Ultraschallbehandlung von Nanopartikeln für pharmazeutische Anwendungen

Ultraschallgeräte mit Sonotrode spielen eine entscheidende Rolle in der pharmazeutischen Forschung und Herstellung, da sie eine leistungsstarke und kontrollierte Möglichkeit zur Partikelgrößenreduzierung, zum Zellaufschluss und zur Homogenisierung bieten. Ultraschallgeräte nutzen Ultraschallwellen zur Erzeugung von Kavitation, bei der mikroskopisch kleine Blasen entstehen und kollabieren. Dieses Phänomen erzeugt starke Scherkräfte und Stoßwellen, die Partikel wirksam zerkleinern oder Zellen aufschließen.

Im Folgenden werden einige zentrale Aspekte des Einsatzes von Ultraschallgeräten mit Sonotrode in pharmazeutischen Anwendungen beschrieben:

• Partikelgrößenreduzierung: Ultraschallgeräte mit Sonotrode werden eingesetzt, um die Partikelgröße pharmazeutischer Wirkstoffe (APIs) oder anderer Verbindungen zu reduzieren. Eine kleine und einheitliche Partikelgröße ist entscheidend für die Verbesserung der Bioverfügbarkeit, der Auflösungsgeschwindigkeit und der Gesamtwirksamkeit pharmazeutischer Formulierungen.
• Zellaufschluss: In der biopharmazeutischen Forschung werden Ultraschallgeräte mit Sonotrode zum Zellaufschluss eingesetzt, um intrazelluläre Bestandteile freizusetzen. Dies ist besonders wichtig für die Extraktion von Proteinen, Enzymen und anderen Biomolekülen aus mikrobiellen Zellen oder kultivierten Säugetierzellen.
• Homogenisierung: Die Homogenisierung pharmazeutischer Formulierungen ist unerlässlich, um eine gleichmäßige Verteilung der Inhaltsstoffe sicherzustellen. Ultraschallgeräte mit Sonotrode tragen zur Homogenität bei, indem sie Agglomerate aufbrechen und die Bestandteile gleichmäßig dispergieren.
• Bildung von Nanoemulsionen und Liposomen: Die Ultraschallbehandlung wird eingesetzt, um stabile Nanoemulsionen und Liposomen in pharmazeutischen Formulierungen herzustellen. Diese nanoskaligen Trägersysteme werden zur Wirkstoffabgabe genutzt, um die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit zu verbessern.
• Qualitätskontrolle und Prozessoptimierung: Die Ultraschallbehandlung ist ein wertvolles Werkzeug für die Qualitätskontrolle in der pharmazeutischen Herstellung. Sie unterstützt die Prozessoptimierung, indem sie eine gleichbleibende Partikelgrößenverteilung und Homogenität sicherstellt und so zur Reproduzierbarkeit zwischen den Chargen beiträgt.
• Arzneimittelformulierung und -entwicklung: Bei der Formulierung und Entwicklung von Arzneimitteln werden Ultraschallgeräte mit Sonotrode eingesetzt, um stabile Suspensionen, Emulsionen oder Dispersionen herzustellen. Dies ist entscheidend für die Entwicklung pharmazeutischer Produkte mit den gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Nanomaterialien in pharmazeutischen Anwendungen

Ultraschalltechnologien spielen eine zentrale Rolle bei der Herstellung, Verarbeitung und Funktionalisierung von Nanomaterialien in der pharmazeutischen Forschung und Herstellung. Die intensiven Wirkungen von Hochleistungsultraschall, einschließlich akustischer Kavitation, tragen zum Aufbrechen von Agglomeraten, zum Dispergieren von Partikeln und zum Emulgieren von Nanotröpfchen bei. Die Hochleistungsultraschallgeräte von Hielscher bieten eine zuverlässige und effiziente Lösung zur Einhaltung pharmazeutischer Standards, gewährleisten eine sichere Produktion und erleichtern die Maßstabsvergrößerung ohne zusätzlichen Optimierungsaufwand.

Verarbeitung von Nanomaterialien

Nanomaterialien, insbesondere Nanopartikel, haben die Wirkstoffabgabe in der Pharmazie revolutioniert und bieten eine bewährte Methode zur oralen Verabreichung oder Injektion von Wirkstoffen. Diese Technologie verbessert die Effizienz der Wirkstoffdosierung und -abgabe und eröffnet neue Möglichkeiten für medizinische Behandlungen. Die Möglichkeit, Arzneimittel, Wärme oder andere aktive Substanzen direkt zu bestimmten Zellen, insbesondere erkrankten Zellen, zu transportieren, stellt einen bedeutenden Fortschritt dar.

In der Krebstherapie haben nanoformulierte Arzneimittel vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Sie nutzen die Vorteile nanoskaliger Partikel, um hohe Wirkstoffdosen direkt zu Tumorzellen zu transportieren und so die therapeutische Wirkung zu maximieren, während Nebenwirkungen auf andere Organe minimiert werden. Dank ihrer nanoskaligen Größe können diese Partikel Zellwände und Membranen passieren und Wirkstoffe gezielt an den vorgesehenen Zellen freisetzen.

Die Verarbeitung von Nanomaterialien, die als Partikel mit Abmessungen unter 100nm definiert werden, bringt Herausforderungen mit sich, die einen erhöhten Aufwand erfordern. Ultraschallkavitation ist eine etablierte Technologie zur Deagglomeration und Dispergierung von Nanomaterialien. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), insbesondere mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) und einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs), weisen einzigartige Eigenschaften auf: Sie bieten ein großes Innenvolumen zur Verkapselung von Wirkstoffmolekülen sowie charakteristische Oberflächen zur Funktionalisierung.
 

Sonochemische Herstellung von SWCNTs. Siliciumdioxidpulver in einer Lösung eines Ferrocen-Xylol-Gemisches wurde bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck für 20 min. beschallt. Durch die Beschallung entstehen hochreine SWCNTs auf der Oberfläche des Siliciumdioxidpulvers. (Jeong et al. 2004)

Funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren (f-CNTs) spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Löslichkeit, der effizienten gezielten Ansteuerung von Tumoren und der Vermeidung von Zytotoxizität. Ultraschallverfahren erleichtern ihre Herstellung und Funktionalisierung, beispielsweise durch die sonochemische Methode zur Herstellung hochreiner SWCNTs. Darüber hinaus können f-CNTs als Impfstoffträgersysteme dienen, indem Antigene an Kohlenstoffnanoröhren gebunden werden, um spezifische Antikörperantworten auszulösen.
Keramische Nanopartikel aus Siliciumdioxid, Titandioxid oder Aluminiumoxid besitzen poröse Oberflächen und eignen sich daher ideal als Wirkstoffträger. Die ultraschallgestützte Synthese und Fällung von Nanopartikeln mithilfe der Sonochemie bietet einen Bottom-up-Ansatz zur Herstellung nanoskaliger Verbindungen. Das Verfahren verbessert den Stofftransport und führt dadurch zu kleineren Partikelgrößen und höherer Gleichmäßigkeit.

Ultraschallgestützte Synthese und Fällung von Nanopartikeln

Die Ultraschallbehandlung spielt eine wichtige Rolle bei der Funktionalisierung von Nanopartikeln. Das Verfahren bricht Grenzschichten um Partikel effizient auf und ermöglicht so, dass neue funktionelle Gruppen die Partikeloberfläche erreichen. Beispielsweise beeinträchtigt die ultraschallgestützte Funktionalisierung einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) mit PL-PEG-Fragmenten die unspezifische Aufnahme durch Zellen und fördert gleichzeitig die spezifische zelluläre Aufnahme für gezielte Anwendungen.

Um Nanopartikel mit spezifischen Eigenschaften und Funktionen zu erhalten, muss ihre Oberfläche modifiziert werden. Verschiedene Nanosysteme wie polymere Nanopartikel, Liposomen, Dendrimere, Kohlenstoffnanoröhren, Quantenpunkte usw. lassen sich erfolgreich funktionalisieren, um sie effizient in der Pharmazie einzusetzen.

Praxisbeispiel für die ultraschallgestützte Partikelfunktionalisierung:

Ultraschallgestützte Funktionalisierung von SWCNTs mit PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) zeigten, dass die Dispergierung einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) durch Ultraschallbehandlung mit Phospholipid-Polyethylenglykol (PL-PEG) dieses fragmentiert und dadurch seine Fähigkeit beeinträchtigt, die unspezifische Aufnahme durch Zellen zu verhindern. Unfragmentiertes PL-PEG hingegen fördert die spezifische zelluläre Aufnahme gezielt ausgerichteter SWNTs über zwei unterschiedliche Klassen von Rezeptoren, die von Krebszellen exprimiert werden. Die Ultraschallbehandlung in Gegenwart von PL-PEG ist eine gängige Methode zur Dispergierung oder Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren. Die Integrität von PEG ist wichtig, um die spezifische zelluläre Aufnahme ligandenfunktionalisierter Nanoröhren zu fördern. Da Fragmentierung eine wahrscheinliche Folge der Ultraschallbehandlung ist, die häufig zum Dispergieren von SWNTs eingesetzt wird, kann dies bei bestimmten Anwendungen wie der Wirkstoffabgabe problematisch sein.
 

Ultraschallgestützte Dispergierung von SWCNTs mit PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ultraschallgestützte Liposomenbildung

Eine weitere erfolgreiche Anwendung von Ultraschall ist die Herstellung von Liposomen und Nanoliposomen. Liposomenbasierte Systeme zur Wirkstoff- und Genabgabe spielen bei vielfältigen Therapien, aber auch in der Kosmetik und Ernährung eine bedeutende Rolle. Liposomen sind gute Träger, da wasserlösliche Wirkstoffe in ihrem wässrigen Inneren und fettlösliche Wirkstoffe in der Lipidschicht untergebracht werden können. Liposomen lassen sich mithilfe von Ultraschall bilden. Das Ausgangsmaterial für die Liposomenherstellung sind amphiphile Moleküle, die aus biologischen Membranlipiden gewonnen werden oder auf diesen basieren. Zur Bildung kleiner unilamellarer Vesikel (SUV) wird die Lipiddispersion schonend beschallt – z.B. mit dem handgeführten Ultraschallgerät UP50H (50W, 30kHz), dem VialTweeter oder einem Ultraschall-Cup-Horn. Eine solche Ultraschallbehandlung dauert etwa 5 – 15 Minuten. Eine weitere Methode zur Herstellung kleiner unilamellarer Vesikel ist die Beschallung multilamellarer Liposomenvesikel.
Dinu-Pirvu et al. (2010) berichten über die Herstellung von Transfersomen durch Beschallung von MLVs bei Raumtemperatur.
Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene Ultraschallgeräte, Sonotroden und Zubehör an, um den Anforderungen unterschiedlichster Prozesse gerecht zu werden.
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Ultraschallgestützte Verkapselung von Wirkstoffen in Liposomen

Liposomen dienen als Träger für Wirkstoffe. Ultraschall ist ein wirksames Werkzeug zur Herstellung und Bildung von Liposomen für den Einschluss von Wirkstoffen. Vor der Verkapselung neigen Liposomen aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Oberflächenladungen der polaren Phospholipidkopfgruppen zur Bildung von Clustern (Míckova et al. 2008); außerdem müssen sie geöffnet werden. Beispielsweise beschreiben Zhu et al. (2003) die Verkapselung von Biotinpulver in Liposomen durch Ultraschallbehandlung. Nach der Zugabe des Biotinpulvers zur Vesikelsuspension wurde die Lösung etwa 1 Stunde lang beschallt. Nach dieser Behandlung war das Biotin in den Liposomen eingeschlossen.

Liposomale Emulsionen

Um die pflegende Wirkung feuchtigkeitsspendender oder Anti-Aging-Cremes, Lotionen, Gele und anderer kosmetisch-pharmazeutischer Formulierungen zu verbessern, werden liposomalen Dispersionen Emulgatoren zugesetzt, um größere Lipidmengen zu stabilisieren. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Kapazität von Liposomen generell begrenzt ist. Durch den Zusatz von Emulgatoren tritt dieser Effekt früher auf, und die zusätzlichen Emulgatoren schwächen die Affinität von Phosphatidylcholin zur Barriere. Nanopartikel – bestehend aus Phosphatidylcholin und Lipiden – bieten eine Lösung für dieses Problem. Diese Nanopartikel bestehen aus einem Öltröpfchen, das von einer Monoschicht aus Phosphatidylcholin bedeckt ist. Der Einsatz von Nanopartikeln ermöglicht Formulierungen, die mehr Lipide aufnehmen können und stabil bleiben, sodass keine zusätzlichen Emulgatoren erforderlich sind.
Die Ultraschallbehandlung ist eine bewährte Methode zur Herstellung von Nanoemulsionen und Nanodispersionen. Ultraschall mit hoher Intensität liefert die Leistung, die benötigt wird, um eine flüssige Phase (dispergierte Phase) in Form kleiner Tröpfchen in einer zweiten Phase (kontinuierlichen Phase) zu dispergieren. In der Dispergierzone verursachen implodierende Kavitationsblasen starke Stoßwellen in der umgebenden Flüssigkeit und führen zur Bildung von Flüssigkeitsstrahlen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit. 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 ihrer Zerteilung die endgültige Tröpfchengrößenverteilung beeinflusst, werden wirksam stabilisierende Emulgatoren eingesetzt, um die endgültige Tröpfchengrößenverteilung auf dem Niveau der Verteilung unmittelbar nach der Tröpfchenzerteilung in der Ultraschalldispergierzone zu halten.

Liposomale Dispersionen

Liposomale Dispersionen auf Basis von ungesättigtem Phosphatidylcholin weisen eine geringe Oxidationsstabilität auf. Die Dispersion lässt sich durch Antioxidantien stabilisieren, beispielsweise durch einen Komplex aus den Vitaminen C und E.
Ortan et al. (2002) erzielten in ihrer Studie zur ultraschallgestützten Herstellung von Liposomen mit ätherischem Öl aus Anethum graveolens gute Ergebnisse. Nach der Beschallung lagen die Liposomengrößen zwischen 70–150 nm und bei MLV zwischen 230–475 nm; diese Werte waren auch nach 2 Monaten annähernd konstant, stiegen jedoch nach 12 Monaten an, insbesondere in der SUV-Dispersion (siehe Histogramme unten). Die Stabilitätsmessung hinsichtlich des Verlusts an ätherischem Öl und der Größenverteilung zeigte ebenfalls, dass die liposomalen Dispersionen ihren Gehalt an ätherischem Öl beibehielten. Dies deutet darauf hin, dass der Einschluss des ätherischen Öls in Liposomen die Stabilität des Öls erhöhte.
 

Stabilität von MLV- und SUV-Dispersionen nach 1 Jahr. Die liposomalen Formulierungen wurden bei 4±1 ºC gelagert.
(Studie und Grafik: ©Ortan et al., 2009):

 
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Hochleistungsultraschallgeräte für die pharmazeutische Forschung und Herstellung

Hielscher Ultrasonics ist Ihr führender Anbieter hochwertiger Hochleistungsultraschallgeräte für die Forschung und Herstellung von Arzneimitteln. Geräte im Leistungsbereich von 50 Watt bis 16.000 Watt ermöglichen es, für jedes Volumen und jeden Prozess den passenden Ultraschallprozessor zu finden. Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Robustheit und einfachen Bedienung ist die Ultraschallbehandlung ein unverzichtbares Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Nanomaterialien. Ausgestattet mit CIP (Clean-in-Place) und SIP (Sterilize-in-Place), gewährleisten die Ultraschallgeräte von Hielscher eine sichere und effiziente Produktion gemäß pharmazeutischen Standards. Alle spezifischen Ultraschallprozesse lassen sich problemlos im Labor- oder Technikumsmaßstab testen. Die Ergebnisse dieser Versuche sind vollständig reproduzierbar, sodass die anschließende Maßstabsvergrößerung linear erfolgt und sich ohne zusätzlichen Aufwand für die Prozessoptimierung einfach durchführen lässt.

Hielscher-Ultraschallgeräte: Konstruktion, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Literatur/Referenzen

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Ultraschall ist eine innovative Technologie, die erfolgreich zur sonochemischen Synthese, Deagglomeration, Dispergierung, Emulgierung, Funktionalisierung und Aktivierung von Partikeln eingesetzt wird. Insbesondere in der Nanotechnologie ist die Ultraschallbehandlung ein unverzichtbares Verfahren zur Synthese und Verarbeitung nanoskaliger Materialien. Seit die Nanotechnologie dieses außerordentliche wissenschaftliche Interesse geweckt hat, werden nanoskalige Partikel in außergewöhnlich vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen eingesetzt. Auch die pharmazeutische Industrie hat das große Potenzial dieses flexiblen und variablen Materials erkannt. Daher werden Nanopartikel in verschiedenen funktionellen Anwendungen der pharmazeutischen Industrie eingesetzt, darunter:

• Wirkstoffabgabe (Träger)
• Diagnostika
• Produktverpackungen
• Entdeckung von Biomarkern