Ultrazvučna obrada nanočestica za farmaceutske proizvode

Sonikatori sa sondom imaju ključnu ulogu u farmaceutskim istraživanjima i proizvodnji jer pružaju snažno i kontrolirano sredstvo za smanjenje veličine čestica, razgradnju ćelija i homogenizaciju. Sonikatori koriste ultrazvučne valove za stvaranje kavitacije, što dovodi do nastanka i kolapsa mikroskopskih mjehurića. Ta pojava stvara intenzivne smične sile i udarne valove koji učinkovito razbijaju čestice ili razgrađuju ćelije.

Evo nekoliko ključnih aspekata primjene sonikatora sa sondom u farmaceutskim aplikacijama:

• Smanjenje veličine čestica: Sonikatori sa sondom koriste se za smanjenje veličine čestica aktivnih farmaceutskih sastojaka (API) ili drugih spojeva. Mala i ujednačena veličina čestica ključna je za poboljšanje bioraspoloživosti, brzine otapanja i ukupne djelotvornosti farmaceutskih formulacija.
• Razgradnja ćelija: U biofarmaceutskim istraživanjima sonikatori sa sondom koriste se za razgradnju ćelija radi oslobađanja unutarćelijskih komponenti. To je posebno važno za ekstrakciju proteina, enzima i drugih biomolekula iz mikrobnih ćelija ili kultiviranih ćelija sisavaca.
• Homogenizacija: Homogenizacija farmaceutskih formulacija ključna je za osiguravanje ujednačene raspodjele sastojaka. Sonikatori sa sondom pomažu u postizanju homogenosti razbijanjem aglomerata i ravnomjernim dispergiranjem komponenti.
• Stvaranje nanoemulzija i liposoma: Ultrazvučna obrada (sonikacija) koristi se za stvaranje stabilnih nanoemulzija i liposoma u farmaceutskim formulacijama. Ovi sistemi za isporuku nanometarskih dimenzija koriste se za isporuku lijekova radi poboljšanja topljivosti i bioraspoloživosti.
• Kontrola kvaliteta i optimizacija procesa: Ultrazvučna obrada (sonikacija) vrijedan je alat za kontrolu kvaliteta u farmaceutskoj proizvodnji. Pomaže u optimizaciji procesa osiguravanjem dosljedne raspodjele veličine čestica i homogenosti, čime doprinosi reproducibilnosti od serije do serije.
• Formulacija i razvoj lijekova: Tokom formulacije i razvoja lijekova sonikatori sa sondom koriste se za pripremu stabilnih suspenzija, emulzija ili disperzija. To je presudno za projektiranje farmaceutskih proizvoda sa željenim fizičkim i hemijskim svojstvima.

Nanomaterijali u farmaceutskim proizvodima

Ultrazvučne tehnologije imaju ključnu ulogu u pripremi, obradi i funkcionalizaciji nanomaterijala u farmaceutskim istraživanjima i proizvodnji. Intenzivni učinci ultrazvuka velike snage, uključujući akustičnu kavitaciju, doprinose razbijanju aglomerata, dispergiranju čestica i emulgiranju nanokapljica. Hielscher visokoučinkoviti sonikatori pružaju pouzdano i učinkovito rješenje za farmaceutske standarde, osiguravaju sigurnu proizvodnju i olakšavaju povećanje razmjera bez dodatnih napora na optimizaciji.

Obrada nanomaterijala

Nanomaterijali, a naročito nanočestice, revolucionirali su isporuku lijekova u farmaciji i nude dokazanu metodu za primjenu aktivnih tvari oralno ili injekcijom. Ova tehnologija povećava učinkovitost doziranja i isporuke lijekova te otvara nove mogućnosti medicinskih tretmana. Mogućnost isporuke lijekova, topline ili drugih aktivnih tvari direktno u određene ćelije, naročito u oboljele ćelije, predstavlja značajan napredak.

U terapiji raka nanoformulirani lijekovi pokazali su obećavajuće rezultate, koristeći prednost nanometarskih čestica za isporuku visokih doza lijeka direktno u tumorske ćelije, čime se maksimiziraju terapijski učinci, a minimiziraju nuspojave na druge organe. Nanometarska veličina omogućuje ovim česticama da prođu kroz ćelijske zidove i membrane te da oslobode aktivne tvari precizno u ciljnim ćelijama.

Obrada nanomaterijala, definiranih kao čestice dimenzija manjih od 100nm, predstavlja izazove koji zahtijevaju veće napore. Ultrazvučna kavitacija pokazuje se kao dobro uspostavljena tehnologija za deaglomeraciju i dispergiranje nanomaterijala. Ugljične nanocijevi (CNT), naročito višeslojne ugljične nanocijevi (MWCNT) i jednoslojne ugljične nanocijevi (SWCNT), pokazuju jedinstvena svojstva te nude veliki unutrašnji volumen za kapsuliranje molekula lijekova i izdvojene površine za funkcionalizaciju.

Sonohemijska proizvodnja SWCNTs. Silicijev dioksid u prahu u otopini smjese ferocena i ksilena ultrazvučno je obrađivan 20 min. na sobnoj temperaturi i pri atmosferskom tlaku. Ultrazvučna obrada (sonikacija) stvara visokočiste SWCNTS na površini praha silicijevog dioksida. (Jeong et al. 2004)

Funkcionalizirane ugljične nanocijevi (f-CNT) imaju ključnu ulogu u poboljšanju topljivosti, omogućavanju učinkovitog ciljanja tumora i izbjegavanju citotoksičnosti. Ultrazvučne tehnike olakšavaju njihovu proizvodnju i funkcionalizaciju, kao što je sonohemijska metoda za visokočiste SWCNT. Osim toga, f-CNT mogu poslužiti kao sistemi za isporuku vakcina, pri čemu se antigeni vezuju na ugljične nanocijevi radi izazivanja specifičnih odgovora antitijela.
Keramičke nanočestice dobivene od silicijevog dioksida, titanovog dioksida ili aluminijevog oksida imaju porozne površine, zbog čega su idealni nosači lijekova. Ultrazvučna sinteza i precipitacija nanočestica uz primjenu sonohemije pružaju pristup odozdo prema gore za pripremu spojeva nanometarskih dimenzija. Proces poboljšava prijenos mase, što rezultira manjim veličinama čestica i većom ujednačenošću

Ultrazvučna sinteza i precipitacija nanočestica

Ultrazvučna obrada (sonikacija) ima vitalnu ulogu u funkcionalizaciji nanočestica. Tehnika učinkovito razbija granične slojeve oko čestica, čime omogućava da nove funkcionalne grupe dosegnu površinu čestice. Na primjer, ultrazvučna funkcionalizacija jednoslojnih ugljičnih nanocijevi (SWCNT) fragmentima PL-PEG ometa nespecifično preuzimanje u ćelije, a istovremeno potiče specifično ćelijsko preuzimanje za ciljane primjene.

Da bi se dobile nanočestice sa specifičnim karakteristikama i funkcijama, površina čestica mora biti modificirana. Različiti nanosistemi, kao što su polimerne nanočestice, liposomi, dendrimeri, ugljične nanocijevi, kvantne tačke itd., mogu se uspješno funkcionalizirati za učinkovitu primjenu u farmaceutici.

Praktičan primjer ultrazvučne funkcionalizacije čestica:

Ultrazvučna funkcionalizacija SWCNT pomoću PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) pokazali su da dispergiranje jednoslojnih ugljičnih nanocijevi (SWNT) ultrazvučnom obradom s fosfolipid-polietilenglikolnim (PL-PEG) fragmentima fragmentira PL-PEG, čime se ometa njegova sposobnost blokiranja nespecifičnog preuzimanja u ćelije. Međutim, nefragmentirani PL-PEG potiče specifično ćelijsko preuzimanje ciljanih SWNT-ova putem dvije različite klase receptora koje eksprimiraju ćelije raka. Ultrazvučna obrada u prisutnosti PL-PEG uobičajena je metoda za dispergiranje ili funkcionalizaciju ugljičnih nanocijevi, a integritet PEG-a važan je za poticanje specifičnog ćelijskog preuzimanja nanocijevi funkcionaliziranih ligandom. Budući da je fragmentacija vjerovatna posljedica ultrazvučne obrade, tehnike koja se uobičajeno koristi za dispergiranje SWNT-ova, to bi mogao biti problem za određene primjene, kao što je isporuka lijekova.

Ultrazvučno dispergiranje SWCNT pomoću PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ultrazvučno stvaranje liposoma

Još jedna uspješna primjena ultrazvuka je priprema liposoma i nanoliposoma. Sistemi za isporuku lijekova i gena na bazi liposoma imaju značajnu ulogu u raznovrsnim terapijama, ali i u kozmetici i prehrani. Liposomi su dobri nosači, jer se aktivne tvari topljive u vodi mogu smjestiti u vodeni centar liposoma ili, ako je tvar topljiva u mastima, u lipidni sloj. Liposomi se mogu stvarati primjenom ultrazvuka. Osnovni materijal za pripremu liposoma su amfilne molekule dobivene iz bioloških membranskih lipida ili zasnovane na njima. Za stvaranje malih unilamelarnih vezikula (SUV) lipidna disperzija se blago ultrazvučno obrađuje – npr. pomoću ručnog ultrazvučnog uređaja UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter ili ultrazvučni cup-horn . Trajanje takve ultrazvučne obrade iznosi otprilike 5 – 15 minuta. Druga metoda za proizvodnju malih unilamelarnih vezikula je ultrazvučna obrada multilamelarnih vezikula, tj. liposoma.
Dinu-Pirvu et al. (2010) navode dobivanje transferosoma ultrazvučnom obradom MLV na sobnoj temperaturi.
Hielscher Ultrasonics nudi različite ultrazvučne uređaje, sonotrode i dodatnu opremu za ispunjavanje zahtjeva svih vrsta procesa.
Saznajte više o ultrazvučno ekstrahiranom i kapsuliranom ekstraktu aloe vere!

Ultrazvučno kapsuliranje aktivnih tvari u liposome

Liposomi djeluju kao nosači aktivnih tvari. Ultrazvuk je učinkovit alat za pripremu i oblikovanje liposoma radi zarobljavanja aktivnih tvari. Prije kapsuliranja liposomi imaju tendenciju stvaranja nakupina zbog međudjelovanja površinskih naboja polarnih glava fosfolipida (Míckova et al. 2008), a osim toga moraju se otvoriti. Na primjer, Zhu et al. (2003) opisuju kapsuliranje biotina u prahu u liposome ultrazvučnom obradom. Nakon što je biotin u prahu dodan u otopinu suspenzije vezikula, otopina je ultrazvučno obrađivana otprilike 1 sat. Nakon ove obrade biotin je bio zarobljen u liposomima.

Liposomalne emulzije

Za poboljšanje njegujućeg učinka hidratantnih ili anti-age krema, losiona, gelova i drugih kozmeceutskih formulacija, liposomalnim disperzijama dodaju se emulgatori kako bi se stabilizirale veće količine lipida. Ali istraživanja su pokazala da je sposobnost liposoma općenito ograničena. Dodavanjem emulgatora ovaj učinak će se pojaviti ranije, a dodatni emulgatori uzrokuju slabljenje afiniteta fosfatidilkolina prema barijeri. Nanočestice – sastavljene od fosfatidilkolina i lipida – odgovor su na ovaj problem. Te nanočestice čini kapljica ulja prekrivena monoslojem fosfatidilkolina. Upotreba nanočestica omogućuje formulacije koje mogu apsorbirati više lipida i ostati stabilne, tako da dodatni emulgatori nisu potrebni.
Ultrazvučna obrada (sonikacija) dokazana je metoda za proizvodnju nanoemulzija i nanodisperzija. Ultrazvuk visokog intenziteta daje snagu potrebnu za dispergiranje tečne faze (dispergirana faza) u sitne kapljice u drugoj fazi (kontinuirana faza). U zoni dispergiranja kavitacijski mjehurići koji implodiraju uzrokuju intenzivne udarne valove u okolnoj tečnosti i dovode do stvaranja tečnih mlazeva velike brzine. Da bi se tek nastale kapljice dispergirane faze stabilizirale protiv koalescencije, emulziji se dodaju emulgatori (površinski aktivne tvari, surfaktanti) i stabilizatori. Budući da koalescencija kapljica nakon razgradnje utječe na konačnu raspodjelu veličine kapljica, učinkovito stabilizirajući emulgatori koriste se kako bi se konačna raspodjela veličine kapljica održala na nivou koji je jednak raspodjeli neposredno nakon razgradnje kapljica u zoni ultrazvučnog dispergiranja.

Liposomalne disperzije

Liposomalnim disperzijama, koje se temelje na nezasićenom phosphatidylchlorine, nedostaje stabilnosti protiv oksidacije. Stabilizacija disperzije može se postići antioksidansima, kao što je kompleks vitamina C i E.
Ortan et al. (2002) postigli su dobre rezultate u svojoj studiji o ultrazvučnoj pripremi eteričnog ulja Anethum graveolens u liposomima. Nakon ultrazvučne obrade dimenzije liposoma bile su između 70-150 nm, a za MLV između 230-475 nm; te su vrijednosti bile približno konstantne i nakon 2 mjeseca, ali su se povećale nakon 12 mjeseci, naročito u SUV disperziji (vidi histograme ispod). Mjerenje stabilnosti, u pogledu gubitka eteričnog ulja i raspodjele veličine, također je pokazalo da su liposomalne disperzije zadržale sadržaj hlapljivog ulja. To ukazuje na to da je zarobljavanje eteričnog ulja u liposomima povećalo stabilnost ulja.

Stabilnost MLV i SUV disperzija nakon 1 godine. Liposomalne formulacije čuvane su na 4±1 ºC.
(Studija i grafikon: ©Ortan et al., 2009):

 
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnoj pripremi liposoma!

Visokoučinkoviti sonikatori za farmaceutska istraživanja i proizvodnju

Hielscher Ultrasonics je vaš vodeći dobavljač visokokvalitetnih, visokoučinkovitih sonikatora za istraživanje i proizvodnju farmaceutskih proizvoda. Uređaji u rasponu od 50 vati do 16.000 vati omogućuju pronalaženje pravog ultrazvučnog procesora za svaki volumen i svaki proces. Zahvaljujući visokoj učinkovitosti, pouzdanosti, robusnosti i jednostavnom rukovanju, ultrazvučna obrada je ključna tehnika za pripremu i obradu nanomaterijala. Opremljeni sistemima CIP (čišćenje na mjestu) i SIP (sterilizacija na mjestu), Hielscher sonikatori jamče sigurnu i učinkovitu proizvodnju u skladu s farmaceutskim standardima. Svi specifični ultrazvučni procesi mogu se lako testirati u laboratorijskom ili stolnom mjerilu. Rezultati ovih testova potpuno su ponovljivi, tako da je naknadno povećanje razmjera linearno i može se lako provesti bez dodatnih napora oko optimizacije procesa.

Hielscher sonikatori: dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po svojoj najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju neometanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji u skladu su s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tabela ispod daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Literatura/reference

• 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.

Ultrazvuk je inovativna tehnologija koja se uspješno koristi za sonohemijsku sintezu, deaglomeraciju, dispergiranje, emulgiranje, funkcionalizaciju i aktivaciju čestica. Naročito u nanotehnologiji ultrazvučna obrada je ključna tehnika za sintezu i obradu materijala nanometarskih dimenzija. Budući da je nanotehnologija stekla ovako izuzetan naučni interes, nanometarske čestice koriste se u izvanredno mnogo naučnih i industrijskih oblasti. I farmaceutska industrija otkrila je veliki potencijal ovog fleksibilnog i promjenjivog materijala. Slijedom toga, nanočestice su uključene u različite funkcionalne primjene u farmaceutskoj industriji, a one obuhvataju:

• isporuka lijekova (nosač)
• dijagnostički proizvodi
• ambalaža proizvoda
• otkrivanje biomarkera