Ultrazvukové zpracování nanočástic pro farmacii

Sonikátory sondového typu hrají klíčovou roli ve farmaceutickém výzkumu a výrobě, neboť poskytují výkonný a řízený prostředek k dosažení zmenšení velikosti částic, dezintegrace buněk a homogenizace. Sonikátory využívají ultrazvukové vlny ke generování kavitace, která vede ke vzniku a kolapsu mikroskopických bublin. Tento jev vytváří intenzivní smykové síly a rázové vlny, které účinně rozrušují částice nebo dezintegrují buňky.

Zde jsou některé klíčové aspekty použití sonikátorů sondového typu ve farmaceutických aplikacích:

• Zmenšení velikosti částic: Sondové sonikátory se používají ke zmenšení velikosti částic aktivních farmaceutických složek (API) nebo jiných sloučenin. Malá a jednotná velikost částic je zásadní pro zvýšení biologické dostupnosti, rychlosti rozpouštění a celkové účinnosti farmaceutických formulací.
• Dezintegrace buněk: V biofarmaceutickém výzkumu se sondové sonikátory používají k dezintegraci buněk za účelem uvolnění intracelulárních složek. To je zvláště důležité pro extrakci proteinů, enzymů a dalších biomolekul z mikrobiálních buněk nebo kultivovaných savčích buněk.
• Homogenizace: Homogenizace farmaceutických formulací je nezbytná pro zajištění rovnoměrné distribuce složek. Sondové sonikátory pomáhají dosáhnout homogenity rozrušováním aglomerátů a rovnoměrným dispergováním složek.
• Tvorba nanoemulzí a lipozomů: Sonikace se používá k vytváření stabilních nanoemulzí a lipozomů ve farmaceutických formulacích. Tyto nosičové systémy v nanoměřítku se používají k podávání léčiv za účelem zvýšení rozpustnosti a biologické dostupnosti.
• Kontrola kvality a optimalizace procesů: Sonikace je cenným nástrojem pro kontrolu kvality ve farmaceutické výrobě. Pomáhá optimalizovat procesy zajištěním konzistentní distribuce velikosti částic a homogenity, čímž přispívá k reprodukovatelnosti mezi šaržemi.
• Formulace a vývoj léčiv: Během formulace a vývoje léčiv se sondové sonikátory používají k přípravě stabilních suspenzí, emulzí nebo disperzí. To je klíčové pro navrhování farmaceutických přípravků s požadovanými fyzikálními a chemickými vlastnostmi.

Nanomateriály ve farmacii

Ultrazvukové technologie hrají zásadní roli při přípravě, zpracování a funkcionalizaci nanomateriálů ve farmaceutickém výzkumu a výrobě. Intenzivní účinky výkonového ultrazvuku, včetně akustické kavitace, přispívají k rozrušování aglomerátů, dispergaci částic a emulgaci nanokapiček. Vysoce výkonné sonikátory Hielscher poskytují spolehlivé a efektivní řešení pro farmaceutické standardy, zajišťují bezpečnou výrobu a usnadňují převod do většího měřítka bez dodatečného úsilí o optimalizaci.

Zpracování nanomateriálů

Nanomateriály, zejména nanočástice, způsobily revoluci v podávání léčiv ve farmacii, neboť nabízejí osvědčenou metodu podávání účinných látek perorálně nebo injekčně. Tato technologie zvyšuje efektivitu dávkování a podávání léčiv a otevírá nové cesty pro lékařskou léčbu. Schopnost dopravit léčiva, teplo nebo jiné účinné látky přímo do specifických buněk, zejména nemocných buněk, představuje významný pokrok.

V léčbě rakoviny prokázala nanoformulovaná léčiva slibné výsledky, neboť využívají výhody částic nanometrické velikosti k dopravě vysokých dávek léčiva přímo do nádorových buněk, čímž maximalizují terapeutické účinky a zároveň minimalizují vedlejší účinky na ostatní orgány. Nanometrická velikost umožňuje těmto částicím procházet buněčnými stěnami a membránami a uvolňovat účinné látky přesně v cílových buňkách.

Zpracování nanomateriálů, definovaných jako částice o rozměrech menších než 100nm, představuje výzvy, které vyžadují vyšší úsilí. Ultrazvuková kavitace se ukazuje jako zavedená technologie pro deaglomeraci a dispergaci nanomateriálů. Uhlíkové nanotrubice (CNTs), zejména vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNTs) a jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWCNTs), vykazují jedinečné vlastnosti, přičemž nabízejí velký vnitřní objem pro enkapsulaci molekul léčiv a odlišné povrchy pro funkcionalizaci.

Sonochemická výroba SWCNTs. Prášek oxidu křemičitého v roztoku směsi ferrocen-xylen byl sonikován po dobu 20 min. při pokojové teplotě a za okolního tlaku. Sonikace vytváří SWCNTS vysoké čistoty na povrchu prášku oxidu křemičitého. (Jeong et al. 2004)

Funkcionalizované uhlíkové nanotrubice (f-CNTs) hrají klíčovou roli při zvyšování rozpustnosti, umožňují účinné cílení na nádory a zabraňují cytotoxicitě. Ultrazvukové techniky usnadňují jejich výrobu a funkcionalizaci, například sonochemickou metodou pro SWCNTs vysoké čistoty. Kromě toho mohou f-CNTs sloužit jako systémy pro podávání vakcín, přičemž se antigeny navazují na uhlíkové nanotrubice za účelem vyvolání specifických protilátkových odpovědí.
Keramické nanočástice odvozené od oxidu křemičitého, oxidu titaničitého nebo oxidu hlinitého mají porézní povrchy, díky nimž jsou ideálními nosiči léčiv. Ultrazvuková syntéza a precipitace nanočástic s využitím sonochemie poskytují přístup zdola nahoru k přípravě sloučenin nanometrické velikosti. Proces zlepšuje přenos hmoty, což vede k menším velikostem částic a vyšší uniformitě

Ultrazvuková syntéza a precipitace nanočástic

Sonikace hraje zásadní roli při funkcionalizaci nanočástic. Tato technika účinně rozrušuje hraniční vrstvy kolem částic, což umožňuje novým funkčním skupinám dosáhnout povrchu částic. Například ultrazvuková funkcionalizace jednostěnných uhlíkových nanotrubic (SWCNTs) pomocí fragmentů PL-PEG brání nespecifickému buněčnému příjmu a zároveň podporuje specifický buněčný příjem pro cílené aplikace.

Aby bylo možné získat nanočástice se specifickými vlastnostmi a funkcemi, musí být povrch částic modifikován. Různé nanosystémy, jako jsou polymerní nanočástice, lipozomy, dendrimery, uhlíkové nanotrubice, kvantové tečky atd., lze úspěšně funkcionalizovat pro efektivní využití ve farmacii.

Praktický příklad ultrazvukové funkcionalizace částic:

Ultrazvuková funkcionalizace SWCNTs pomocí PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) prokázali, že dispergace jednostěnných uhlíkových nanotrubic (SWNTs) sonikací s fosfolipid-polyethylenglykolem (PL-PEG) jej fragmentuje, čímž narušuje jeho schopnost blokovat nespecifický příjem buňkami. Nefragmentovaný PL-PEG však podporuje specifický buněčný příjem cílených SWNTs zaměřených na dvě odlišné třídy receptorů exprimovaných nádorovými buňkami. Ultrazvukové zpracování v přítomnosti PL-PEG je běžnou metodou používanou k dispergaci nebo funkcionalizaci uhlíkových nanotrubic a integrita PEG je důležitá pro podporu specifického buněčného příjmu nanotrubic funkcionalizovaných ligandy. Jelikož fragmentace je pravděpodobným důsledkem sonikace, techniky běžně používané k dispergaci SWNTs, může to představovat problém pro určité aplikace, jako je podávání léčiv.

Ultrazvuková dispergace SWCNTs s PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ultrazvuková tvorba lipozomů

Další úspěšnou aplikací ultrazvuku je příprava lipozomů a nanolipozomů. Systémy pro podávání léčiv a genů na bázi lipozomů hrají významnou roli v mnoha terapiích, ale také v kosmetice a výživě. Lipozomy jsou dobrými nosiči, protože ve vodě rozpustné účinné látky lze umístit do vodného jádra lipozomů, nebo, je-li látka rozpustná v tucích, do lipidové vrstvy. Lipozomy lze vytvářet pomocí ultrazvuku. Základním materiálem pro přípravu lipozomů jsou amfilní molekuly odvozené od biologických membránových lipidů nebo na nich založené. Pro tvorbu malých unilamelárních vezikul (SUV) se lipidová disperze jemně sonikuje – např. ručním ultrazvukovým přístrojem UP50H (50W, 30kHz), přístrojem VialTweeter nebo ultrazvukovou kalíškovou sonotrodou (cup-horn) . Doba takového ultrazvukového zpracování činí přibl. 5 – 15 minut. Další metodou výroby malých unilamelárních vezikul je sonikace multilamelárních vezikul lipozomů.
Dinu-Pirvu et al. (2010) uvádějí získání transferozomů sonikací MLVs při pokojové teplotě.
Hielscher Ultrasonics nabízí různá ultrazvuková zařízení, sonotrody a příslušenství, která splňují požadavky všech druhů procesů.
Přečtěte si více o ultrazvukem extrahovaném a enkapsulovaném extraktu z Aloe vera!

Ultrazvuková enkapsulace látek do lipozomů

Lipozomy fungují jako nosiče účinných látek. Ultrazvuk je účinným nástrojem k přípravě a tvorbě lipozomů pro zachycení účinných látek. Před enkapsulací mají lipozomy tendenci tvořit shluky v důsledku interakce povrchových nábojů polárních hlaviček fosfolipidů (Míckova et al. 2008), navíc je nutné je otevřít. Například Zhu et al. (2003) popisují enkapsulaci biotinového prášku do lipozomů pomocí sonikace. Po přidání biotinového prášku do roztoku suspenze vezikul byl roztok sonikován po dobu přibl. 1 hodiny. Po tomto zpracování byl biotin zachycen v lipozomech.

Lipozomální emulze

Pro posílení výživného účinku hydratačních krémů nebo krémů proti stárnutí, mlék, gelů a dalších kosmeceutických formulací se do lipozomálních disperzí přidávají emulgátory, aby stabilizovaly vyšší množství lipidů. Výzkumy však ukázaly, že kapacita lipozomů je obecně omezená. Přidáním emulgátorů se tento účinek projeví dříve a dodatečné emulgátory způsobují oslabení afinity fosfatidylcholinu k bariéře. Nanočástice – složené z fosfatidylcholinu a lipidů – jsou řešením tohoto problému. Tyto nanočástice jsou tvořeny olejovou kapičkou, která je pokryta monovrstvou fosfatidylcholinu. Použití nanočástic umožňuje formulace, které jsou schopné absorbovat více lipidů a zůstat stabilní, takže dodatečné emulgátory nejsou potřeba.
Sonikace je osvědčenou metodou pro výrobu nanoemulzí a nanodisperzí. Vysoce intenzivní ultrazvuk dodává výkon potřebný k dispergaci kapalné fáze (dispergované fáze) v podobě malých kapiček ve druhé fázi (spojité fázi). V dispergační zóně způsobují implodující kavitační bubliny intenzivní rázové vlny v okolní kapalině a vedou ke vzniku kapalinových proudů s vysokou rychlostí kapaliny. Aby se nově vytvořené kapičky dispergované fáze stabilizovaly proti koalescenci, přidávají se do emulze emulgátory (povrchově aktivní látky, tenzidy) a stabilizátory. Protože koalescence kapiček po jejich rozrušení ovlivňuje konečnou distribuci velikosti kapiček, používají se účinně stabilizující emulgátory, které udržují konečnou distribuci velikosti kapiček na úrovni rovnající se distribuci bezprostředně po rozrušení kapiček v ultrazvukové dispergační zóně.

Lipozomální disperze

Lipozomální disperze, které jsou založeny na nenasyceném phosphatidylchlorine, postrádají stabilitu vůči oxidaci. Stabilizace disperze lze dosáhnout antioxidanty, například komplexem vitaminů C a E.
Ortan et al. (2002) dosáhli ve své studii týkající se ultrazvukové přípravy esenciálního oleje Anethum graveolens v lipozomech dobrých výsledků. Po sonikaci byly rozměry lipozomů v rozmezí 70–150 nm a u MLV v rozmezí 230–475 nm; tyto hodnoty zůstaly přibližně konstantní i po 2 měsících, ale po 12 měsících se zvýšily, zejména u disperze SUV (viz histogramy níže). Měření stability týkající se ztráty esenciálního oleje a distribuce velikosti rovněž ukázalo, že lipozomální disperze zachovaly obsah těkavého oleje. To naznačuje, že zachycení esenciálního oleje v lipozomech zvýšilo stabilitu oleje.

Stabilita disperzí MLV a SUV po 1 roce. Lipozomální formulace byly skladovány při 4±1 ºC.
(Studie a graf: ©Ortan et al., 2009):

 
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové přípravě lipozomů!

Vysoce výkonné sonikátory pro farmaceutický výzkum a výrobu

Hielscher Ultrasonics je vaším špičkovým dodavatelem vysoce kvalitních a vysoce výkonných sonikátorů pro výzkum a výrobu léčiv. Zařízení v rozsahu od 50 wattů až do 16 000 wattů umožňují najít správný ultrazvukový procesor pro každý objem a každý proces. Díky jejich vysokému výkonu, spolehlivosti, robustnosti a snadné obsluze je ultrazvukové zpracování nezbytnou technikou pro přípravu a zpracování nanomateriálů. Sonikátory Hielscher vybavené CIP (clean-in-place) a SIP (sterilize-in-place) zaručují bezpečnou a efektivní výrobu podle farmaceutických standardů. Všechny specifické ultrazvukové procesy lze snadno otestovat v laboratorním nebo stolním měřítku. Výsledky těchto zkoušek jsou plně reprodukovatelné, takže následný převod do většího měřítka je lineární a lze jej snadno provést bez dodatečného úsilí týkajícího se optimalizace procesu.

Sonikátory Hielscher: design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou samozřejmě v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

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 inovativní technologie, která se úspěšně používá pro sonochemickou syntézu, deaglomeraci, dispergaci, emulgaci, funkcionalizaci a aktivaci částic. Zejména v nanotechnologii je sonikace nezbytnou technikou pro účely syntézy a zpracování materiálů nanometrické velikosti. Vzhledem k tomu, že nanotechnologie získala tento mimořádný vědecký zájem, využívají se částice nanometrické velikosti v neobyčejně mnoha vědeckých a průmyslových oblastech. Vysoký potenciál tohoto flexibilního a variabilního materiálu objevil také farmaceutický průmysl. V důsledku toho se nanočástice uplatňují v různých funkčních aplikacích ve farmaceutickém průmyslu, mezi něž patří:

• podávání léčiv (nosič)
• diagnostické produkty
• balení výrobků
• objevování biomarkerů