Ultralydsbehandling af nanopartikler til lægemidler

Sondesonikatorer spiller en afgørende rolle i farmaceutisk forskning og fremstilling ved at tilbyde en kraftig og kontrolleret metode til partikelstørrelsesreduktion, celledisruption og homogenisering. Sonikatorer anvender ultralydsbølger til at frembringe kavitation, hvilket medfører dannelse og kollaps af mikroskopiske bobler. Dette fænomen genererer intense forskydningskræfter og chokbølger, som effektivt nedbryder partikler eller bryder celler op.

Her er nogle centrale aspekter ved brugen af sondesonikatorer i farmaceutiske anvendelser:

• Partikelstørrelsesreduktion: Sondesonikatorer anvendes til at reducere partikelstørrelsen af aktive farmaceutiske ingredienser (API’er) eller andre forbindelser. En lille og ensartet partikelstørrelse er afgørende for at forbedre biotilgængeligheden, opløsningshastigheden og den samlede effekt af farmaceutiske formuleringer.
• Celledisruption: I biofarmaceutisk forskning anvendes sondesonikatorer til celledisruption for at frigive intracellulære komponenter. Dette er særligt vigtigt ved ekstraktion af proteiner, enzymer og andre biomolekyler fra mikrobielle celler eller dyrkede pattedyrceller.
• Homogenisering: Homogenisering af farmaceutiske formuleringer er afgørende for at sikre en ensartet fordeling af ingredienserne. Sondesonikatorer bidrager til at opnå homogenitet ved at bryde agglomerater op og dispergere komponenterne jævnt.
• Dannelse af nanoemulsioner og liposomer: Sonikering anvendes til at skabe stabile nanoemulsioner og liposomer i farmaceutiske formuleringer. Disse leveringssystemer i nanoskala anvendes til lægemiddellevering for at forbedre opløseligheden og biotilgængeligheden.
• Kvalitetskontrol og procesoptimering: Sonikering er et værdifuldt værktøj til kvalitetskontrol i farmaceutisk fremstilling. Den hjælper med at optimere processer ved at sikre en ensartet partikelstørrelsesfordeling og homogenitet, hvilket bidrager til reproducerbarhed fra batch til batch.
• Formulering og udvikling af lægemidler: Under formulering og udvikling af lægemidler anvendes sondesonikatorer til at fremstille stabile suspensioner, emulsioner eller dispersioner. Dette er afgørende for at udforme farmaceutiske produkter med de ønskede fysiske og kemiske egenskaber.

Nanomaterialer i lægemidler

Ultralydsteknologier spiller en central rolle i fremstilling, behandling og funktionalisering af nanomaterialer inden for farmaceutisk forskning og fremstilling. De intense virkninger af ultralyd med høj effekt, herunder akustisk kavitation, bidrager til at bryde agglomerater op, dispergere partikler og emulgere nanodråber. Hielschers højtydende sonikatorer tilbyder en pålidelig og effektiv løsning, der opfylder farmaceutiske standarder, sikrer sikker produktion og letter opskalering uden yderligere optimeringsarbejde.

Behandling af nanomaterialer

Nanomaterialer, især nanopartikler, har revolutioneret lægemiddellevering inden for farmaceutik ved at tilbyde en gennemprøvet metode til administration af aktive stoffer oralt eller ved injektion. Denne teknologi øger effektiviteten af lægemiddeldosering og -levering og åbner nye muligheder for medicinske behandlinger. Evnen til at levere lægemidler, varme eller andre aktive stoffer direkte til bestemte celler, især syge celler, udgør et betydeligt fremskridt.

Inden for kræftbehandling har nanoformulerede lægemidler vist lovende resultater ved at udnytte fordelen ved partikler i nanostørrelse til at levere høje lægemiddeldoser direkte til tumorceller og dermed maksimere de terapeutiske virkninger, samtidig med at bivirkninger på andre organer minimeres. Størrelsen i nanoskala gør det muligt for disse partikler at passere gennem cellevægge og -membraner og frigive aktive stoffer præcist ved målcellerne.

Behandling af nanomaterialer, defineret som partikler med dimensioner under 100nm, indebærer udfordringer, som kræver en større indsats. Ultralydskavitation er en veletableret teknologi til deagglomerering og dispergering af nanomaterialer. Kulstofnanorør (CNTs), især flervæggede kulstofnanorør (MWCNTs) og enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNTs), udviser unikke egenskaber og tilbyder et stort indre volumen til indkapsling af lægemiddelmolekyler samt særprægede overflader til funktionalisering.
 

Sonokemisk fremstilling af SWCNTs. Silicapulver i en opløsning af en ferrocen-xylen-blanding er blevet sonikeret i 20 min. ved stuetemperatur og omgivende tryk. Sonikering producerer SWCNTS med høj renhed på silicapulverets overflade. (Jeong et al. 2004)

Funktionaliserede kulstofnanorør (f-CNTs) spiller en afgørende rolle i at forbedre opløseligheden, muliggøre effektiv målretning mod tumorer og undgå cytotoksicitet. Ultralydsteknikker letter deres fremstilling og funktionalisering, eksempelvis den sonokemiske metode til SWCNTs med høj renhed. Desuden kan f-CNTs fungere som vaccineleveringssystemer ved at koble antigener til kulstofnanorør for at fremkalde specifikke antistofresponser.
Keramiske nanopartikler fremstillet af silica, titandioxid eller aluminiumoxid har porøse overflader, hvilket gør dem til ideelle lægemiddelbærere. Ultralydssyntese og udfældning af nanopartikler ved hjælp af sonokemi giver en bottom-up-tilgang til fremstilling af forbindelser i nanostørrelse. Processen forbedrer masseoverførslen, hvilket resulterer i mindre partikelstørrelser og større ensartethed

Ultralydssyntese og udfældning af nanopartikler

Sonikering spiller en afgørende rolle i funktionaliseringen af nanopartikler. Teknikken bryder effektivt grænselag omkring partikler op, så nye funktionelle grupper kan nå partikeloverfladen. For eksempel hæmmer ultralydsfunktionalisering af enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNTs) med PL-PEG-fragmenter uspecifik celleoptagelse, samtidig med at den fremmer specifik cellulær optagelse til målrettede anvendelser.

For at opnå nanopartikler med specifikke egenskaber og funktioner skal partiklernes overflade modificeres. Forskellige nanosystemer såsom polymere nanopartikler, liposomer, dendrimerer, kulstofnanorør, kvanteprikker osv. kan med succes funktionaliseres til effektiv anvendelse inden for farmaceutik.

Praktisk eksempel på ultralydsfunktionalisering af partikler:

Ultralydsfunktionalisering af SWCNTs med PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) påviste, at dispergering af enkeltvæggede kulstofnanorør (SWNTs) ved sonikering med fosfolipid-polyethylenglykol (PL-PEG) fragmenterer PL-PEG og dermed hæmmer dets evne til at blokere uspecifik optagelse i celler. Ufragmenteret PL-PEG fremmer imidlertid specifik cellulær optagelse af SWNTs, der er målrettet mod to forskellige klasser af receptorer, som udtrykkes af kræftceller. Ultralydsbehandling i tilstedeværelse af PL-PEG er en almindelig metode til at dispergere eller funktionalisere kulstofnanorør, og PEG’s integritet er vigtig for at fremme specifik cellulær optagelse af ligandfunktionaliserede nanorør. Da fragmentering er en sandsynlig konsekvens af sonikering, en teknik, der almindeligvis anvendes til at dispergere SWNTs, kan dette give anledning til bekymring ved visse anvendelser såsom lægemiddellevering.
 

Ultralydsdispergering af SWCNTs med PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Dannelse af liposomer med ultralyd

En anden vellykket anvendelse af ultralyd er fremstilling af liposomer og nanoliposomer. Liposombaserede systemer til lægemiddel- og genlevering spiller en betydelig rolle i mange forskellige terapier, men også inden for kosmetik og ernæring. Liposomer er gode bærere, da vandopløselige aktive stoffer kan placeres i liposomernes vandige kerne eller, hvis stoffet er fedtopløseligt, i lipidlaget. Liposomer kan dannes ved hjælp af ultralyd. Grundmaterialet til fremstilling af liposomer er amphilic-molekyler, der er afledt af eller baseret på biologiske membranlipider. Til dannelse af små unilamellære vesikler (SUV) sonikeres lipiddispersionen forsigtigt – f.eks. med det håndholdte ultralydsapparat UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter eller et ultralyds-cup-horn. Varigheden af en sådan ultralydsbehandling er ca. 5 – 15 minutter. En anden metode til at fremstille små unilamellære vesikler er sonikering af liposomer bestående af multilamellære vesikler.
Dinu-Pirvu et al. (2010) rapporterer fremstilling af transferosomer ved sonikering af MLV’er ved stuetemperatur.
Hielscher Ultrasonics tilbyder forskellige ultralydsapparater, sonotroder og tilbehør, som opfylder kravene til alle typer processer.
Læs mere om ultralydsekstraheret og indkapslet Aloe vera-ekstrakt!

Ultralydsindkapsling af stoffer i liposomer

Liposomer fungerer som bærere for aktive stoffer. Ultralyd er et effektivt værktøj til at fremstille og danne liposomer til indkapsling af aktive stoffer. Før indkapslingen har liposomerne tendens til at danne klynger på grund af interaktionen mellem overfladeladningerne på fosfolipidernes polære hoveder (Míckova et al. 2008); desuden skal de åbnes. Som eksempel beskriver Zhu et al. (2003) indkapsling af biotinpulver i liposomer ved sonikering. Da biotinpulveret blev tilsat opløsningen med vesikelsuspensionen, blev opløsningen sonikeret i ca. 1 time. Efter denne behandling var biotin indkapslet i liposomerne.

Liposomale emulsioner

For at øge den plejende effekt af fugtgivende cremer eller anti-aging-cremer, lotioner, geler og andre kosmeceutiske formuleringer tilsættes emulgatorer til de liposomale dispersioner for at stabilisere større mængder lipider. Undersøgelser har dog vist, at liposomernes kapacitet generelt er begrænset. Ved tilsætning af emulgatorer vil denne effekt optræde tidligere, og de yderligere emulgatorer medfører en svækkelse af fosfatidylkolins affinitet til barrieren. Nanopartikler – bestående af fosfatidylkolin og lipider – er løsningen på dette problem. Disse nanopartikler dannes af en oliedråbe, som er dækket af et monolag af fosfatidylkolin. Anvendelse af nanopartikler muliggør formuleringer, som kan optage flere lipider og forblive stabile, så yderligere emulgatorer ikke er nødvendige.
Sonikering er en gennemprøvet metode til fremstilling af nanoemulsioner og nanodispersioner. Meget intensiv ultralyd leverer den effekt, der er nødvendig for at dispergere en væskefase (dispergeret fase) som små dråber i en anden fase (kontinuert fase). I dispergeringszonen fremkalder imploderende kavitationsbobler intense chokbølger i den omgivende væske og medfører dannelse af væskestråler med høj væskehastighed. For at stabilisere de nydannede dråber i den dispergerede fase mod koalescens tilsættes emulgatorer (overfladeaktive stoffer, surfaktanter) og stabilisatorer til emulsionen. Da dråbernes koalescens efter opbrydningen påvirker den endelige dråbestørrelsesfordeling, anvendes effektivt stabiliserende emulgatorer til at holde den endelige dråbestørrelsesfordeling på et niveau, der svarer til fordelingen umiddelbart efter dråbeopbrydningen i ultralydsdispergeringszonen.

Liposomale dispersioner

Liposomale dispersioner, som er baseret på umættet phosphatidylchlorine, har utilstrækkelig stabilitet over for oxidation. Stabilisering af dispersionen kan opnås med antioxidanter, eksempelvis med et kompleks af vitaminerne C og E.
Ortan et al. (2002) opnåede gode resultater i deres undersøgelse af ultralydsbaseret fremstilling af liposomer med æterisk olie fra Anethum graveolens. Efter sonikering var liposomernes dimensioner mellem 70–150 nm og for MLV mellem 230–475 nm; disse værdier var også omtrent konstante efter 2 måneder, men steg efter 12 måneder, især i SUV-dispersionen (se histogrammerne nedenfor). Stabilitetsmålingen vedrørende tab af æterisk olie og størrelsesfordeling viste også, at liposomale dispersioner bevarede indholdet af flygtig olie. Dette tyder på, at indkapslingen af den æteriske olie i liposomer øgede oliens stabilitet.
 

Stabilitet af MLV- og SUV-dispersioner efter 1 år. Liposomale formuleringer blev opbevaret ved 4±1 ºC.
(Undersøgelse og grafik: ©Ortan et al., 2009):

 
Klik her for at læse mere om fremstilling af liposomer med ultralyd!

Højtydende sonikatorer til farmaceutisk forskning og fremstilling

Hielscher Ultrasonics er din førende leverandør af højtydende sonikatorer af høj kvalitet til forskning og fremstilling af lægemidler. Apparater i området fra 50 watt op til 16.000 watt gør det muligt at finde den rette ultralydsprocessor til ethvert volumen og enhver proces. Med høj ydeevne, pålidelighed, robusthed og nem betjening er ultralydsbehandling en afgørende teknik til fremstilling og behandling af nanomaterialer. Udstyret med CIP (rengøring på stedet) og SIP (sterilisering på stedet) garanterer Hielschers sonikatorer sikker og effektiv produktion i henhold til farmaceutiske standarder. Alle specifikke ultralydsprocesser kan nemt afprøves i laboratorie- eller bordskala. Resultaterne af disse forsøg er fuldt reproducerbare, så den efterfølgende opskalering er lineær og nemt kan gennemføres uden yderligere indsats med hensyn til procesoptimering.

Hielscher sonikatorer: Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er velkendte for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrianlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Litteratur/Referencer

• 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.

 

Ultralyd er en innovativ teknologi, der anvendes med succes til sonokemisk syntese, deagglomerering, dispergering, emulgering, funktionalisering og aktivering af partikler. Især inden for nanoteknologi er sonikering en afgørende teknik til syntese og behandling af materialer i nanostørrelse. Da nanoteknologi har vakt denne enestående videnskabelige interesse, anvendes partikler i nanostørrelse inden for usædvanligt mange videnskabelige og industrielle områder. Den farmaceutiske industri har også opdaget dette fleksible og variable materiales store potentiale. Derfor indgår nanopartikler i forskellige funktionelle anvendelser i den farmaceutiske industri, herunder:

• lægemiddellevering (bærer)
• diagnostiske produkter
• produktemballage
• opdagelse af biomarkører