بالموجات فوق الصوتية!

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء للأبحاث الصيدلانية والتصنيع الصيدلاني

تُعد Hielscher Ultrasonics موردك الرائد لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الجودة والأداء لأبحاث المستحضرات الصيدلانية وتصنيعها. وتتيح الأجهزة التي تتراوح قدرتها من 50 واط إلى 16,000 واط اختيار المعالج بالموجات فوق الصوتية المناسب لكل حجم وكل عملية. وبفضل أدائها العالي وموثوقيتها ومتانتها وسهولة تشغيلها، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية أساسية لتحضير المواد النانوية ومعالجتها. وتضمن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher، المزودة بنظامي CIP (التنظيف في المكان) وSIP (التعقيم في المكان)، إنتاجًا آمنًا وفعالًا وفقًا للمعايير الصيدلانية. ويمكن بسهولة اختبار جميع العمليات المحددة التي تستخدم الموجات فوق الصوتية على النطاق المخبري أو نطاق الأجهزة المكتبية. وتتميز نتائج هذه التجارب بقابلية تكرار كاملة، بحيث يكون توسيع النطاق اللاحق خطيًا ويمكن تنفيذه بسهولة دون جهود إضافية تتعلق بتحسين العملية.

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher: التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات ذات المتطلبات العالية.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.

يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

الأدبيات/المراجع

• Casiraghi A., Gentile A., Selmin F., Gennari C.G.M., Casagni E., Roda G., Pallotti G., Rovellini P., Minghetti P. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Cannabinoids from Cannabis Sativa for Medicinal Purpose. Pharmaceutics. 14(12), 2022.
• Joanna Kopecka, Giuseppina Salzano, Ivana Campia, Sara Lusa, Dario Ghigo, Giuseppe De Rosa, Chiara Riganti (2013): Insights in the chemical components of liposomes responsible for P-glycoprotein inhibition. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2013.
• Gielen, B.; Jordens, J.; Thomassen, L.C.J.; Braeken, L.; Van Gerven, T. (2017): Agglomeration Control during Ultrasonic Crystallization of an Active Pharmaceutical Ingredient. Crystals 7, 40; 2017.
• Dinu-Pirvu, Cristina; Hlevca, Cristina; Ortan, Alina; Prisada, Razvan (2010): Elastic vesicles as drugs carriers though the skin. In: Farmacia Vol.58, 2/2010. Bucharest.
• Giricz Z., Varga Z.V., Koncsos G., Nagy C.T., Görbe A., Mentzer R.M. Jr, Gottlieb R.A., Ferdinandy P. (2017): Autophagosome formation is required for cardioprotection by chloramphenicol. Life Science Oct 2017. 11-16.
• Jeong, Soo-Hwan; Ko, Ju-Hye; Park, Jing-Bong; Park, Wanjun (2004): A Sonochemical Route to Single-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions. In: Journal of American Chemical Society 126/2004; pp. 15982-15983.
• Srinivasan, C. (2005) A ‘SOUND’ method for synthesis of single-walled carbon nanotubes under ambient conditions. In: Current Science, Vol.88, No.1, 2005. pp. 12-13.
• Bordes, C.; Bolzinger, M.-A.; El Achak, M.; Pirot, F.; Arquier, D.; Agusti, G.; Chevalier, Y. (2021): Formulation of Pickering emulsions for the development of surfactant-free sunscreen creams. International Journal of Cosmetic Science 43, 2021. 432-445.
• Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.

 

الموجات فوق الصوتية تقنية مبتكرة تُستخدم بنجاح في التخليق بالكيمياء الصوتية وتفكيك التكتلات والتشتيت والاستحلاب وإضافة مجموعات وظيفية إلى الجسيمات وتنشيطها. وفي تقنية النانو على وجه الخصوص، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية أساسية لأغراض تخليق المواد النانوية الحجم ومعالجتها. وبما أن تقنية النانو اكتسبت هذا الاهتمام العلمي البارز، تُستخدم الجسيمات النانوية الحجم في عدد كبير للغاية من المجالات العلمية والصناعية. وقد اكتشفت الصناعة الصيدلانية أيضًا الإمكانات الكبيرة لهذه المادة المرنة والمتنوعة. وبناءً على ذلك، تدخل الجسيمات النانوية في تطبيقات وظيفية متنوعة في الصناعة الصيدلانية، تشمل:

• توصيل الأدوية (حامل)
• منتجات التشخيص
• تعبئة المنتجات وتغليفها
• اكتشاف المؤشرات الحيوية