Produktion af biologisk nedbrydelige nanosfærer
Bionedbrydelige mikro- og nanosfærer kan produceres i en kontinuerlig, kontakt- og kontamineringsfri proces, der let kan køres under sterile forhold.
Indførelsen
Bionedbrydelige mikro- og nanosfærer (MS, NS) fremstillet af poly(lactid-coglycolid) (PLGA) eller andre materialer er meget potente lægemiddel- og antigenleveringssystemer med iboende potentiale for lægemiddel- og antigenmålretning. De nuværende metoder til fremstilling af PLGA NS er typiske batchprocesser og lider af vanskeligheder med opskalering under sterile forhold. Her præsenterer vi en ny og elegant metode til at fremstille PLGA NS i en kontinuerlig, kontakt- og Forureningsfri proces der let kan køres under sterile forhold. Under hele fremstillingsprocessen er produktet kun i direkte kontakt med sterilt glas og teflonrør®. Processen kan køres i et lukket system for at forhindre miljøforurening.
metoder
PLGA50:50 nanopartikler (Resomer® RG503H, Boehringer Ingelheim) blev fremstillet ved hjælp af en modificeret opløsningsmiddelekstraktions-/fordampningsproces [1]. PLGA opløst i dichlormethan (2 eller 5%) blev dispergeret i vandig 0,5% (w/w) PVA-opløsning ved hjælp af den nye eksperimentelle opstilling, der involverede en kontaktfri gennemstrømning ultralydbehandling celle. Den grove O/W-dispersion blev først forblandet med en magnetomrører og derefter homogeniseret i Ultralyd gennemstrømningscelle (strømningshastigheder for O- og W-faser var på 1:8). De oprindeligt dannede PLGA-opløsningsmiddel-nanodråber størknede gradvist under passagen i rørene for at blive PLGA-nanopartikler. Endelig hærdning af partiklerne blev opnået i et større volumen af 0,5% PVA-opløsning.
Fig. 1: Eksperimentel opstilling til produktion af PLGA-nanosfærer
Fig. 2: Design af Ultralyd gennemstrømningscelle
Resultater
Nanopartikler med en gennemsnitlig diameter på 485 nm blev let fremstillet fra en 2% PLGA-opløsning i DCM ved 32W sonikeringseffekt (Tab. 1). Størrelsesfordelingen var monomodal med en let hale (Fig. 3A). Nanopartikelstørrelser strakte sig fra 175 til 755 nm i henhold til 10 og 90 % percentilerne. Repeterbarheden af produktionsprocessen var konsekvent god, hvilket afspejles i kun mindre variationer i den gennemsnitlige partikeldiameter. Sænkning af emulsion'er Opholdstid i det soniske felt fra 14 til 7 sekunder havde kun en mindre indflydelse på nanopartikelstørrelsen. En reduktion af sonikeringseffekten fra 32 til 25W resulterede imidlertid i en signifikant stigning i den gennemsnitlige partikelstørrelse fra 485 til 700nm, forårsaget af en mere udtalt hale af størrelsesfordelingskurven (fig. 3A). En mindre fremtrædende, men signifikant stigning i den gennemsnitlige partikelstørrelse fra 485 til 600 nm blev fundet ved brug af en 5% i stedet for en 2% PLGA-opløsning.
Endelig blev den mere hydrofile PLGA udskiftet med den mere hydrofobe og lavere molekylvægt PLA uden mærkbare ændringer i partikelgennemsnitsstørrelse og størrelsesfordeling. Der blev ikke observeret forskelle i morfologien af de forskellige partier af partikler fremstillet af 2% polymeropløsninger. De udviste alle perfekt sfæriske former og glatte overflader (fig. 3B). Partiklerne fremstillet af 5% PLGA-opløsningen var imidlertid mindre sfæriske, viste let rynkede overflader og fusioner af to eller nogle gange flere partikler (fig. 3C).
Tabel 1. Gennemsnitlig diameter af PLGA50:50 nanosfærer fremstillet under forskellige forhold. Gennemsnit af to batcher ± absolut afvigelse.
Fig. 3: PLGA nanopartikler. (A): Størrelsesfordeling af partikler fremstillet ved polymerkoncentration / sonikeringseffekt på 2% / 32W, 5% / 32W og 2% / 25W%; opholdstid = 14 s. (B),(C): SEM-billeder af partikler fremstillet af henholdsvis 2 og 5% polymeropløsninger. Opholdstid = 14 sek.; sonikeringseffekt = 32W. Søjler repræsenterer 1 mikron.
Drøftelse og konklusioner
Den Ultralyd gennemstrømningscelle viste sig at være velegnet til emulsionsopløsningsmiddelekstraktion/fordampningsbaseret produktion af biologisk nedbrydelige polymere nanosfærer. Fremtidig forskning vil være rettet mod at opskalere processen og øge effekttilførslen for at give endnu finere emulsioner. Derudover er cellens egnethed til fremstilling af vand-i-olie Emulsioner, f.eks. med henblik på yderligere forarbejdning til lægemiddelbelastede mikrosfærer, vil blive undersøgt.
Litteratur
Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.:En hurtig og enkel metode til fremstilling af biologisk nedbrydelige nanosfærer, i: Europæiske celler og materialer Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (side 28)
Disse oplysninger blev præsenteret på Swiss Society of Biomaterials
Fig. 2: Design einer Ultraschall-Durchflusszelle
Ergebnisse
Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 485nm konnten vollständig aus einer 2% PLGA-Lösung in DCM bei 32W Beschallungsleistung gewonnen werden (Tab. 1). Die Größenverteilung zeigt sich monomodal mit einem leicht verzögertem Auslaufen der Kurve (Fig. 3A). Entsprechend des Perzentilwertes von 10 und 90% erstreckte sich die Nanopartikelgröße von 175 bis 755nm. Die Wiederholbarkeit des Produktionsprozesses war durchwegs gut, was auf die nur geringe Variabilität des durchschnittlichen Partikeldurchmessers zurückzuführen ist. Eine Verringerung der Beschallungszeit, bei der die emulsion statt 14 nur noch 7 Sekunden dem Ultraschallfeld ausgesetzt wird, hat nur wenig Auswirkung auf die Größe der Nanopartikel. Ein Herabsetzen der Beschallungsleistung von 32 auf 25W bewirkt hingegen einen beträchtlichen Anstieg des durchschnittlichen Partikeldurchmessers von 485 auf 700nm, der durch ein deutlicheres Verschieben der Größenverteilungskurve hervorgerufen wird (Fig. 3A). Ein nicht so markanter, aber trotzdem beachtenswerter Anstieg der durchschnittlichen Partikelgröße von 485 auf 600nm konnte festgestellt werden, wenn anstatt einer 2% eine 5% PLGA-Lösung verwendet wurde. Abschließend wurde das hydrophile PLGA gegen das hydrophobe PLA, welches zudem ein niedrigereres Molekulergewicht aufweist, ausgetauscht, wobei allerdings keine bemerkenswerten Veränderungen bezüglich der durchschnittlichen Partikelgröße und der Größenverteilung beobachtet werden können. In ihrer Morphologie zeigten die verschiedenen Batches, die eine 2% Polymerlösung enthielten, keine Unterschiede. Alle zeigten perfekte Kugelformen und glatte Oberflächen (Fig. 3B). Die Partikel aus einer 5% PLGA-Lösung zeigen hingegen weniger perfekte Kugelformen, wiesen leicht faltige Oberflächen und Fusionen zwei oder mehrerer Partikel auf (Fig. 3C).
Tabeller 1. Durchschnittlicher Durchmesse von PLGA50:50 Nanosphären, unter variierenden Bedingungen aufbereitet. Durchschnitt zweier Batches ± der absoluten Abweichung.
Fig. 3: PLGA Nanopartikel. (A): Größenverteilung bei Partikeln, die bei einer Polymerkonzentration/Beschallungsintensität von 2%/ 32W, 5%/ 32W und 2%/ 25W%; Verweilzeit = 14 s. (B),(C): SEM Bilder der Partikel, die aus 2% bzw. 5% Polymerlösungen vorbereitet wurden. Verweilzeit = 14s; Beschallungsintensität = 32W. Die Balken zeigen jeweils den Maßstab von 1 Mikrometer an.
Diskussion und Schlussfolgerung
dø Ultraschall-Durchflusszelle wurde speziell für die Emulsion-Lösungsmittel-Extraktion / Evaporation basierte Herstellung von biologisch abbaubaren Polymer-Nanosphären entworfen. Die zukünftige Forschung auf diesem Gebiet wird auf ein Scale-up des Prozesses ausgerichtet sein, ebenso wie auf eine Steigerung des Leistungseintrages, um noch feinere Emulsionen zu erhalten. Zudem wird Zelle auf ihre Tauglichkeit bei der Herstellung von Wasser-in-Öl-Emulsionen Untersucht, Z. B. für die weiteren Entwicklungen von mit Wirkstoff angereicherten Mikrosphären (z.B für Depotarzneimittel).
Litteratur
Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.:En hurtig og enkel metode til fremstilling af biologisk nedbrydelige nanosfærer, i: Europæiske celler og materialer Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (side 28)
Dieser Artikel wurde von der Swiss Society of Biomaterials veröffentlich.