Ultraschallausfällung von Curcumin-Superpartikeln
- Da Kurkuma nur 2-9 Gew.-% Curcuminoide enthält, ist eine effiziente Extraktions- oder Synthesetechnik notwendig, um ein medizinisch wirksames Pulver zu erhalten.
- Die ultraschallunterstützte Antisolvent-Fällung ist eine hocheffiziente Methode zur Synthese von Curcumin-Partikeln.
- Die Ultraschall-Antisolvent-Ausfällung lässt sich leicht auf die Produktion großer Mengen an hochwertigem Curcumin skalieren.
Curcumin
Curcumin, ein Polyphenol, ist ein schwer wasserlösliches Medikament, das in der Kräutergewürz-Kurkuma enthalten ist (Kurkuma longa). Es hat hochwirksame Antioxidantien und ist bekannt für seine entzündungshemmenden, krebshemmenden, antimykotischen und antimikrobiellen Eigenschaften. Vor allem wegen seines breiten Spektrums an chemopräventiven und chemotherapeutischen Aktivitäten wird Curcumin als bevorzugter Wirkstoff eingesetzt.
Als starkes Antioxidans erhöht Curcumin die Serumaktivität von Antioxidantien wie Superoxiddismutase (SOD) und fängt und neutralisiert freie Radikale wie reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS). Darüber hinaus erhöht es die Aktivität der körpereigenen antioxidativen Enzyme. Curcumin ist auch dafür bekannt, Herzerkrankungen zu senken und die Gehirnfunktion zu verbessern. Aufgrund dieser vielfältigen positiven medizinischen Eigenschaften wird Kurkumin häufig als Gewürz, Nahrungsergänzungsmittel und Medikament eingesetzt.
Ultraschall Flüssigkeit Antisolationsmittel Fällung
Die ultraschallunterstützte Fällung von flüssigen Antisolantien (LAS) ist eine einfache und schnelle Eintopf-Synthesetechnik zur Herstellung von Curcumin-Nanopartikeln mit orthorhombischer Suprastruktur. Die Ultraschall-Anti-Lösungsmittelfällung ist ein einfacher, schneller und skalierbarer Prozess, der die Fällung von hochwertigem Curcumin in der Pharma- und Lebensmittelindustrie ermöglicht.
Hypothetischer Mechanismus der Bildung von Kurkumin-Superpartikeln in Abwesenheit und Anwesenheit von Ultraschall ohne Stabilisatoren. Bild © 2014 Thorat et al.
Ultraschall- Niederschlagsprotokoll:
Für die Ultraschallfällung von Curcuminpartikeln wird eine organische Lösung von Curcumin in Ethanol (5 mg/ml) in 100 mL wasserhaltiges Tensid (0,02 Gew.-% in Wasser) oder ohne Tensid zugegeben. Als Reaktionsgefäß wird ein ummanteltes Glasgefäß mit ca. 500mL Volumen, 7cm Durchmesser und einem L/D-Verhältnis von 1,7 verwendet. Die Temperatur der Mischung wird konstant auf 1ºC gehalten. Für den Ultraschall-Fällungsprozess ist die Sonotrode des Ultraschall-Homogenisators, wie z.B. der UP200Ht oder UP200St mit einer Sonotrode S26d14 ausgestattet, wird in das Lösungsmittel-Antistolmittelgemisch eingetaucht. Bei 100% Amplitudeneinstellung und 10min. Beschallung wird das Gemisch dispergiert.
Die Ultraschallzeit ermöglicht die Manipulation des Polymorphismus von Cucrcuminkristallen. Wenn die Dauer der Ultraschallbehandlung verlängert wird, erhöht sich der Prozentsatz der orthorhombischen Partikel. Dies deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der Ultraschallenergie die Bildung einer orthorhombischen Form über der monoklinischen Form erleichtert, unabhängig vom verwendeten Additiv.
[vgl. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – 1kW Ultraschallprozessor für API-Fällung
Verbesserte Bioverfügbarkeit durch Ultraschallkapselung
Da Curcumin ein lipophiles Molekül ist und in Wasser schlecht löslich (= hydrophob), hat es eine geringe systemische Bioverfügbarkeit. Daher ist es notwendig, Curcumin-Formulierungen herzustellen, die die Bioverfügbarkeit verbessern. Zur Herstellung von wässrigen Curcuminlösungen werden Tenside, Lipide, Albumine, Cyclodextrine, Biopolymere etc. zugegeben, um die Curcuminmoleküle in Liposomen, Nanopartikeln und anderen Wirkstoffträgern einzuschließen oder zu beladen.
Die Ultraschalltechnik ist eine hocheffiziente und zuverlässige Technik zur Formulierung von Wirkstoffträgern wie z.B. Liposomen, Kern-Schale NanopartikelBiopolymere und Doppel-Emulsionen! Nachfolgend finden Sie ein exemplarisches Protokoll für die Ultraschallkapselung von Curcumin.
Ultraschall-Kurkumin-Kapselungsprotokoll:
Curcumin-beladene Polylactico-Glykolsäure (PLGA) Nanopartikel
- Zunächst wird das PLGA-Polymer in Ethylacetat gelöst. Curcumin (15% Gew./Gew.) wird zugegeben und kann sich während des Wirbelns der Lösung intermittierend auflösen.
- Das Fest-in-Öl-Gemisch wird einer wässrigen Phase von PVA (w/v) zugesetzt, um eine S-O/W-Emulsion zu bilden. Anschließend wird die Lösung des Wirkstoffs/Polymers in PVA bei 8.000 U/min vortexed.
- Die resultierende Lösung wird für ca. 300 Sek. bei 45% Amplitude mit einem Ultraschall-Homogenisator wie z.B. UP200Ht oder UP200St (200W, 26kHz). Unmittelbar nach der Sondierung wird die Emulsion in die wässrige Phase (0,1% PVA in Wasser; 200mL) gegossen und unter schnellem Rühren mit einem Magnetrührer diffundiert.
- Diese kolloidale Suspension wird mit einem Magnetrührer kontinuierlich gerührt, bis die Lösungsmittelverdampfung abgeschlossen ist. Anschließend werden die Nanopartikel durch Zentrifugation gesammelt und 3 mal mit destilliertem Milli Q Wasser gewaschen. Anschließend werden sie in kryoprotektiver Lösung (Saccharose (2 % Gew./Gew.) und Trehalose (5 % Gew./Gew.) resuspendiert, auf einem Lyophilisator-System ATR FD3.0 getrocknet und können bei 4°C für mindestens 6 Monate gelagert werden.
[vgl. Ranjan et al. 2012]
Ultraschallprozessoren für die Curcuminfällung und -formulierung
Hielscher Ultrasonics bietet Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Synthese von Nanopartikeln (z.B. APIs) und die Extraktion von pflanzlichen Verbindungen. Unsere Produktpalette umfasst anspruchsvolle Labor-, Tisch- und Industrie-Ultraschallgeräte, die die Entwicklung von Anwendungen vom kleinen bis zum kommerziellen Maßstab ermöglichen. Alle in Labor- und Pilotversuchen erzielten Ergebnisse können vollständig linear auf die kommerzielle Produktionsstufe skaliert werden. Alle Systeme sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, robust und einfach zu bedienen.
Die UIPxxxxxxhdT-Serie umfasst unsere industrietauglichen Ultraschallsysteme, die für die Bereiche Bench-Top, Prozessoptimierung und industrielle Produktion eingesetzt werden können. Unsere Industriesysteme sind verfügbar als 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000 W (UIP10000) und 16.000 W (UIP16000, weltweit leistungsfähigster Ultraschallgerät). Hielscher Ultraschallgeräte‘ Industrielle Ultraschallprozessoren können rund um die Uhr mit sehr hohen Amplituden von bis zu 200µm kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher kundenspezifische Ultraschallsonotroden an. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen zuverlässigen Rund-um-die-Uhr-Betrieb bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Für alle unsere Ultraschallsysteme bieten wir ein breites Spektrum an Zubehör wie Sonotroden, Druckhörner, Durchflusszellen und Reaktoren in verschiedenen Größen, Formen und Geometrien. Mit diesen Werkzeugen ist es problemlos möglich, unsere Ultraschallprozessoren optimal an die gewünschten Prozessbedingungen anzupassen.
Für die Fällung und Bottom-up-Synthese bietet Hielscher einen einzigartigen Durchflusszelleneinsatz an. – Der MultiPhaseCavitator MPC48 . Beim MultiPhaseCavitator wird die zweite Phase (Anti-Lösungsmittel) über 48 feine Kanülen direkt in die Ultraschall-Kavitationszone eingespritzt, wo sie innerhalb von Millisekunden in die erste Phase gemischt wird. Dadurch werden homogene Nanopartikel ausgefällt.
Leistungsstarke Beschallung vom Labor und der Arbeitsplatte bis zur industriellen Produktion.
Literatur
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumin: Eine Überprüfung der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Lebensmittel. 2017 Okt; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Partikelbildungspfade und Polymorphismus von Curcumin, induziert durch Ultraschall und Additive während der Ausfällung von flüssigen Antisolantien. CrystEngComm, 2014, 16, 11102-11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K.: (2012): Scale-up, Optimierung und Stabilitätsanalyse von Curcumin C3 komplex beladenen Nanopartikeln für die Krebstherapie. Zeitschrift für Nanobiotechnologie 2012, 10:38 Uhr.
Wissenswertes
Curcumin
Curcumin ist eine gelb gefärbte chemische Verbindung, die in Kurkuma vorkommt. Kurkuma ist eine rhizomatöse, krautige, mehrjährige Pflanze (Kurkuma longa) der Ingwerfamilie. Curcumin ist ein Polyphenol, das aus den Rhizomen gewonnen wird und weit verbreitet als Gewürz verwendet wird. Je nach Herkunft und Bodenbeschaffenheit enthält Kurkuma 2%-9% Curcuminoide. Curcumin ist das wichtigste Curcuminoid der Kurkuma (Kurkuma longa, Zingiberaceae). Es wird als Ergänzung, medizinische Verbindung, Lebensmittelzusatzstoff sowie als kosmetischer Bestandteil verwendet.
Gereinigte Form von Curcumin, die nur aus den folgenden drei Hauptkomponenten besteht – Curcumin, Bisdemethoxycurcumin und Demethoxycurcumin – wird auch als Curcumin-C3-Komplex bezeichnet. Reines Curcumin kann durch Säulenchromatographie aus dem C3-Mix aus Curcumin, Bisdemethoxy-Curcumin und Demethoxy-Curcumin separiert werden.
Reines, nicht modifiziertes Curcumin hat in Bezug auf seine pharmakologischen Eigenschaften ein großes Problem: Aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit und der damit verbundenen schlechten Bioverfügbarkeit kann unverändertes Curcumin seine therapeutische Wirkung nicht entfalten, sondern wird in Leber und Darmwand schnell metabolisiert. Um die geringe Absorptionsrate von Curcumin zu überwinden, werden die aktiven Moleküle in Nanoträgern verkapselt (z.B. LiposomenNanosphären) oder auf Nanokomplexe geladen (z.B. NanopartikelKomplexe von Phospholipiden, Cyclodextrinen und festen Dispersionen). Darüber hinaus kann die Bioverfügbarkeit von Curcumin um ca. 2000% erhöht werden, wenn seine Dosierung mit Piperin, einem Extrakt aus schwarzem Pfeffer, kombiniert wird.
Aufgrund dieser Tatsachen ist nanoformuliertes Curcumin (Nanocurcumin) die bevorzugte Darreichungsform von Curcumin, da Curcumin in Nanoform die zuvor genannten Probleme bei der Wirkstoffabgabe überwindet. Nanocurcumin kann seine therapeutischen Eigenschaften durch eine verbesserte Abgabe an das erkrankte Gewebe, eine bessere Internalisierung und eine geringere systemische Ausscheidung entfalten.
Curcumin ist in verschiedenen Darreichungsformen erhältlich, darunter Pulver, Kapseln, Tabletten, Salben, Nährwertgetränke und Kosmetikcremes.
Medizinische Anwendungen von Curcumin
Curcumin wurde wegen seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Medizin und Ernährung umfassend untersucht. Die Forschung hat gezeigt, dass Curcumin eine hohe antioxidative Aktivität hat, die die Zellapoptose induziert, die Zellproliferation, Zelladhäsion und -motilität hemmt und Anti-Angiogenese und antimikrobielle Eigenschaften bietet. Aufgrund dieser Effekte wird Curcumin als Medikament zur Behandlung verschiedener Entzündungskrankheiten, Krebserkrankungen, neurodegenerativer Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie Diabetes eingesetzt.
Ultraschallvorbereitete Nano-Verabreichungsformulare von Curcumin für die medizinische Therapie beinhalten Nanopartikel, Liposomen, Mizellen, Nanoemulsionen, Cyclodextrin-Komplexe, Nanodisks, Nanofasern, feste Lipid-Nanopartikel und Curcumin-Konjugate. Diese nanogroßen Darreichungsformen überwinden die schlechte Bioverfügbarkeit von Curcumin und ermöglichen die gezielte und effektive Verabreichung eines hochwirksamen Curcumin-Präparats.
Chemische Struktur von Curcumin
Curcumin ist ein symmetrisches Molekül, auch bekannt als Diferuloylmethan. Der IUPAC-Name von Curcumin lautet(1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadien-3,5-dion, mit der chemischen Formel C21H20O6. Kurkuminkristalle können in verschiedenen Formen auftreten, wie z.B. monoklin (nadelförmig), orthorhombisch (reiskornartig) und amorph.