Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschallformulierung von nanostrukturierten Lipid-Wirkstoffträgern

Nanostructured Lipid Carriers (NLCs) sind eine fortschrittliche Form nano-skaliger Wirksstoffsysteme mit einem Lipidkern und einer wasserlöslichen Hülle. NLCs haben eine hohe Stabilität, schützen die aktiven Biomoleküle vor Zersetzung und bieten eine nachhaltige Wirkstofffreisetzung. Ultraschall ist eine zuverlässige, effiziente und einfache Technik zur Herstellung wirkstoff-beladener nanostrukturierter Lipidträger.

Ultraschall-gestützte Herstellung von nanostrukturierten Lipid-Trägersystemen

Nanostrukturierte Lipidträger (engl. nanostructured lipid carriers; abbrev. NLCs) bestehen aus festem Lipid, flüssigem Lipid und Tensiden in einem wässrigen Medium, wodurch nanostrukturierte Lipidträger eine gute Löslichkeit und Bioverfügbarkeit aufweisen. NLCs werden häufig zur Formulierung stabiler Wirkstoffträgersysteme mit einer hohen Bioverfügbarkeit und Retardwirkung verwendet. NLCs haben ein breites Anwendungsspektrum, das von der oralen bis zur parenteralen Verabreichung einschließlich topischer/transdermaler, ophthalmischer (okulärer) und pulmonaler Verabreichung reicht.
Die Ultraschalldispersion und -emulgierung ist eine zuverlässige und effiziente Technik zur Herstellung nanostrukturierter Lipidträger, welche mit bioaktiven Molekülen beladen sind. Die Ultraschall-gestützte Hersetllung von NLCs hat den großen Vorteil, dass kein organisches Lösungsmittel, keine großen Mengen an Tensiden oder Additivverbindungen benötigt werden. Die Ultraschall-gestützte NLC-Herstelllung ist eine relativ einfache Methode, da das schmelzende Lipid zur Tensidlösung hinzugefügt und dann mit Ultraschall behandelt wird.

Beispielhafte Protokolle für mittels Ultraschall beladener Nanostrukturierter Lipidträger

Dexamethason-beladene NLCs mittels Ultraschall
Ultraschallextraktion mit UP200StMittels Ultraschall wurde ein nicht-toxisches, ophthalmisches NLC-System hergestellt, welches eine engen Partikelgößenverteilung, eine hohe Dexamethasoneinschlusseffizienz sowie verbesserte Penetrationseigenschaften aufweist. Diese nanostruturierten Lipidträger-Systeme wurden mit dem Ultraschallhomogenisator Hielscher UP200S sowie Compritol 888 ATO, Miglyol 812N und Cremophor RH60 als Komponenten hergestellt.
Das feste Lipid, das flüssige Lipid und das Tensid wurden unter Verwendung eines Heizmagnetrührers bei 85ºC geschmolzen. Dann wurde Dexamethason (DXM) zu der geschmolzenen Lipidmischung hinzugefügt und dispergiert. Das reine Wasser wurde auf 85ºC erhitzt und die beiden Phasen wurden mit dem Ultraschallgerät Hielscher UP200S (bei 70% Amplitude für 10 min) mit dem Dexamethason beschallt. Das NLC-System wurde in einem Eisbad gekühlt.
Die ultraschallpräparierten NLCs weisen eine enge Partikelgrößenverteilung, eine hohe DXM-Einschlusswirksamkeit sowie ein verbessertes Penetrationsverhalten auf.
Die Forscher empfehlen die Verwendung einer niedrigen Tensidkonzentration und einer niedrigen Lipidkonzentration (z.B. 2,5% für das Tensid und 10% für das Gesamtlipid), da dann die kritischen Stabilitätsparameter (ZaveZP, PDI) und die Wirkstoffbeladungskapazität (EE%) passend sind, während die Emulgatorkonzentration auf niedrigem Niveau bleiben kann.
(vgl. Kiss et al. 2019)

Retinylpalmitat-beladene NLCs mittels Ultraschall
Retinoid ist ein weit verbreiteter Inhaltsstoff in der dermatologischen Faltentherapie. Retinol und Retinylpalmitat sind zwei Verbindungen aus der Gruppe der Retinoide, welche die Dicke der Epidermis anregen und als Anti-Falten-Wirkstoff wirksam sind.
Die NLC-Formulierung wurde mit der Ultraschallmethode hergestellt. Die Formulierung enthielt 7,2% Cetylpalmitat, 4,8% Ölsäure, 10% Tween 80, 10% Glycerin und 2% Retinylpalmitat. Die folgenden Schritte wurden unternommen, um mit Retinylpalmitat beladene NLCs herzustellen: Die Mischung aus geschmolzenen Lipiden wird mit dem Tensid, Co-Tensid, Glycerin und entionisiertem Wasser bei 60-70°C gemischt. Diese Mischung wird 5 Minuten lang mit einem Hochschermischer bei 9800 U/min gerührt. Nachdem sich eine Voremulsion gebildet hat, wird diese Voremulsion sofort mit einem Ultraschall-Homogenisator für 2 min beschallt. Die Emulsion wurde für 24 h bei Raumtemperatur gelagert und die Nanopartikelgröße gemessen. Die NLC-Formulierung zeigte Partikelgrößen im Bereich von 200-300 nm. Die erhaltenen NLCs haben eine blassgelbe Farbe, eine Partikelgröße von 258±15,85 nm und einen Polydispersitätsindex von 0,31±0,09. Das unten stehende TEM-Bild zeigt die mittels Ultraschallhergestellten Retinylpalmitat-beladenen NLCs.
(vgl. Pamudji et al. 2015)

Ultraschall ist eine schnelle und zuverlässige Technik, um hochwertige nanostrukturierte Lipidträger herzustellen.

UP400Stein 400 Watt starker Ultraschall-Homogenisator zur Herstellung von nanostrukturierten Lipidträgern (NLCs)

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Mit Retinylpalmitat beladene sphärische nanostrukturierte Lipidträger wurden mittels Ultraschall hergestellt. Die NLCs haben eine durchschnittliche Größe von 200-300nm.

Morphologie der mittels Ultraschall formulierten Retinylpalmitat-NLCs: (A) Vergrößerung von 10.000x, (B) Vergrößerung von 20.000x und (C) Vergrößerung von 40.000x
Quelle: Pamudji et al. 2016

Zingiber zerumbet-beladene NLCs mittels Ultraschall
Nanostrukturierte Lipidträger bestehen aus einer Mischung aus festen Lipiden, flüssigen Lipiden und Tensiden. Es handelt sich dabei um ein hervorragendes Wirkstoff-Delivery-System, um bioaktive Substanzen mit schlechter Wasserlöslichkeit zu verabreichen und deren Bioverfügbarkeit deutlich zu erhöhen.
Die folgenden Schritte wurden unternommen, um mit Zingiber zerumbet Öl-beladene NLCs zu formulieren. 1% festes Lipid, d.h. Glycerylmonostearat, und 4% flüssiges Lipid, d.h. reines Kokosnussöl, wurden gemischt und bei 50°C geschmolzen, um eine homogene, klare Lipidphase zu erhalten. Anschließend wurde der Lipidphase 1% Zingiber zerumbet-Öl hinzugefügt, während die Temperatur kontinuierlich 10°C über der Schmelztemperatur von Glycerylmonostearat gehalten wurde. Für die Herstellung der wässrigen Phase wurden destilliertes Wasser, Tween 80 und Sojalecithin im richtigen Verhältnis miteinander vermischt. Die wässrige Mischung wurde sofort in die Lipidmischung gegeben, um daraus eine Voremulsion zu bilden. Die Voremulsion wurde dann mit einem Hochscher-Homogenisator bei 11.000 U/min für 1 min homogenisiert. Danach wurde die Voremulsion mit einem Ultraschallstab (Ultraschallhomogenisator mit Sonotrode) bei 50% Amplituden für 20 min beschallt. Abschließend wurde die NLC-Dispersion im Eiswasserbad auf Raumtemperatur (25±1°C) abgekühlt, um die Suspension im Kaltbad abzuschrecken und eine Partikelaggregation zu verhindern. Die NLCs wurden bei 4°C gelagert.
Die mit Zingiber zerumbet Öl-beladenen NLCs weisen eine Nanometergröße von 80,47±1,33, einen stabilen Polydispersitätsindex von 0,188±2,72 und eine Zetapotentialladung von -38,9±2,11 auf. Die Verkapselungseffizienz zeigt die Fähigkeit des Lipidträgers, Zingiber Zerumbet-Öl mit mehr als 80% Effizienz zu verkapseln.
(vgl. Rosli et al. 2015)

Valsaratan-beladene NLCs mittels Ultraschall
Valsaratan ist ein Angiotensin-II-Rezeptorblocker, der in blutdrucksenkenden Medikamenten eingesetzt wird. Valsartan hat aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit eine geringe Bioverfügbarkeit von ca. 23%. Mittels Ultraschall-gestützter Schmelz-Emulgierung konnten mit Valsaratan beladene NLCs hergestellt werden, welche eine deutlich verbesserte Bioverfügbarkeit aufweisen.
Hierzu wurde eine ölige Lösung von Valsaratan mit einer bestimmten Menge eines geschmolzenen Lipidmaterials bei einer Temperatur von 10°C über dem Lipidschmelzpunkt gemischt. Eine wässrige Tensidlösung wurde durch das Auflösen von Tween 80 und Natriumdesoxycholat hergestellt. Die Tensidlösung wurde weiter auf den gleichen Temperaturgrad erhitzt und mit der öligen Lipid/Wirkstofflösung mit Ultraschall für 3 min. zu einer Emulsion gemischt. Dann wurde die gebildete Emulsion 10 Minuten lang mit Hilfe eines Magnetrührers in gekühltem Wasser dispergiert. Die gebildeten NLC wurden durch Zentrifugation abgetrennt. Aus dem Überstand wurden Proben entnommen und mit einer validierten HPLC-Methode auf die Valsaratan-Konzentration analysiert.
Die Ultraschall-gestützte Schmelz-Emulgierung weist zahlreiche Vorteile auf, z.B. die Einfachheit der Methode, die geringe Belastung durch Hitze und Scherung, sowie der Verzicht auf giftige organische Lösungsmittel. Die maximal erreichte Einschlusseffizienz betrug 75,04%.
(vgl. Albekery et al. 2017)

Andere Wirkstoffe wie Paclitaxel, Clotrimazol, Domperidon, Puerarin und Meloxicam wurden ebenfalls erfolgreich mit Ultraschalltechniken in Fest-Lipid-Nanopartikel und nanostrukturierte Lipidträger eingekapselt. (vgl. Bahari und Hamishehkar 2016)

Ultraschall als Präparationsmethode für die Formulierung von Nanostrukturierten Lipidträgern (NLCs) kann sowohl in der Kalt- als auch in der Heißhomogenisierung zum Einsatz kommen. Die Ultraschall-Homogenisierung führt zu einer engen Partikelgrößenverteilung, wodurch die Stabilität und Lagereigenschaften der NLCs verbessert werden.

Kalthomogenisierung mittels Ultraschall

Bei der Kalt-Homogenisierungstechnik zur Herstellung von nanostrukturierten Lipidträgern werden die pharmakologisch aktiven Moleküle, d.h. das Medikament, in der Lipidschmelze gelöst und anschliessend mit flüssigem Stickstoff oder Trockeneis schnell abgekühlt. Beim Abkühlen verfestigen sich die Lipide. Die feste Lipidmasse wird dann in Nanopartikelgröße gemahlen. Die Lipid-Nanopartikel werden in einer kalten Tensidlösung dispergiert, wodurch eine kalte Vorsuspension entsteht. Zum Schluss wird diese Suspension bei Raumtemperatur mit einem Ultraschallhomogenisator beschallt, wobei hier häufig Ultraschall-Durchflusszellenreaktoen zur Inline-Beschallung eingesetzt werden.
Da die Substanzen nur im ersten Schritt einmal erwärmt werden, wird die Ultraschall-Kalthomogenisierung hauptsächlich zur Formulierung hitzeempfindlicher Medikamente eingesetzt. Da viele bioaktive Moleküle und pharmazeutische Verbindungen anfällig für Zersetzung unter hohen Temperaturen sind, ist die Ultraschall-Kalthomogenisierung eine weit verbreitete Anwendung. Ein weiterer Vorteil der Kalt-Homogenisierungstechnik ist die Vermeidung einer wässrigen Phase, wodurch es einfacher wird, hydrophile Moleküle einzukapseln, welche sich sonst während der Heißhomogenisierung von der flüssigen Lipidphase in die Wasserphase abtrennen könnten.

Ultraschall-Heißhomogenisierung

Wenn Ultraschall für die Heißhomogenisierungstechnik verwendet wird, werden die geschmolzenen Lipide und der Wirkstoff (d.h. der pharmakologisch aktive Bestandteil) unter intensivem Rühren in einem heißen Tensid dispergiert, um eine Voremulsion zu erhalten. Für das Heißhomogenisierungsverfahren ist es wichtig, dass beide Lösungen, die Lipid-/Wirkstoffsuspension und das Tensid, auf die gleiche Temperatur erhitzt wurden (ca. 5-10°C über dem Schmelzpunkt des festen Lipids). Im zweiten Schritt wird die Voremulsion dann unter Beibehaltung der Temperatur mit Hochleistungs-Ultraschall behandelt.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für nanostrukturierte Lipidträger

UIP2000hdT - ein 2000W Hochleistungs-Ultraschallgerät für die industrielle Vermahlung von Nanopartikeln.Die leistungsstarken Ultraschallsysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung &sowie in der Produktion hochwertiger Nano-Wirkstoffträger, wie z.B. Solid-Lipid-Nanopartikel (SLNs), nanostrukturierter Lipidträger (NLCs), Nanoemulsionen und Nanokapseln eingesetzt. Um den Anforderungen seiner Kunden gerecht zu werden, liefert Hielscher Ultraschallgeräte vom kompakten, leistungsstarken Labor-Handhomogenisator und Technikums-Ultraschallgerät bis hin zu voll-industriellen Ultraschallsystemen für die Herstellung von pharmazeutischen Formulierungen in großen Mengen. Eine breite Palette von Ultraschall-Sonotroden und -Reaktoren steht zur Verfügung, um eine optimale Konfigurierung Ihres Ultraschallsystems für Ihre Produktion von nanostrukturierten Lipidträgern (NLCs) zu gewährleisten. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Um es unseren Kunden leicht zu machen, Good Manufacturing Practices (GMP) umzusetzen und standardisierte Prozesse zu etablieren, sind alle digitalen Ultraschallgeräte mit intelligenter Software ausgestattet. Die Software erlaubt die präzise Einstellung der Beschallungsparameter, die kontinuierliche Prozesskontrolle sowie die automatische Aufzeichnung aller wichtigen Prozessparameter auf der integrierten SD-Karte. Eine hohe Produktqualität hängt von der Prozesskontrolle und den kontinuierlich hohen Verarbeitungsstandards ab. Hielscher Ultraschallgeräte helfen Ihnen, Ihren Prozess zu überwachen und zu standardisieren!

Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7 Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Hochentwickelte nanoskalige Wirkstoffträger

Nanoemulsionen, Liposomen, Niosomen, polymere Nanopartikel, Solid-Lipid-Nanopartikel und nanostrukturierte Lipid-Nanopartikel werden als fortschrittlicheWirkstoffabgabesysteme eingesetzt, um die Bioverfügbarkeit zu verbessern, die Zytotoxizität zu verringern und eine nachhaltige Wirkstofffreisetzung (Retardwirkung) zu erreichen.

Der Unterschied zwischen Solid-Lipid-Nanopartikeln und nanostrukturierten Lipidträgern besteht in der Zusammensetzung der Lipidmatrix.

Die schematische Struktur von a) Solid-Lipid-Nanopartikeln b) nanostrukturierten Lipidträgern
Quelle: Bahari und Hamishehkar 2016

Der Begriff Solid-Lipid-Basierte Nanopartikel (SLBNs) umfasst die folgenden zwei Arten nanoskaliger Wirkstoffträger, Solid-Lipid Nanopartikel (SLNs) und Nanostructured Lipid Carrier (NLCs). SLNs und NLCs unterscheiden sich durch die Zusammensetzung der Festpartikelmatrix:
Solid-Lipid-Nanopartikel (SLNs), auch als Liposphären oder feste Lipid-Nanosphären bekannt, sind Submikron-Partikel mit einer durchschnittlichen Größe zwischen 50 und 100nm. SLNs werden aus Lipiden hergestellt, die bei Raum- und Körpertemperatur fest bleiben. Das feste Lipid wird als Matrixmaterial verwendet, in welche bioaktive Moleküle (i.e. Medikamente) eingekapselt werden. Lipide für die Herstellung von SLNs können aus einer Vielzahl von Lipiden ausgewählt werden, darunter Mono-, Di- oder Triglyceride, Glyceridmischungen und Lipidsäuren. Die Lipidmatrix wird dann durch biokompatible Tenside stabilisiert.
Nanostrukturierte Lipidträger (NLCs) sind lipidbasierte Nanopartikel, welche aus einer festen Lipidmatrix bestehen, die mit flüssigen Lipiden oder Öl kombiniert ist. Das feste Lipid bildet eine stabile Matrix, welche die bioaktiven Moleküle, d.h. das Medikament, immobilisiert und die Aggregation der Partikel verhindert. Die flüssigen Lipid- oder Öltröpfchen innerhalb der festen Lipidmatrix erhöhen die Beladungskapazität der Partikel mit Wirkstoffen.