Ultraschallunterstützte Dünnfilmhydratisierung zur Liposomenherstellung

Liposomen sind kugelförmige Vesikel, die aus einer oder mehreren Phospholipid-Doppelschichten bestehen und einen wässrigen Kern umschließen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, hydrophile, lipophile und amphiphile Verbindungen zu verkapseln, werden Liposomen häufig in pharmazeutischen, nutrazeutischen, kosmetischen und lebensmitteltechnischen Anwendungen eingesetzt. Ihre biologische Abbaubarkeit, Biokompatibilität und nicht immunogene Beschaffenheit machen sie zu besonders attraktiven Transportsystemen.
Unter den verschiedenen Verfahren zur Liposomenherstellung zählt die Dünnfilmhydratisierung (TFH) weiterhin zu den etabliertesten und vielseitigsten Techniken. In Kombination mit kontrollierter Beschallung ermöglicht dieses Verfahren die Herstellung nanoskaliger Liposomen mit verbesserter Homogenität, Verkapselungseffizienz und Stabilität.

Die Rolle des Ultraschalls bei der Dünnfilmhydratisierung

Die Dünnfilmhydratisierung liefert zunächst überwiegend multilamellare Vesikel (MLVs) mit relativ großen Durchmessern und breiten Größenverteilungen. Aufgrund ihrer Größe weisen diese Vesikel eine begrenzte zelluläre Aufnahme und eine verringerte Bioverfügbarkeit auf, insbesondere bei Anwendungen, die eine effiziente Wechselwirkung mit Membranen oder eine Gewebepenetration erfordern. Daher wird die Beschallung mit einer Sonotrode als kontrollierter Schritt zur Größenreduzierung eingesetzt, um MLVs in kleine unilamellare oder nanoskalige Liposomen mit einem engeren Polydispersitätsindex umzuwandeln. Durch Ultraschall verkleinerte Nanoliposomen bieten ein deutlich höheres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, eine verbesserte kolloidale Stabilität und eine verstärkte zelluläre Internalisierung, was zu einer höheren Bioverfügbarkeit und einer besseren Leistung als Transportsystem führt.

1. Wirkmechanismus
   Ultraschall hoher Intensität erzeugt akustische Kavitation – die Bildung und den Kollaps mikroskopischer Blasen – und bewirkt dabei lokale Scherkräfte, Mikroströmungen und vorübergehend hohe Druckgradienten.

   Diese Effekte führen zu:

   • Aufbrechen großer multilamellarer Vesikel
   • Fragmentierung und Neuorganisation der Doppelschichten
   • Bildung kleiner unilamellarer Vesikel (SUVs)
   • Engerer Partikelgrößenverteilung

   In nanoliposomalen Systemen, die mittels Dünnfilmverfahren + Ultraschalldispergierung hergestellt werden, werden zuverlässig mittlere Partikeldurchmesser im Bereich von ~80 nm bei geringer Polydispersität erreicht.

2. Verfahrensvorteile
   Die ultraschallunterstützte TFH bietet:
   • Verringerte Partikelgröße (Nanometerbereich)
   • Niedrigeren Polydispersitätsindex (PDI)
   • Höhere Verkapselungseffizienz
   • Verbesserte kolloidale Stabilität
   • Erhöhte thermische und oxidative Stabilität der verkapselten Verbindungen

   Diese Verbesserungen sind entscheidend für die Stabilisierung oxidationsempfindlicher bioaktiver Substanzen wie mehrfach ungesättigter Fettsäuren.

Nach der Bildung eines Lipidfilms und der anschließenden Rehydratisierung wird die Beschallung eingesetzt, um den Einschluss von Wirkstoffen in die Liposomen zu fördern. Darüber hinaus wird durch die Beschallung die gewünschte Liposomengröße erreicht.

Allgemeine Anleitung: Liposomenherstellung durch ultraschallunterstützte Dünnfilmhydratisierung

1. Materialien und Formulierung
   1. Wählen Sie ein Phospholipid (z. B. Lecithin / Phosphatidylcholin) und optional Cholesterin.
   2. Wählen Sie das Lipidverhältnis entsprechend den Stabilitätsanforderungen.

   Ein Lecithin/Cholesterin-Verhältnis von etwa 40:20 ergab in einem lebensmittelbezogenen System stabile Nanoliposomen mit hohem Zetapotenzial und niedrigem PDI.

2. Lösen der Lipide (organische Phase)
   1. Lösen Sie Phospholipid + Cholesterin in einem flüchtigen organischen Lösungsmittel (z. B. Chloroform).
   2. Wenn funktionelle Zusatzstoffe ein Co-Lösungsmittel erfordern, lösen Sie sie separat (z. B. Methanol) und führen Sie die Lösungen zusammen.

   Dieses Vorgehen wird ausdrücklich für Liposomen beschrieben, die durch Dünnfilmhydratisierung unter Verwendung von Chloroform (Lipide) und Methanol (Zusatzstoff) hergestellt werden.

3. Dünnfilmbildung
   1. Überführen Sie die Lipidlösung in einen Rundkolben.
   2. Entfernen Sie die Lösungsmittel durch Rotationsverdampfung bei moderater Temperatur (z. B. 40 °C) unter vermindertem Druck, bis sich ein trockener, homogener Film bildet.
4. Hydratisierung des Lipidfilms
   1. Hydratisieren Sie den Lipidfilm mit einer wässrigen Phase, die den Wirkstoff enthält (oder mit Puffer, wenn leere Liposomen hergestellt werden).
   2. Hydratisieren Sie unter Rühren und bei erhöhter Temperatur (bei Bedarf oberhalb der Phasenübergangstemperatur der Lipide).

   Beispiel aus einer biomedizinischen Formulierung: Hydratisierung mit HEPES-Puffer (pH 7,4) und Rühren bei 60°C für 6 h.

5. Größenreduzierung durch Ultraschall
   Nach der Hydratisierung enthält die Dispersion typischerweise multilamellare Vesikel, deren Größe reduziert werden muss.

   Allgemeine Empfehlungen für den Beschallungsschritt:

   • Verwenden Sie eine Ultraschallbehandlung mit einer Sonotrode.
   • Setzen Sie gepulste Beschallung ein, um die Temperatur zu kontrollieren.
   • Halten Sie die Probe in einem Eisbad oder verwenden Sie eine externe Kühlung.

   Beispielhaftes Beschallungsprotokoll mit dem Ultraschallgerät UP200Ht von Hielscher:
   Insgesamt 15 min, 10 s EIN / 5 s AUS, 100 W, 100% Amplitude. (vgl. Truszkowska et al., 2025 und Ahmadi et al, 2021)

6. Optionale Nachbehandlung
   Je nach Anwendung:
   • Entfernen Sie die nicht verkapselte Verbindung durch Zentrifugation/Filtration.
   • Waschen Sie die Liposomen und resuspendieren Sie sie in frischem Puffer.

   Beispiel: Für die Liposomenreinigung wird die Entfernung von ungebundenem Material durch Zentrifugation und Resuspendierung beschrieben.

7. Charakterisierung
   Die beigefügten Studien betrachten die folgenden Kenngrößen durchgängig als wesentliche Qualitätsmerkmale:
   • Partikelgröße (nm)
   • Polydispersitätsindex (PDI)
   • Zetapotenzial
   • Verkapselungseffizienz
   • Morphologie (TEM/SEM)
   • Stabilität während der Lagerung

   Beispielhafte Ergebnisse, die eine gute Qualität der Nanoliposomen zeigen, sind:
   Größe ≈82 nm, PDI ≈0,06, Zetapotenzial ≈−56 mV, Verkapselungseffizienz ≈76,5%.

   Praktische Hinweise
   Cholesterin verbessert die Stabilität. Die Studien weisen ausdrücklich darauf hin, dass die Zugabe von Cholesterin die Liposomenstabilität verbessern kann, indem sie den Phasenübergang der Phospholipide hemmt.

Vorteile der Ultraschallsysteme von Hielscher für die Liposomenherstellung

Hielscher Ultrasonics bietet fortschrittliche Ultraschallprozessoren, die speziell für die Liposomenherstellung im Labor-, Pilot- und industriellen Produktionsmaßstab entwickelt wurden. Diese Systeme eignen sich besonders gut für die ultraschallunterstützte Dünnfilmhydratisierung, bei der eine präzise Kontrolle der akustischen Energie entscheidend ist, um eine definierte Partikelgröße, eine enge Größenverteilung und eine reproduzierbare Produktqualität zu erreichen.
Im Labormaßstab bieten Ultraschallgeräte von Hielscher eine präzise Amplitudenregelung, einen reproduzierbaren Energieeintrag, einen programmierbaren Pulsbetrieb und eine integrierte Temperaturüberwachung. Dieses Maß an Kontrolle gewährleistet eine gleichbleibende Kavitationsintensität und eine hochgradig reproduzierbare Nanoliposomengröße mit hervorragender Gleichmäßigkeit von Charge zu Charge. Eine solche Prozessstabilität ist bei der Formulierungsentwicklung unerlässlich, insbesondere bei der Optimierung wesentlicher Parameter wie Beschallungsdauer, akustischer Leistung, Lipidzusammensetzung und Verkapselungseffizienz.

Industrielle Liposomenherstellung

Für die industrielle Herstellung sind die Systeme von Hielscher auf lineare Skalierbarkeit ausgelegt. Dadurch können im Labormaßstab etablierte Prozessparameter auf Pilot- und Produktionsanlagen übertragen werden, wobei eine äquivalente Energiedichte und äquivalente Prozessbedingungen beibehalten werden. Ultraschall-Durchflussreaktoren ermöglichen eine Liposomenherstellung mit hohem Durchsatz, gleichmäßiger Energieverteilung und verkürzten Verarbeitungszeiten. Die Systeme sind für einen robusten 24/7-Betrieb mit hoher Energieeffizienz und geringem Wartungsbedarf ausgelegt. Darüber hinaus lassen sie sich in GMP-konforme Produktionsumgebungen integrieren, darunter geschlossene Kreislaufsysteme, automatisierte Prozesslinien und Reinrauminstallationen. Diese Eigenschaften machen die Ultraschalltechnologie von Hielscher für die Herstellung pharmazeutischer, nutrazeutischer und lebensmitteltauglicher Liposomen im industriellen Maßstab geeignet.

Die ultraschallunterstützte Dünnfilmhydratisierung stellt ein hocheffizientes, kontrollierbares und skalierbares Verfahren zur Herstellung von Nanoliposomen dar. Wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass die Kombination von TFH und Ultraschall die Partikelgrößenverteilung, die Verkapselungseffizienz und die Stabilität empfindlicher bioaktiver Verbindungen deutlich verbessert.
Ultraschallgeräte von Hielscher bieten:

• Präzise Energiekontrolle
• Reproduzierbare Ergebnisse im Nanomaßstab
• Nahtlose Maßstabsvergrößerung vom Labor bis zur industriellen Produktion
• Möglichkeit der kontinuierlichen Verarbeitung
• Robusten und GMP-kompatiblen Betrieb

Für Forschungslabore, die fortschrittliche liposomale Formulierungen entwickeln, und für industrielle Hersteller hochwertiger pharmazeutischer oder nutrazeutischer Produkte bieten Ultraschallsysteme von Hielscher eine technisch überlegene und wirtschaftlich skalierbare Lösung zur Liposomenherstellung durch ultraschallunterstützte Dünnfilmhydratisierung.

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

Vergleich mit anderen ultraschallunterstützten Verfahren zur Liposomenherstellung

Obwohl die Dünnfilmhydratisierung weit verbreitet ist – insbesondere im Labor sowie in Forschung und Entwicklung –, verbessert Ultraschall auch mehrere andere Verfahren zur Liposomenherstellung:

• Umkehrphasenverdampfung – Ultraschall verbessert die Emulgierung und die Vesikelbildung.
• Ethanol-Injektionsverfahren – Die Beschallung optimiert die Partikelgröße und verringert die Aggregation.
• Direkte Lecithindispergierung – Ultraschall ermöglicht eine schnelle Liposomenbildung aus Phospholipidsuspensionen.
• Sonoporation bereits gebildeter Liposomen – Akustische Energie erhöht vorübergehend die Membranpermeabilität für die aktive Beladung.
• Größenreduzierung nach der Bildung – Die Beschallung wird routinemäßig eingesetzt, um multilamellare Vesikel zu nanoskaligen Systemen zu verkleinern.

Ultraschall ist somit nicht lediglich ein unterstützender Schritt, sondern eine zentrale Technologie, die verschiedene Strategien zur Liposomenherstellung ermöglicht.

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Ultraschallgeräte aus Deutschland

Ultraschallgeräte von Hielscher sind weithin für ihre hohe Qualität, robuste Konstruktion und fortschrittlichen Entwicklungsstandards bekannt. Ihre Langlebigkeit und benutzerfreundliche Bedienung ermöglichen eine reibungslose Integration in industrielle Produktionsanlagen. Selbst unter rauen Betriebsbedingungen und in anspruchsvollen Umgebungen liefern Ultraschallgeräte von Hielscher eine zuverlässige Leistung und gleichbleibende Ergebnisse.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert auf die Herstellung leistungsstarker Ultraschallsysteme, die modernste Technologie mit praktischer Bedienbarkeit verbinden. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind CE-konform und erfüllen zusätzlich die Anforderungen von UL, CSA und RoHS.