Ultraschall ist eine innovative Technologie, welche erfolgreich für die sonochemische Synthese, Desagglomeration, Dispersion, Emulgieren, Funktionalisierung und Aktivierung von Partikeln eingesetzt wird. Besonders in der Nanotechnologie ist Ultraschall eine wichtige Technik der Synthese und Verarbeitung nano-skalier Materialien. Die Nanotechnologie genießt in der Wissenschaft und Industrie größtes Interesse, da Nanopartikel in außergewöhnlich vielen Bereichen der Wissenschaft und Industrie zum Einsatz kommen. Auch die Pharma-Branche hat das große Potenzial dieser äußerst flexibel nutzbaren submikron-skaliger Materialien entdeckt. Dementsprechend werden Nanopartikel in verschiedenen Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie verwendet, so z.B. als/ in:

• Wirkstoffträger
• Diagnostika
• Produktverpackungen
• Biomarker-Ermittlung

Nanomaterialien in Pharmazeutischen Produkten

Nanopartikel sind bewährte Wirkstoffträger von pharmazeutischen Arzneimitteln, welche entweder oral oder als Injektion verabreicht werden können. (Bawa 2008) Rezepturen von Nanopharmazeutika können wesentlich besser dosiert werden, und öffnen damit völlig neue Wege der medizinischen Behandlung. Mit Hilfe dieser innovativen Technologie ist es möglich, bestimmte Zellen, z.B. kranke Zellen, gezielt mit Arzneimitteln, Hitze oder anderen Wirkstoffen zu behandeln. Durch die gezielte Medikamentenabgabe werden gesunde Zellen nicht durch unerwünschte Nebenwirkungen der Medikamente beeinflusst. Vor allem in der Krebstherapie werden nano-skalige Medikamente bereits erfolgreich eingesetzt. Gerade in der Krebstherapie ist es von großem Vorteil, wenn die nano-skalige Substanzen in hohen Dosen direkt an die Tumorzellen geliefert werden, um dadurch maximale Effekte zu erzielen, ohne andere Organe durch die Arzneimittel zu schädigen. (Liu et al. 2008) Die Nano-Wirkstoffe sind so klein und fein, dass die Substanzen in der Lage sind, Zellwände und Membranen zu durchdringen und den Arzneiwirkstoff direkt an die betroffenen Zellen abzugeben.

Nanomaterialien verarbeiten

Nanomaterialien sind definiert als Partikel mit einer Größe von weniger als 100nm. Dies bedeutet, dass Herstellung und Verarbeitung nano-skaliger Stoffe meist sehr aufwändig ist.
Um Nanopartikel zu synthetisieren und verarbeiten, müssen Agglomerate aufgebrochen und Bindungskräfte überwunden werden. Ultraschallkavitation ist eine bewährte Methode, um Nanopartikel zu desagglomerieren und dispergieren. Die Vielfalt von Nanomaterialien bietet großes Innovationtspotenzial für die pharmazeutische Forschung. Carbon Nanotubes (CNTs) verfügen über ein großes Innenvolumen, in welches Arzneimittelmoleküle verkapselt werden können. Zudem sie können die inneren und äußeren Oberflächen spezifisch funktionalisiert werden. (Hilder et al. 2008) Damit können CNTs verschiedene Moleküle, wie z.B. Wirkstoffe, DNA, Proteine, Peptide, spezifische Liganden etc., aufnehmen und diese in die Zellen transportieren. CNTs gelten als eine der vielversprechendsten Nanomaterialien und werden in den Nanowissenschaften und in der Nanotechnologie erfolgreich für sehr unterschiedliche Anwendungen genutzt. Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWNTs) bestehen aus 2 bis 30 konzentrisch angeordneten Graphitschichten, deren Durchmesser zwischen 10nm und 50nm liegt und welche gleichzeitig länger als 10μm sind. Single-Walled Carbon Nanotubes (SWNTs) sind hingegen mit einem Durchmesser zwischen 1,0nm und 1,4nm deutlich dünner. (Srinivasan 2008) Nanopartikel und Nanoröhren können in Zellstrukturen eindringen und werden von diesen vollständig aufgenommen. Insbesondere funktionalisierte Kohlenstoff-Nanoröhren (f-CNTs) sind dafür bekannt, die Löslichkeit zu verbessern und ermöglichen dadurch eine effiziente Identifizierung von Tumoren. f-CNTs, SWNTs und MWNTs daher nicht zytotoxischen (= zeltschädigend) und schonen das Immunsystem. So können bspw. Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) mit hohem Reinheitsgrad via sonochemischer Synthese produziert werden: hochreine SWCNTs können in einer flüssigen Suspension hergestellt werden, indem Silica-Pulver für 20 Min. bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck beschallt werden. (Srinivasan 2005)

Abb.1: Sonochemische Produktion von SWCNTs. Silica wurde in einer Suspension aus Ferrocen-Xylol hat für 20 Min. bei Raumtemperatur und unter Umgebungsdruck beschallt. Dieses sonochemische Verfahren produziert hochreine SWCNTs auf der Oberfläche der Silica-Partikel. (Jeong et al. 2004)

Funktionalisierte Kohlenstoff-Nanoröhren (f-CNTs) können auch als Werkstoffträger für Impfstoffe fungieren. Das Grundkonzept ist folgendes: Das Antigen wird mit der Kohlenstoff-Nanoröhre verknüpft, wobei dieses seine Gestalt beibehält und dadurch die Produktion von Antikörpern auslöst.
Keramische Nanopartikel, welche z.B. aus Silica, Titan- oder Aluminiumoxid gewonnen werden, verfügen über eine poröse Partikeloberfläche, wodurch sie idealerweise als Wirkstoffträger eignen.

Ultraschall-Synthese und Fällung von Nanopartikeln

Nanopartikel können mittels Bottom-up-Synthese oder FPräzipitation (Fällungsreaktion) erzeugt werden. Die Sonochemie ist eine der ältesten Techniken, um Verbindungen im nano-skaligen Bereich herzustellen. Suslick hat in seiner Grundlagenforschung Fe(CO)5 entweder als reine Flüssigkeit oder in einer Deaclin-Suspension beschallt und erzielte dadurch amorphe Eisen-Nanopartikel mit der Größe zwischen 10-20nm. Generell bilden sich in einer übersättigten Lösung aus der kochkonzentrierten Substanz Feststoffpartikel. Ultraschall verbessert die Durchmischung der Präkursoren und erhöht den Stoffübergang an der Partikeloberfläche. Dies führt zu kleineren Partikelgrößen und höhere Homogenität des Präzipitats.

Ultraschall-gestütztes Funktionalisieren von Nanopartikeln

Um Nanopartikel mit besonderen Merkmalen und Funktionalitäten zu erhalten, muss die Partikeloberfläche funktionalisiert werden. Verschiedene Nanosysteme, wie z.B. Polymer-Nanopartikel, Liposomen, Dendrimere, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Quantenpunkte, können erfolgreich für den effizienten Einsatz in der Pharmazeutik funktionalisierten werden.
Um die komplette Oberfläche jedes einzelnen Partikels zu funktionalisieren, ist eine gute Dispersionstechnik notwendig. Wenn Partikel in einer feinen Dispersion vorliegen, sind Partikel in der Regel von eine Grenzschicht aus Molekülen umgeben, die sich an der Partikeloberfläche anlagern. Um neue funktionelle Gruppen an die Oberfläche der Partikel platzieren zu können, muss die vorhandene Grenzschicht aufgebrochen und entfernt werden. Die mittels Ultraschall generierten Scherkräfte und Flüssigkeitsstrahlen erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 1000 km/h. Diese hochintensiven Kavitationskräfte brechen bestehende Molekülbindungenauf und und transportieren die funktionellen Moleküle an die Partikeloberfläche. Dieser sonochemische Effekt wird beispielsweise auch verwendet, um die Effizienz dispergierter Katalysatoren zu verbessern.

Praxisbeispiel:

Ultraschall-gestützte Funktionalisierung von SWCNTs mittels PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) haben gezeigt, dass durch die Ultraschall-Dispergierung von Single-Walled Carbon Nanotubes (SWNTs) mit Phospholipid-Polyethylenglycol (PL-PEG) Fragmente entstehen, welche dadurch die Fähigkeit erhalten, eine unspezifische Aufnahme durch Zellen zu blockieren. Unfragmentierte PL-PEG bewirken hingegen die spezifische Aufnahme von gezielt eingesetzten SWNTs durch zwei unterschiedliche Rezeptortypen, welche Krebszellen kennzeichnen. Die Beschallung bei Vorhandensein von PL-PEG hat sich bewährt, um Carbon Nanotubes zu dissertieren oder funktionalisieren Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Intaktheit des PEG ist wichtig, um die spezifische zelluläre Aufnahme der liganden-funktionalisierten Nanotubes zu gewährleisten. Um die Fragmentierung durch Ultraschall zu kontrollieren, müssen die Ultraschallparameter genau eingestellt werden. Hielscher's Ultraschallgeräte ermöglichen sowohl intensive als auch milde Beschallung, so dass ein optimales Endprodukt erzielt werden kann.

Abb. 2: Ultraschall-Dispersion von SWCNTs mit PL-PEG (Zeineldin et al. 2009)

Ultraschall-gestützte Liposomen-Herstellung

Eine andere erfolgreiche Anwendung ist die ultraschall-gestützte Herstellung von Liposomen und Nano-Liposomen. Liposomen-basierte Wirkstoff- und Genträgersysteme spielen eine wichtige Rolle für verschiedene Therapien, aber auch in der Kosmetik und der Ernährung. Liposomen sind gute Wirkstoffträger, da wasserlösliche Wirkstoffe in das wässrige Zentrum der Liposomen eingekapselt werden können, oder aber, falls es sich um einen fettlöslichen Wirkstoff handelt, dieser in die Lipidschicht eingebettet werden kann. Liposomen lassen sich erfolgreich mittels Ultraschall herstellen. Der Ausgangsstoff für die Liposomenherstellung sind amphile Moleküle, welche entweder aus biologischen Membranlipiden abgeleitet werden abgeleitet oder auf Membranlipiden basieren. Zur Herstellung kleiner unilamellarer Vesikel (SUV) wird eine Lipid-Dispersion sanft beschallt – z.B. mit dem Ultraschall-Handgerät UP50H (50W, 30kHz), dem VialTweeter oder dem Ultraschallreaktor UTR200 – wobei die liposomale 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 Vesikeln (MLV s) bei Raumtemperatur her.
Hielscher Ultrasonics bietet ein breites Sortiment verschiedener Ultraschallgeräte, Sonotroden und Zubehör, das ideal auf die Anforderungen Ihres spezifischen Prozesses abgestimmt ist.

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.

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 Produktion von Nanoemulsionen und Nanodispersionen. Hochintensiver Ultraschall liefert die erforderlichen Scherkräfte, um eine flüssige Phase (disperse Phase) in einer zweiten Phase (kontinuierliche Phase) zu dispergieren. In den Kavitations-"Hot Spots" generieren die implodierenden Kavitationsblasen verursachen intensive Schockwellen und Flüssigkeitsstrahlen mit extrem hohen Geschwindigkeit. Um die Koaleszenz der neugeformten Tropfen in der dispersen Phase zu vermeiden und diese zu stabilisieren, werden der Emulsion Emulgatoren (grenzflächenaktive Substanzen, Tenside) und Stabilisatoren hinzugefügt. Da sich eine Koaleszenz der tropfen signifikant auf die finale Tropengröße der Emulsion auswirkt, effiziente Emulgatoren eingesetzt, um die Tropfengrößenverteilung auf dem bano-sklaigen Niveau zu halten, welches durch die Ultraschallemulgierung erzielt wurde.

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.

Abb. 3: Ortan et al. (2009): Stabilität der MLV- und SUV-Dispersionen nach einem Jahr. Die liposomalen Formulierungen wurden bei 4±1ºC gelagert.

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Ultraschall und seine Effekte

Neben der ultraschall-gestützten Herstellung von Nanopartikeln bietet auch die Weiterverarbeitung nanoskaliger Materialien ein weites Feld für den Ultraschalleinsatz. Agglomerate müssen zerschlagen werden, Partikel müssen dispergiert werden, Oberflächen müssen aktiviert oder funktionalisiert werden und Nanotropfen erfordern eine homogene Emulgierung. Für alle diese Verarbeitungsschritte hat sich Ultraschall als effiziente Methode bewährt. Hochleistungs-Ultraschall erzeugt extreme intensive Prozessbedingungen. Wenn Flüssigkeiten mit hoher Intensität beschallt werden, erzeugen die Schallwellen im flüssigen Medium alternierende Hochdruck- (Kompression) und Niederdruck- (Rarefaction) Zyklen, deren Häufigkeit von der Ultraschallfrequenz abhängt. Während der Niederdruckzyklen entstehen kleine Vakuumblasen bzw. Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn diese Blasen eine Größe erreichen, mit welcher sie keine zusätzliche Energie aufnehmen können, implodieren sie heftig während eines Hochdruckzyklusses. Dieses Phänomen nennt man Kavitation.
Die Implosion der Kavitationsblasen erzeugt Mikroturbulenzen und Micro-Jets mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h. Partikel werden dabei durch Oberflächenerosion (welche durch die Kavitation in der umgebenden Flüssigkeit hervorgerufen wird) oder Partikelgrößenreduktion (welche durch interpartikuläre Kollision oder die Implosion der Kavitationsblasen auf der Partikeloberfläche entsteht) zerkleinert. Dies führt zu einer rapiden Beschleunigung von Diffusion, Stoffübergang und Festphasen-Reaktione, da sich Kristallitgröße und Struktur drastisch verändern. (Suslick 1998)

Ultraschallgeräte und Anlagen

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