Ultraschallgestützte Formulierung nanostrukturierter Lipid-Wirkstoffträger

Nanostrukturierte Lipidträger (NLCs) sind eine fortschrittliche Form nanoskaliger Wirkstoffabgabesysteme mit einem Lipidkern und einer wasserlöslichen Hülle. NLCs weisen eine hohe Stabilität auf, schützen die aktiven Biomoleküle vor Abbau und ermöglichen eine anhaltende Wirkstofffreisetzung. Die Ultraschallbehandlung ist ein zuverlässiges, effizientes und einfaches Verfahren zur Herstellung beladener nanostrukturierter Lipidträger.

Ultraschallgestützte Herstellung nanostrukturierter Lipidträger

Nanostrukturierte Lipidträger (NLCs) enthalten festes Lipid, flüssiges Lipid und Tensid in einem wässrigen Medium, wodurch sie gute Löslichkeits- und Bioverfügbarkeitseigenschaften aufweisen. NLCs werden häufig zur Formulierung stabiler Wirkstoffträgersysteme mit hoher Bioverfügbarkeit und anhaltender Wirkstofffreisetzung eingesetzt. NLCs haben ein breites Anwendungsspektrum, das von der oralen bis zur parenteralen Verabreichung reicht und auch die topische/transdermale, ophthalmische (okuläre) und pulmonale Verabreichung umfasst.
Die Ultraschalldispergierung und -emulgierung ist ein zuverlässiges und effizientes Verfahren zur Herstellung nanostrukturierter Lipidträger, die mit Wirkstoffen beladen sind. Die ultraschallgestützte NLC-Herstellung hat den wesentlichen Vorteil, dass weder ein organisches Lösungsmittel noch große Tensidmengen oder Zusatzstoffe erforderlich sind. Die ultraschallgestützte NLC-Formulierung ist ein relativ einfaches Verfahren, bei dem das schmelzende Lipid zur Tensidlösung gegeben und anschließend beschallt wird.

Beispielprotokolle für ultraschallgestützt beladene nanostrukturierte Lipidträger

Dexamethason-beladene NLCs durch Ultraschallbehandlung
Ein nichttoxisches NLC-System für eine mögliche ophthalmische Anwendung wurde unter Ultraschallbehandlung hergestellt. Dabei wurden eine enge Größenverteilung, eine hohe Einschlusseffizienz für Dexamethason und eine verbesserte Penetration erzielt. Die NLC-Systeme wurden ultraschallgestützt mit einem Hielscher UP200S-Ultraschallgerät und den Komponenten Compritol 888 ATO, Miglyol 812N und Cremophor RH60 hergestellt.
Das feste Lipid, das flüssige Lipid und das Tensid wurden mit einem beheizbaren Magnetrührer bei 85 ºC geschmolzen. Anschließend wurde Dexamethason (DXM) zur geschmolzenen Lipidmischung gegeben und dispergiert. Das reine Wasser wurde auf 85 ºC erhitzt, und die beiden Phasen wurden bei 70 % Amplitude für 10 min beschallt. Hierzu diente der Hielscher UP200S-Ultraschallhomogenisator. Das NLC-System wurde in einem Eisbad gekühlt.
Die ultraschallgestützt hergestellten NLCs weisen eine enge Größenverteilung, eine hohe Einschlusseffizienz für DXM und eine verbesserte Penetration auf.
Die Forschenden empfehlen eine niedrige Tensidkonzentration und eine niedrige Lipidkonzentration (z. B. 2,5 % Tensid und 10 % Gesamtlipid), da dann die kritischen Stabilitätsparameter (Z_ave, ZP, PDI) und die Wirkstoffbeladungskapazität (EE%) geeignet sind, während die Emulgatorkonzentration niedrig bleiben kann.
(vgl. Kiss et al. 2019)

Retinylpalmitat-beladene NLCs durch Ultraschallbehandlung
Retinoide werden häufig als Inhaltsstoffe in dermatologischen Behandlungen gegen Falten eingesetzt. Retinol und Retinylpalmitat sind zwei Verbindungen aus der Gruppe der Retinoide, die die Dicke der Epidermis erhöhen können und als Wirkstoffe gegen Falten wirksam sind.
Die NLC-Formulierung wurde mittels Ultraschallbehandlung hergestellt. Die Formulierung enthielt 7,2 % Cetylpalmitat, 4,8 % Ölsäure, 10 % Tween 80, 10 % Glycerin und 2 % Retinylpalmitat. Zur Herstellung der mit Retinylpalmitat beladenen NLCs wurden folgende Schritte durchgeführt: Die Mischung der geschmolzenen Lipide wird bei 60–70 °C mit dem Tensid, dem Cotensid, Glycerin und deionisiertem Wasser vermischt. Diese Mischung wird mit einem Hochschermischer bei 9800 rpm für 5 min gerührt. Nach der Bildung der Voremulsion wird diese sofort mit einem Ultraschallhomogenisator mit Sonotrode für 2 min beschallt. Anschließend wurden die erhaltenen NLCs für 24 h bei Raumtemperatur aufbewahrt. Die Emulsion wurde für 24 h bei Raumtemperatur gelagert, und die Nanopartikelgröße wurde gemessen. Die NLC-Formulierung wies Partikelgrößen im Bereich von 200–300 nm auf. Die erhaltenen NLCs haben ein blassgelbes Erscheinungsbild, eine Tröpfchengröße von 258±15,85 nm und einen Polydispersitätsindex von 0,31±0,09. Die nachstehende TEM-Aufnahme zeigt die ultraschallgestützt hergestellten, mit Retinylpalmitat beladenen NLCs.
(vgl. Pamudji et al. 2015)

Mit Zingiber zerumbet beladene NLCs durch Ultraschallbehandlung
Nanostrukturierte Lipidträger bestehen aus einer Mischung aus festem Lipid, flüssigem Lipid und Tensid. Sie sind hervorragende Wirkstoffabgabesysteme, um bioaktive Substanzen mit geringer Wasserlöslichkeit zu verabreichen und deren Bioverfügbarkeit deutlich zu erhöhen.
Zur Formulierung von mit Zingiber zerumbet beladenen NLCs wurden die folgenden Schritte durchgeführt. 1 % festes Lipid, nämlich Glycerinmonostearat, und 4 % flüssiges Lipid, nämlich natives Kokosöl, wurden vermischt und bei 50 °C geschmolzen, um eine homogene, klare Lipidphase zu erhalten. Anschließend wurde der Lipidphase 1 % Zingiber-zerumbet-Öl zugesetzt, wobei die Temperatur kontinuierlich 10 °C oberhalb der Schmelztemperatur von Glycerinmonostearat gehalten wurde. Zur Herstellung der wässrigen Phase wurden destilliertes Wasser, Tween 80 und Sojalecithin im richtigen Verhältnis miteinander vermischt. Die wässrige Mischung wurde sofort zur Lipidmischung gegeben, um eine Voremulsion zu bilden. Die Voremulsion wurde dann mit einem Hochscherhomogenisator bei 11.000 rpm für 1 min homogenisiert. Anschließend wurde die Voremulsion mit einem Ultraschallgerät mit Sonotrode bei 50 % Amplitude für 20 min beschallt. Abschließend wurde die NLC-Dispersion in einem Eiswasserbad auf Raumtemperatur (25±1 °C) abgekühlt, um die Suspension im Kältebad abzuschrecken und dadurch eine Partikelaggregation zu verhindern. Die NLCs wurden bei 4 °C gelagert.
Die mit Zingiber zerumbet beladenen NLCs weisen eine Größe in Nanometern von 80,47±1,33, einen stabilen Polydispersitätsindex von 0,188±2,72 und ein Zetapotenzial von -38,9±2,11 auf. Die Verkapselungseffizienz zeigt, dass der Lipidträger Zingiber-zerumbet-Öl mit einer Effizienz von über 80 % verkapseln kann.
(vgl. Rosli et al. 2015)

Valsaratan-beladene NLCs durch Ultraschallbehandlung
Valsaratan ist ein Angiotensin-II-Rezeptorblocker, der in blutdrucksenkenden Arzneimitteln eingesetzt wird. Valsartan weist aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit eine niedrige Bioverfügbarkeit von nur etwa 23 % auf. Die ultraschallgestützte Schmelzemulgierung ermöglichte die Herstellung von Valsaratan-beladenen NLCs mit einer deutlich verbesserten Bioverfügbarkeit.
Hierzu wurde eine ölige Lösung von Val mit einer bestimmten Menge eines geschmolzenen Lipidmaterials bei einer Temperatur von 10 °C oberhalb des Lipidschmelzpunkts vermischt. Durch Auflösen bestimmter Einwaagen von Tween 80 und Natriumdesoxycholat wurde eine wässrige Tensidlösung hergestellt. Die Tensidlösung wurde anschließend auf dieselbe Temperatur erhitzt und durch Beschallung mit einer Sonotrode für 3 min mit der öligen Lipid-Wirkstoff-Lösung vermischt, um eine Emulsion zu bilden. Danach wurde die entstandene Emulsion durch magnetisches Rühren für 10 min in gekühltem Wasser dispergiert. Die entstandenen NLCs wurden durch Zentrifugation abgetrennt. Aus dem Überstand wurden Proben entnommen und mit einer validierten HPLC-Methode auf die Konzentration von Val untersucht.
Die ultraschallgestützte Schmelzemulgierung bietet mehrere Vorteile, darunter eine einfache Durchführung unter möglichst schonenden Bedingungen und den Verzicht auf toxische organische Lösungsmittel. Die höchste erreichte Einschlusseffizienz betrug 75,04 %.
(vgl. Albekery et al. 2017)

Weitere Wirkstoffe wie Paclitaxel, Clotrimazol, Domperidon, Puerarin und Meloxicam wurden ebenfalls erfolgreich mithilfe von Ultraschallverfahren in feste Lipidnanopartikel und nanostrukturierte Lipidträger eingebracht. (vgl. Bahari und Hamishehkar 2016)

Die Ultraschallbehandlung kann bei der Formulierung nanoskaliger Lipidträger (NLCs) als Kalt- oder Heißhomogenisierungsverfahren eingesetzt werden. Die Ultraschallhomogenisierung führt zu einer engen Partikelgrößenverteilung, wodurch sich die Stabilität und die Lagereigenschaften der NLCs verbessern.

Ultraschall-Kalthomogenisierung

Bei der Herstellung nanostrukturierter Lipidträger durch Kalthomogenisierung werden die pharmakologisch aktiven Moleküle, also der Wirkstoff, in der Lipidschmelze gelöst und anschließend mit flüssigem Stickstoff oder Trockeneis rasch abgekühlt. Während der Abkühlung erstarren die Lipide. Die feste Lipidmasse wird anschließend auf Nanopartikelgröße vermahlen. Die Lipidnanopartikel werden in einer kalten Tensidlösung dispergiert, wodurch eine kalte Vorsuspension entsteht. Abschließend wird diese Suspension bei Raumtemperatur beschallt, häufig unter Verwendung eines Ultraschall-Durchflusszellenreaktors.
Da die Substanzen nur einmal im ersten Schritt erhitzt werden, wird die Ultraschall-Kalthomogenisierung hauptsächlich zur Formulierung hitzeempfindlicher Wirkstoffe eingesetzt. Da viele bioaktive Moleküle und pharmazeutische Verbindungen zu thermischem Abbau neigen, ist die Ultraschall-Kalthomogenisierung ein weit verbreitetes Verfahren. Ein weiterer Vorteil der Kalthomogenisierung ist die Vermeidung einer wässrigen Phase. Dadurch lassen sich hydrophile Moleküle leichter verkapseln, die bei der Heißhomogenisierung andernfalls aus der flüssigen Lipidphase in die Wasserphase übergehen könnten.

Ultraschall-Heißhomogenisierung

Bei der Ultraschall-Heißhomogenisierung werden die geschmolzenen Lipide und die aktive Verbindung, also der pharmakologisch aktive Wirkstoff, unter intensivem Rühren in einem heißen Tensid dispergiert, um eine Voremulsion zu erhalten. Für die Heißhomogenisierung ist es wichtig, dass beide Lösungen, die Lipid-Wirkstoff-Suspension und das Tensid, auf dieselbe Temperatur erhitzt wurden, etwa 5–10 °C oberhalb des Schmelzpunkts des festen Lipids. Im zweiten Schritt wird die Voremulsion unter Beibehaltung der Temperatur mit Hochleistungsultraschall behandelt.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für nanostrukturierte Lipidträger

Die leistungsstarken Ultraschallsysteme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit in der pharmazeutischen Forschung, Entwicklung und Produktion eingesetzt, um hochwertige nanoskalige Wirkstoffträger wie feste Lipidnanopartikel (SLNs), nanostrukturierte Lipidträger (NLCs), Nanoemulsionen und Nanokapseln herzustellen. Um den Anforderungen seiner Kunden gerecht zu werden, liefert Hielscher Ultraschallgeräte vom kompakten, leistungsstarken Laborhomogenisator für den Handbetrieb über Ultraschall-Tischgeräte bis hin zu Ultraschallsystemen für den vollindustriellen Einsatz zur Herstellung großer Mengen pharmazeutischer Formulierungen. Eine breite Auswahl an Ultraschallsonotroden und Reaktoren steht zur Verfügung, um eine optimale Anlagenkonfiguration für Ihre Herstellung nanostrukturierter Lipidträger (NLCs) sicherzustellen. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Damit unsere Kunden die Gute Herstellungspraxis (GMP) einhalten und standardisierte Prozesse etablieren können, sind alle digitalen Ultraschallgeräte mit intelligenter Software ausgestattet. Diese ermöglicht die präzise Einstellung der Beschallungsparameter, eine kontinuierliche Prozesskontrolle und die automatische Aufzeichnung aller wichtigen Prozessparameter auf einer integrierten SD-Karte. Eine hohe Produktqualität hängt von der Prozesskontrolle und gleichbleibend hohen Verarbeitungsstandards ab. Die Ultraschallgeräte von Hielscher helfen Ihnen, Ihren Prozess zu überwachen und zu standardisieren!

Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200 µm lassen sich problemlos dauerhaft im 24/7-Betrieb aufrechterhalten. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: