Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-gestützte Herstellung von Liposomen

Ultraschall-Liposomenpräparat für Pharmazeutika und Kosmetika

Liposomen (liposomale-lipidbasierte Vesikel), Transferosomen (ultradeformierbare Liposomen), Ethosomen (ultradeformierbare Vesikel mit hohem Alkoholgehalt) und Niosomen (synthetische Vesikel) sind mikroskopische Vesikel, die künstlich als kugelförmige Träger hergestellt werden können, in die aktive Moleküle eingekapselt werden können. Diese Vesikel mit Durchmessern zwischen 25 und 5000 nm werden häufig als Medikamententräger für topische Zwecke in der pharmazeutischen und kosmetischen Industrie wie Wirkstoffabgabe, Gentherapie und Immunisierung eingesetzt. Ultraschall ist eine bewährte Methode der Liposomenpräparation und der Verkapselung von Wirkstoffen in diese Vesikel.

Liposomes are made from Phosphatidyl Choline (PC)

Liposomen sind nicht nur Wirkstoffträger, auch ohne verkapselte Wirkstoffe, die freien Vesikel, sind starke Wirkstoffe für die Haut, da das Phosphatidylcholin zwei wesentliche Bestandteile enthält, die der menschliche Organismus nicht selbst herstellen kann: Linolsäure und Cholin.

Liposomen

Liposomen sind ein-, oligolamellare oder multilamellare vesikuläre Systeme und bestehen aus dem gleichen Material wie eine Zellmembran (Lipiddoppelschicht). Hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Größe unterscheidet man zwischen multilamellaren Vesikeln (MLV, 0,1-10μm) und unilamellaren Vesikeln, die zwischen kleinen (SUV, <100 nm), große (LUV, 100-500 nm) oder riesige (GUV, ≥1 μm) Vesikel.
Die Verbundstruktur der Liposomen besteht aus Phospholipiden. Phospholipide haben eine hydrophile Kopfgruppe und eine hydrophobe Schwanzgruppe, die aus einer langen Kohlenwasserstoffkette besteht.
Die Liposomenmembran hat eine sehr ähnliche Zusammensetzung wie die Hautbarriere, so dass sie sich leicht in die menschliche Haut integrieren lässt. Da die Liposomen mit der Haut fusionieren, können sie die eingeschlossenen Wirkstoffe direkt an den Bestimmungsort entladen, wo die Wirkstoffe ihre Funktion erfüllen können. So schaffen die Liposomen eine Verbesserung der Hautdurchlässigkeit für die eingeschlossenen pharmazeutischen und kosmetischen Wirkstoffe. Auch Liposomen ohne verkapselte Wirkstoffe, die freien Vesikel, sind starke Wirkstoffe für die Haut, da das Phosphatidylcholin zwei wesentliche Bestandteile enthält, die der menschliche Organismus nicht selbst herstellen kann: Linolsäure und Cholin.
Liposomen werden als biokompatible Träger von Medikamenten, Peptiden, Proteinen, plasmatischer DNA, Antisense-Oligonukleotiden oder Ribozymen für pharmazeutische, kosmetische und biochemische Zwecke eingesetzt. Die enorme Vielseitigkeit in der Partikelgröße und in den physikalischen Parametern der Lipide bietet ein attraktives Potenzial für den Bau maßgeschneiderter Fahrzeuge für ein breites Anwendungsspektrum. (Ulrich 2002)

Ultraschall-Liposomenbildung

Liposomen können durch den Einsatz von Ultraschall gebildet werden. Das Ausgangsmaterial für die Liposomenpräparation sind amphile Moleküle, die sich aus biologischen Membranlipiden ableiten oder darauf basieren. Für die Bildung von kleinen unilamellaren Vesikeln (SUV) wird die Lipiddispersion sanft beschallt. – z.B. mit dem Ultraschall-Handgerät UP50H (50W, 30kHz), dem VialTweeter oder dem Ultraschallreaktor UTR200 – wobei die Dispersion im Eisbad gekühlt wird. Die Dauer einer solchen Beschallung dauert ca. 5 – 15 Minuten. Eine andere Methode zur Herstellung kleiner unilamellarer Vesikel ist die Beschallung multilamellarer Liposomenvesikeln.
Dinu-Pirvu et al. (2010) stellte Transferosomen durch das Beschallen von multilamellaren Vehikeln (MLV s) bei Raumtemperatur her.
Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene Ultraschallgeräte, Sonotroden und Zubehör an, um den passenden Sonator in Bezug auf die Leistung zu liefern.

Ultraschall-gestützte Verkapselung von Wirkstoffen in Liposomen

Liposomen fungieren als Wirkstoffträger. Ultraschall ist eine effektive Methode, um Liposomen für die Wirkstoffverkapselung herzustellen. Vor der Verkapselung neigen Liposomen aufgrund der Interaktion zwischen den Oberflächenladungen der polaren Phospholipidköpfe dazu, Cluster zu bilden (Míckova et al. 2008). Diese müssen aufgebrochen werden. Zhu et al. (2003) beschreiben folgendes exemplarisches Verfahren für das Verkapseln von Biotin in Liposomen mittels Ultraschall. Nachdem das Biotinpulver der Vesikelsuspension hinzugefügt wurde, wurde die Supsension für ca. 1 Stunde beschallt. Nach dieser Behandlung war Biotin in den Liposomen eingekapselt.

High power ultrasonicators from Hielscher Ultrasonics enable for targeted liposome preparation, emulsification and dispersing.

Bild. 1: 1kW Ultraschallprozessor für die kontinuierliche Inline-Verarbeitung

Liposomale Emulsionen

Um die pflegende Wirkung von feuchtigkeitsspendenden oder Anti-Aging-Cremes, Lotionen, Gels und anderen Cosmeceuticals zu erhöhen, werden der liposomalen Dispersion ein Emulgator hinzugefügt, um den höheren Lipidanteil zu stabilisieren. Untersuchungen haben allerdings gezeigt, dass Liposomen nur über eine begrenzte Aufnahmekapazität verfügen. Durch den Zusatz von Emulgatoren wird die Kapazitätsgrenze der Liposomen früher erreicht. Zudem schwächen Emulgatoren die Barriereaffinität von Phosphatidylcholin. Nanopartikel – aus Phosphatidylcholin und Lipiden – sind die Lösung für dieses Problem. Diese Nanopartikel werden aus einem Öltropfen gebildet, welcher von einer Monoschicht von Phosphatidylcholin ummantelt ist. Der Einsatz von Nanopartikeln ermöglicht Formulierungen, welche mehr Lipide absorbieren können und dabei stabil bleiben, so dass zusätzliche Emulgatoren überflüssig sind.
Die Ultraschalltechnik ist ein bewährtes Verfahren zur Herstellung von Nanoemulsionen und Nanodispersionen. Hochintensiver Ultraschall liefert die notwendige Leistung, um eine flüssige Phase (dispergierte Phase) in kleinen Tröpfchen in einer zweiten Phase (kontinuierliche Phase) zu dispergieren. In der Dispergierzone, implodierende Kavitation Blasen verursachen intensive Stoßwellen in der umgebenden Flüssigkeit und führen zur Bildung von Flüssigkeitsstrahlen mit hoher Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Um die neu gebildeten Tröpfchen der dispersen Phase gegen Koaleszenz zu stabilisieren, werden der Emulsion Emulgatoren (oberflächenaktive Substanzen, Tenside) und Stabilisatoren zugesetzt. Da die Koaleszenz der Tröpfchen nach der Disruption die endgültige Tropfengrößenverteilung beeinflusst, werden effizient stabilisierende Emulgatoren eingesetzt, um die endgültige Tropfengrößenverteilung auf einem Niveau zu halten, das der Verteilung unmittelbar nach der Tropfenzerstörung in der Ultraschalldispergierzone entspricht.

Liposomale Dispersionen

Liposomale Dispersionen, welche auf ungesättigten Phosphatidylchlorinen basieren, weisen nur unzureichende Oxidationsstabilität auf. Eine Stabilisierung der Dispersion kann durch Antioxidantien, wie z.B. durch einen Vitamin C- und E- Komplex, erreicht werden.
Ortan et al. (2002) konnten in ihrer Studie die erfolgreiche ultraschall-gestützte Herstellung des ätherischen Öls Anethum Graveolens, welches in Liposomen verkapselt wurde, zeigen. Nach der Beschallung lag die Größe der Liposomen zwischen 70-150 nm und die der multilamellaren Vesikel (MLV) zwischen 230-475 nm. Diese Werte wurden auch nach 2 Monaten konstant, allerdings stiegen die Werte der unilamellaren Vesikel (SUV)-Dispersion nach 12 Monaten an (s. Histogramme unten). Die Stabilitätsmessung, welche den Gehalt des ätherischens Öls und die Größenverteilung untersucht, konnte zeigen, dass die liposomale Dispersion auch die flüchtigen Komponenten des Öl bewahrt hat. Daraus lässt sich schließen, dass sich eine Verkapselung des ätherischen Öls in Liposomen positiv auf die Öl-Stabilität auswirkt.

Long-time stability of ultrasonically prepared multilamellar (MLV) and small unilamellar (SUV) vesicle dispersion.

Abb.1+2: Ortan et al. (2009): Stabilität von MLV- und SUV-Dispersionen nach 1 Jahr. Liposomale Formulierungen wurden bei 4±1 ºC gelagert.

Hielscher Ultraschallprozessoren sind die idealen Geräte für Anwendungen in den Bereichen Kosmetik und der pharmazeutischen Industrie. Systeme, die aus mehreren Ultraschallprozessoren von bis zu 1,5 Mio. 16000 Watt jeweils die Kapazität bereitstellen, die erforderlich ist, um diese Laboranwendung in eine effiziente Produktionsmethode umzusetzen, um fein verteilte Emulsionen im kontinuierlichen Fluss oder in einer Charge zu erhalten. – Ergebnisse, die mit denen der besten derzeit erhältlichen Hochdruck-Homogenisatoren, wie beispielsweise dem neuen Blendenventil, vergleichbar sind. Zusätzlich zu diesem hohen Wirkungsgrad in der kontinuierlichen EmulgierungHielscher Ultraschallgeräte sind sehr wartungsarm, sehr einfach zu bedienen und zu reinigen. Der Ultraschall unterstützt tatsächlich die Reinigung und Spülung. Die Ultraschallleistung ist einstellbar und kann an bestimmte Produkte und Emulgieranforderungen angepasst werden. Spezielle Durchflusszellenreaktoren, die die erweiterten Anforderungen an CIP (Clean-in-Place) und SIP (Sterilisation-in-Place) erfüllen, sind ebenfalls erhältlich.

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Literatur

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  • 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.
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  • Lautenschläger, Hans (2006): Liposomen. In: Handbook of Cosmetic Science and Technology (herausgegeben von A. O. Barel, M. Paye und H. I. Maibach). Boca Raton: CRC-Presse; S. 155-163.
  • Mícková, A.; Tománková, K.; Kolárová, H.; Bajgar, R.; Kolár, P.; Sunka, P.; Plencner, M.; Jakubová, R.; Benes, J.; Kolácná, L.; Plánka, A.; Amler, E. (2008): Ulztraschall-Schockwelle als Kontrollmechanismus für das Liposomen-Drogenabgabesystem zur möglichen Verwendung in Gerüsten, die Tieren mit iatrogenen Gelenkknorpeldefekten implantiert wurden. In: Acta Veterianaria Brunensis Vol. 77, 2008; S. 285-280.
  • Ortan, Alina; Campeanu, Gh.; Dinu-Pirvu, Cristina; Popescu, Lidia (2009): Studien über die Einklemmung von Anethum Grabmäler ätherisches Öl in Liposomen. In: Poumanian Biotechnological Letters Vol. 14, 3/2009; S. 4411-4417.
  • Ulrich, Anne S. (2002): Biophysikalische Aspekte der Verwendung von Liposomen als Lieferwagen. In: Bioscience Report Vol.22, 2/2002; S. 129-150.
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