Liposomale Verkapselung bioaktiver Moleküle mit Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung ist als hocheffiziente Methode zur Herstellung liposomaler Formulierungen bekannt. In typischen Liposomenformulierungen werden Vitamin C, CBD, Curcumin, Quercetin, Astaxanthin, Peptide und zahlreiche weitere bioaktive Verbindungen mithilfe von Ultraschall verkapselt. Die liposomale Verkapselung mittels Ultraschall ist ein einfaches, schnelles und wirksames Verfahren, mit dem sich stabile, hochbeladene Vesikel herstellen lassen. Mittels Ultraschall verkapselte Nährstoffe zeichnen sich durch eine überlegene Bioverfügbarkeit aus.

Überblick: Liposomale Verkapselung bioaktiver Verbindungen durch Beschallung

Die Ultraschallverkapselung bietet eine hocheffiziente und kontrollierbare Methode zur Einbettung bioaktiver Verbindungen in Liposomen und verbessert deren Stabilität, Bioverfügbarkeit und funktionelle Eigenschaften. Die durch hochintensiven Ultraschall erzeugte akustische Kavitation fördert die schnelle Hydratation der Lipide, die Verkleinerung der Vesikel und eine gleichmäßige Dispergierung. Dies ermöglicht die Bildung kleiner, homogener Liposomen mit engen Größenverteilungen. Das Verfahren ermöglicht eine hohe Verkapselungseffizienz sowohl für hydrophile als auch für lipophile Verbindungen und minimiert gleichzeitig den Bedarf an organischen Lösungsmitteln oder belastenden Prozessbedingungen. Darüber hinaus erlaubt die Ultraschallbehandlung eine präzise Kontrolle der Partikelgröße und Lamellarität. Diese Parameter sind entscheidend für die Optimierung der kontrollierten Freisetzung, der zellulären Aufnahme und der Langzeitstabilität empfindlicher bioaktiver Substanzen in pharmazeutischen, nutrazeutischen und kosmetischen Anwendungen.

Was sind Liposomen und welche Vorteile bieten sie?

Liposomen sind Vesikel, die aus einem wässrigen Kern bestehen, der von einer oder mehreren Phospholipid-Doppelschichten umschlossen ist. Da Liposomen einen wässrigen Kern besitzen, der von einer Lipidschicht und einer hydrophilen Außenhülle umgeben ist, sind sie wasserlöslich und können wasserlösliche sowie fettlösliche Verbindungen in den jeweiligen Kompartimenten des Vesikels transportieren. Dadurch sind Liposomen ein hochwirksames Trägersystem für therapeutisch aktive Moleküle. Liposomen entstehen durch das Aufbrechen biologischer Membranen, ein Prozess, der durch Ultraschallbehandlung gefördert und intensiviert wird. Liposomen bestehen meist aus Phospholipiden, insbesondere Phosphatidylcholin, können aber auch andere Lipide wie Phosphatidylethanolamin aus Ei enthalten, sofern diese mit der Lipid-Doppelschichtstruktur kompatibel sind. Liposomen bilden sich spontan, wenn Phospholipide hydratisiert werden. Im ersten Schritt – der Hydratationsphase – werden die Lipide und die wässrige Phase mittels Beschallung nanoemulgiert, um die Bildung hochbeladener multilamellarer Vesikel (MLVs) zu fördern. Anschließend kann die Liposomengröße bei Bedarf durch Beschallung reduziert werden. Um kleinere Vesikel zu erhalten, werden die Liposomen mittels Beschallung dispergiert und zu monodispersen großen unilamellaren Vesikeln (LUVs) oder kleinen unilamellaren Vesikeln (SUVs) verkleinert.
Das Ultraschallverfahren zur Bildung und Verkleinerung von Liposomen ist zuverlässig, schnell, effizient, einfach und sicher. Die hergestellten Liposomen weisen eine hohe Beladung mit bioaktiven Substanzen, eine hohe Stabilität und eine überlegene Bioverfügbarkeit auf.

Warum können Ultraschallreinigungsbäder keine hochwertigen Liposomen herstellen?

Die Herstellung von Liposomen erfordert ein Ultraschallgerät, das ausreichend Energie zur Erzeugung gleichmäßiger Partikel in Nanogröße bereitstellen kann. Selbst hergestellte Liposomen aus einem Ultraschall-Schmuckreiniger sind in der Regel unwirksam, da die hergestellten Liposomen weder die erforderliche Nanogröße aufweisen noch die bioaktiven Nährstoffe wirksam und langfristig stabil verkapseln. Für die Herstellung hochwertiger Liposomen ist ein Ultraschallgerät mit Sonotrode die bevorzugte Technologie, da die Sonotrode die für die Bildung hochbeladener, wirksamer Liposomen erforderliche hohe akustische Energie in das Medium übertragen kann. Im Allgemeinen weisen mit einer Ultraschallsonotrode hergestellte Liposomen eine Partikelgrößenverteilung von 100–500 nm auf, die für hohe Beladungen und eine überlegene Bioverfügbarkeit optimal ist.
Der Einsatz eines Ultraschall-Durchflusszellenreaktors ermöglicht die Herstellung der Liposomen in einer sauerstofffreien Umgebung, um oxidativen Abbau zu verhindern.
Ultraschallgeräte mit Sonotrode liefern die erforderliche Energie zur Herstellung hochwertiger Liposomen mit folgenden Eigenschaften:

Nach der Bildung eines Lipidfilms und der anschließenden Rehydratation wird die Beschallung eingesetzt, um den Einschluss von Wirkstoffen in die Liposomen zu fördern. Zusätzlich wird durch die Beschallung die gewünschte Liposomengröße erreicht.

Liposomale Verkapselung von Molekülen mit Ultraschall

Die folgende Liste gibt einen Überblick darüber, welche Substanzen bereits erfolgreich mittels Ultraschall in Liposomenformulierungen verkapselt wurden.

• Antioxidantien wie Glutathion, Vitamin C, methylierte B-Vitamine, Resveratrol, CoQ10 usw.
• phenolische Verbindungen: Flavonoide wie Fisetin, Quercetin, oligomere Proanthocyanidine (OPC); Saponine wie Astragalosid; Alkaloide
• Mineralstoffe wie Magnesiumchelate (z. B. Magnesiumthreonat, Magnesiumorotat), Zink, Kupfer usw.
• Terpene wie Astaxanthin, Limonen, Pinen, Humulen, Linalool, beta-Caryophyllen, Phytol, Geraniol, Terpinolen usw.
• Lipide wie die Omega-3-Fettsäuren EPA und DHA; Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) usw.
• Aminosäuren wie Kreatin, Glycin, 5-HTP (5-Hydroxytryptophan), Phenylalanin, L-Theanin, GABA (gamma-Aminobuttersäure), Taurin, N-Acetylcystein (NAC), L-Tyrosin usw.
• Peptide, z. B. Oxytocin, Kollagen, GLP-1-Peptide usw.
• Polysaccharide wie Hyaluronsäure, Pilzpolysaccharide usw.
• Cannabinoide wie CBD, CBG, THC
• Nootropika, Smart Drugs und Mittel zur Steigerung der kognitiven Leistungsfähigkeit, zu denen sowohl die oben genannten Substanzen als auch weitere Moleküle gehören können

Die durch Nanotechnologie optimierte liposomale Formulierung bioaktiver Moleküle bietet eine höhere Resorptionsrate und eine überlegene Bioverfügbarkeit und kann es Substanzen ermöglichen, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden.
Alternative lipidbasierte Wirkstoffträgersysteme sind Nanoemulsionen und lipidbasierte kolloidale Träger wie feste Lipidnanopartikel (SLN) und nanostrukturierte Lipidträger (NLC). Sie alle – Nanoemulsionen, SLNs und NLCs – lassen sich unter Beschallung zuverlässig bilden und beladen.
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Wählen Sie Ihr bevorzugtes Verfahren zur Liposomenbildung

Die Beschallung wird bei zahlreichen Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Liposomen eingesetzt, da sie sowohl die Liposomenbildung als auch die Kontrolle der Nachbearbeitung unterstützt. Bei der direkten Liposomenbildung kann sie eingesetzt werden, um Lecithin (Phospholipide) in einer wässrigen Phase zu dispergieren und so die schnelle Bildung von Vesikeln zu fördern. Sie wird auch häufig bei etablierten Verfahren wie der Umkehrphasenverdampfung und der Dünnschichthydratation angewendet, um die Lipiddispergierung zu verbessern und die Vesikelbildung zu beschleunigen. Über die anfängliche Herstellung hinaus wird die Beschallung häufig zur Beladung vorgeformter (leerer) Liposomen mittels Sonoporation eingesetzt und ermöglicht so die effiziente Einbettung bioaktiver Verbindungen. Zudem ist sie ein Standardverfahren zur Verkleinerung von Liposomen, mit dem kleinere, gleichmäßigere Vesikel mit engeren Größenverteilungen entstehen, was die Stabilität und die Leistungsfähigkeit als Wirkstoffträger verbessert.
Erfahren Sie mehr über die verschiedenen ultraschallgestützten Verfahren zur Liposomenherstellung:

• Liposomenbildung mit Lecithin mittels Ultraschall
• Ultraschallgestützte Umkehrphasenverdampfung
• Ultraschallgestützte Dünnschichthydratation

Faktoren, die die Liposomenqualität beeinflussen

Die Qualität von Liposomen wird durch die Gleichmäßigkeit der Partikelgröße und Lamellarität, die Einschlusseffizienz (%EE) / Beladung sowie die Stabilität bestimmt. Herstellungsverfahren, Prozessbedingungen, Rohstoffe und Lagerung sind wichtige Faktoren, die zur Qualität und damit zur Wirksamkeit liposomaler Formulierungen beitragen. Die REM-Aufnahme links zeigt die mit DHA- und EPA-Fettsäuren beladenen Liposomen, die mithilfe des Ultraschallgeräts UP200S von Hielscher hergestellt wurden (Studie und Bild: Hadian et al. 2014).
Die Herstellung von Liposomen mittels Ultraschall ist ein zuverlässiges Verfahren, das eine kleine, einheitliche Liposomenpartikelgröße bei hoher Beladung mit bioaktiven Molekülen ermöglicht. Ultraschallprozessparameter wie Amplitude, Gesamtenergie, Zeit, Pulsation, Temperatur und Druck lassen sich exakt einstellen. Bei diesem nichtthermischen Verarbeitungsverfahren beruht die Wirkung der Beschallung auf rein mechanischer Scherung. Der Temperaturanstieg in der beschallten Flüssigkeit lässt sich durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erklären, der besagt, dass jede zugeführte Energie letztlich in Wärme umgewandelt wird. Um eine gleichbleibend niedrige Temperatur des liposomalen Mediums aufrechtzuerhalten, bietet Hielscher Ultrasonics ausgereifte Kühllösungen wie Eisbäder sowie Reaktoren und Durchflusszellen mit Kühlmantel. Die Ergebnisse der Liposomenherstellung mittels Ultraschall sind reproduzierbar, was für einen standardisierten Prozess und eine gleichbleibend hohe Produktqualität wichtig ist.
Hochwertige Phospholipide mit einem hohen Anteil an Phosphatidylcholin und Phosphatidylethanolamin bilden eine stabile Liposomenhülle, die das Austreten von Nährstoffen verhindert. Eine widerstandsfähige Phospholipidhülle schützt die verkapselten Nährstoffe außerdem vor oxidativem und thermischem Abbau. Daher ist ein ausgewogenes Verhältnis von Phospholipiden, wässriger Phase und verkapselten Nährstoffen (bioaktiven Molekülen) unerlässlich.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Liposomenherstellung

Die Systeme von Hielscher Ultrasonics sind zuverlässige Maschinen, die in der Herstellung von Pharmazeutika und Nahrungsergänzungsmitteln zur Formulierung hochwertiger Liposomen eingesetzt werden, die mit Vitaminen, Antioxidantien, Flavonoiden, Peptiden, Polyphenolen und anderen bioaktiven Verbindungen / Nährstoffen beladen sind. Um die Anforderungen seiner Kunden zu erfüllen, liefert Hielscher Ultraschallgeräte vom kompakten, handgeführten Laborhomogenisator über Ultraschall-Tischgeräte bis hin zu industriellen Ultraschallsystemen zur Herstellung großer Mengen liposomaler Formulierungen. Die Herstellung liposomaler Formulierungen mittels Ultraschall kann im Batchbetrieb oder als kontinuierlicher Inline-Prozess mit einem Ultraschall-Durchflussreaktor erfolgen. Eine breite Auswahl an Ultraschallsonotroden und Reaktorgefäßen steht zur Verfügung, um eine optimale Konfiguration für Ihre Liposomenherstellung zu gewährleisten. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die präzise Kontrolle aller wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Beschallungsdauer macht den Ultraschallprozess zuverlässig und reproduzierbar. Hielscher Ultrasonics weiß um die Bedeutung einer gleichbleibend hohen Produktqualität und unterstützt Hersteller von Nahrungsergänzungsmitteln und Therapeutika durch intelligente Software und automatische Datenaufzeichnung bei der Umsetzung der Prozessstandardisierung und der GMP (Gute Herstellungspraxis). Unsere digitalen Ultraschallhomogenisatoren zeichnen sämtliche Ultraschallprozessparameter automatisch auf einer integrierten SD-Karte auf. Digitale Touchdisplays und die Browser-Fernsteuerung ermöglichen eine kontinuierliche Prozessüberwachung sowie die präzise Anpassung der Prozessparameter bei Bedarf. Dies erleichtert die Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle erheblich.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: