Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-gestützte Herstellung von Liposomen

Ultraschall-Liposomenpräparat für Pharmazeutika und Kosmetika

Liposomen (Liposomen-Lipid-basierte Vesikel), Transferosomen (ultradeformable Liposomen), Ethosomen (ultradeformable Vesikel mit hohem Alkoholgehalt) und Niosomen (synthetische Vesikel) sind mikroskopische Vesikel, die künstlich als globuläre 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 verwendet, wie z. B. zur Medikamentenabgabe, zur Genetherapie und zur Immunisierung. Ultraschall ist eine bewährte Methode zur Herstellung von Liposomen und die Einkapselung von Wirkstoffen in diese Vesikel.

Liposomes are made from Phosphatidyl Choline (PC)

Liposome sind nicht nur Träger von Wirkstoffen, auch ohne eingekapselte Wirkstoffe, die leeren 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 unilamellare, oligolamellare oder multilamellare vesikuläre Systeme und bestehen aus dem gleichen Material wie eine Zellmembran (Lipiddoppelschicht). In ihrer Zusammensetzung und Größe unterscheidet man zwischen multi-lamellaren Vesikeln (MLV, 0,1-10 μm) und unilamellaren Vesikeln, die zwischen kleinen (SUV, <100 nm), große (LUV, 100–500 nm) oder riesige (GUV, ≥ 1 μm) Vesikel.
Die zusammengesetzte Struktur von 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 leicht in die menschliche Haut integriert werden kann. Wenn die Liposomen mit der Haut fusionieren, können sie die eingeschlossenen Wirkstoffe direkt zum Zielort entladen, wo die Wirkstoffe ihre Funktionen erfüllen können. Somit schaffen die Liposomen eine Verbesserung der Durchlässigkeit / Durchlässigkeit der Haut für die eingeschlossenen pharmazeutischen und kosmetischen Mittel. Auch Liposomen ohne eingekapselte Agenzien, die leeren Vesikel, sind wirksame 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 Arzneimitteln, Peptiden, Proteinen, plasmischer DNA, Antisense-Oligonukleotiden oder Ribozymen für pharmazeutische, kosmetische und biochemische Zwecke verwendet. Die enorme Vielseitigkeit in Bezug auf die Partikelgröße und die physikalischen Parameter der Lipide bietet ein attraktives Potenzial für die Konstruktion maßgeschneiderter Fahrzeuge für eine Vielzahl von Anwendungen. (Ulrich 2002)

Bildung von Ultraschall-Liposomen

Liposomen können unter Verwendung von Ultraschall gebildet werden. Das Grundmaterial für die Liposomenpräparation sind amphile Moleküle, die auf biologischen Membranlipiden basieren oder darauf basieren. Zur Bildung kleiner unilamellarer Vesikel (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 das für die Leistung geeignete Ultraschallgerät bereitzustellen

Ultraschallverkapselung 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.

Pic. 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.
Ultraschall ist eine bewährte Methode zur Herstellung von Nanoemulsionen und Nanodispersionen. Hochintensiver Ultraschall liefert die Leistung, die erforderlich ist, um eine flüssige Phase (dispergierte Phase) in kleinen Tröpfchen in einer zweiten Phase (kontinuierliche Phase) zu dispergieren. In der Zerstreuungszone implodiert Kavitation Blasen verursachen intensive Stoßwellen in der umgebenden Flüssigkeit und führen zur Bildung von Flüssigkeitsstrahlen 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 Zerstörung die Verteilung der endgültigen Tröpfchengröße beeinflusst, werden effizient stabilisierende Emulgatoren verwendet, um die Verteilung der endgültigen Tröpfchengröße auf einem Niveau zu halten, das der Verteilung unmittelbar nach der Zerstörung der Tröpfchen in der Ultraschalldispersionszone 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 der kosmetisch und pharmazeutische Industrie. Systeme bestehend aus mehreren Ultraschallprozessoren von bis zu 16000 Watt Sie bieten jeweils die erforderliche Kapazität, um diese Laboranwendung in ein effizientes Produktionsverfahren umzusetzen, um fein dispergierte Emulsionen im kontinuierlichen Fluss oder in einer Charge zu erhalten – Ergebnisse, die mit denen der heute besten Hochdruck-Homogenisatoren vergleichbar sind, z. B. des neuen Blendenventils. Neben dieser hohen Effizienz im kontinuierlichen EmulgierungHielscher Ultraschallgeräte sind sehr wartungsarm und sehr einfach zu bedienen und zu reinigen. Der Ultraschall unterstützt eigentlich das Reinigen und Spülen. Die Ultraschallleistung ist einstellbar und kann an bestimmte Produkte und Emulgierungsanforderungen angepasst werden. Es sind auch spezielle Fließzellenreaktoren erhältlich, die die Anforderungen der erweiterten CIP- (Clean-In-Place-) und SIP-Anforderungen (Sterilize-In-Place) erfüllen.

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Literatur

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