Ultraschallunterstützte Dünnschichthydratation für die 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 einzukapseln, werden Liposomen in großem Umfang in pharmazeutischen, nutrazeutischen, kosmetischen und Lebensmittelanwendungen eingesetzt. Ihre biologische Abbaubarkeit, Biokompatibilität und nicht-immunogene Beschaffenheit machen sie zu besonders attraktiven Verabreichungssystemen.
Unter den verschiedenen Methoden zur Herstellung von Liposomen ist die Dünnschichthydratation (TFH) nach wie vor eine der etabliertesten und vielseitigsten Techniken. In Kombination mit kontrollierter Beschallung ermöglicht diese Methode die Herstellung von Liposomen in Nanogröße mit verbesserter Homogenität, Verkapselungseffizienz und Stabilität.

Die Rolle des Ultraschalls bei der Hydratation von Dünnschichten

Bei der Hydratisierung von Dünnschichten entstehen zunächst überwiegend multilamellare Vesikel (MLVs) mit relativ großem Durchmesser und breiter Größenverteilung. Aufgrund ihrer Größe weisen diese Vesikel eine begrenzte zelluläre Aufnahme und eine geringere Bioverfügbarkeit auf, insbesondere bei Anwendungen, die eine effiziente Membraninteraktion oder Gewebepenetration erfordern. Daher wird die Sondenbeschallung 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 wesentlich größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, eine verbesserte kolloidale Stabilität und eine verbesserte zelluläre Internalisierung, was zu einer besseren Bioverfügbarkeit und Lieferleistung führt.

1. Mechanismus der Wirkung
   Hochintensiver Ultraschall erzeugt akustische Kavitation – mikroskopische Blasenbildung und -implosion – die lokalisierte Scherkräfte, Mikroströmungen und vorübergehende hohe Druckgradienten erzeugen.

   Diese Auswirkungen führen zu:

   • Unterbrechung der großen multilamellaren Vesikel
   • Fragmentierung und Reorganisation der Doppelschicht
   • Bildung von kleinen unilamellaren Vesikeln (SUVs)
   • Engere Partikelgrößenverteilung

   In nano-liposomalen Systemen, die mittels Dünnschicht- und Ultraschalldispersion hergestellt werden, werden zuverlässig durchschnittliche Partikeldurchmesser im Bereich von ~80 nm mit geringer Polydispersität erreicht.

2. Prozessvorteile
   Die ultraschallunterstützte TFH bietet:
   • Reduzierte Partikelgröße (Nanometerbereich)
   • Niedrigerer Polydispersitätsindex (PDI)
   • Erhöhte Verkapselungseffizienz
   • Verbesserte kolloidale Stabilität
   • Erhöhte thermische und oxidative Stabilität von eingekapselten Verbindungen

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

Nach der Bildung eines Lipidfilms und der anschließenden Rehydrierung wird die Beschallung eingesetzt, um den Einschluss der Wirkstoffe in die Liposomen zu fördern. Außerdem wird durch die Beschallung die gewünschte Liposomengröße erreicht.

Allgemeine Anweisung: Ultraschall-unterstützte Dünnfilm-Hydratisierung Liposomenherstellung

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

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

2. Lipidauflösung (organische Phase)
   1. Phospholipid + Cholesterin in einem flüchtigen organischen Lösungsmittel (z. B. Chloroform) auflösen.
   2. Wenn funktionelle Zusatzstoffe ein Co-Lösungsmittel erfordern, lösen Sie sie separat (z. B. Methanol) und kombinieren Sie sie.

   Dieser Ansatz wird explizit für Dünnschichthydratationsliposomen unter Verwendung von Chloroform (Lipide) und Methanol (Additiv) beschrieben.

3. Bildung dünner Schichten
   1. Lipidlösung in einen Rundkolben überführen.
   2. Lösungsmittel durch Rotationsverdampfung bei mäßiger Temperatur (z. B. 40 °C) unter vermindertem Druck entfernen, 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 Puffer, wenn Sie leere Liposomen herstellen).
   2. Unter Rühren und bei erhöhter Temperatur (ggf. oberhalb des Lipidphasenübergangs) hydratisieren.

   Beispiel für eine biomedizinische Formulierung: Hydratisierung mit HEPES-Puffer (pH 7,4) und Rühren bei 60°C für 6 Stunden.

5. Zerkleinerung mit Ultraschall
   Nach der Hydratisierung enthält die Dispersion in der Regel multilamellare Vesikel und muss verkleinert werden.

   Allgemeine Empfehlungen für den Schritt der Beschallung:

   • Verwenden Sie Sonden-Ultraschall.
   • Wenden Sie eine gepulste Beschallung an, um die Temperatur zu kontrollieren.
   • Halten Sie die Probe in einem Eisbad oder verwenden Sie externe Kühlung.

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

6. Optionale Nachbearbeitung
   Je nach Anwendung:
   • Die nicht eingekapselte Verbindung durch Zentrifugation/Filtration entfernen.
   • Waschen und in frischem Puffer resuspendieren.

   Beispiel: Die Entfernung von ungebundenem Material durch Zentrifugation und Resuspension wird für die Liposomenreinigung beschrieben.

7. Charakterisierung
   In den beigefügten Studien werden die folgenden Punkte durchweg als wesentliche Qualitätskriterien behandelt:
   • Partikelgröße (nm)
   • Poly-Dispersitäts-Index (PDI)
   • Zeta-Potenzial
   • Verkapselungseffizienz
   • Morphologie (TEM/SEM)
   • Stabilität während der Lagerung

   Beispiele für Ergebnisse, die eine gute Qualität der Nanoliposomen belegen, sind:
   Größe ≈82 nm, PDI ≈0,06, Zeta-Potential ≈-56 mV, Verkapselungseffizienz ≈76,5%.

   Praktische Hinweise
   Cholesterin verbessert die Stabilität. Die Studien weisen ausdrücklich darauf hin, dass die Zugabe von Cholesterin die Liposomenstabilität durch Hemmung des Phospholipidphasenübergangs verbessern kann.

Vorteile der Hielscher-Ultraschallsysteme für die Liposomenproduktion

Hielscher Ultrasonics bietet fortschrittliche Ultraschallprozessoren, die speziell für die Liposomenproduktion im Labor-, Pilot- und industriellen Maßstab entwickelt wurden. Diese Systeme eignen sich besonders gut für die ultraschallunterstützte Dünnschichthydratation, bei der eine präzise Steuerung der Schallenergie entscheidend für eine definierte Partikelgröße, eine enge Größenverteilung und eine reproduzierbare Produktqualität ist.
Im Labormaßstab bieten Hielscher-Sonikatoren eine präzise Amplitudensteuerung, reproduzierbare Energiezufuhr, programmierbaren Pulsbetrieb und 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 von Schlüsselparametern wie Beschallungszeit, Schallleistung, Lipidzusammensetzung und Verkapselungseffizienz.

Industrielle Liposomenproduktion

Für die industrielle Fertigung sind die Hielscher-Systeme auf lineare Skalierbarkeit ausgelegt, so dass die im Labormaßstab ermittelten Prozessparameter unter Beibehaltung der gleichen Energiedichte und Prozessbedingungen auf Pilot- und Produktionsanlagen übertragen werden können. Kontinuierlich arbeitende Ultraschallreaktoren ermöglichen eine Liposomenproduktion mit hohem Durchsatz, gleichmäßiger Energieverteilung und reduzierten Prozesszeiten. Die Systeme sind für einen robusten 24/7-Betrieb mit hoher Energieeffizienz und geringem Wartungsbedarf ausgelegt. Darüber hinaus können sie in GMP-konforme Produktionsumgebungen integriert werden, einschließlich geschlossener Kreislaufsysteme, automatisierter Prozesslinien und Reinraumanlagen. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich die Hielscher-Ultraschalltechnologie für die industrielle Herstellung von pharmazeutischen, nutrazeutischen und lebensmitteltauglichen Liposomen.

Die ultraschallunterstützte Dünnschichthydratation ist ein hocheffizientes, kontrollierbares und skalierbares Verfahren zur Herstellung von Nanoliposomen. Es ist wissenschaftlich erwiesen, dass die Kombination von TFH mit Ultraschall die Partikelgrößenverteilung, die Verkapselungseffizienz und die Stabilität empfindlicher bioaktiver Substanzen deutlich verbessert.
Hielscher Sonicators bieten:

• Präzise Energiekontrolle
• Reproduzierbare Ergebnisse auf der Nanoskala
• Nahtloses Scale-up vom Labor zur industriellen Produktion
• Fähigkeit zur kontinuierlichen Verarbeitung
• Robuster und GMP-gerechter Betrieb

Für Forschungslaboratorien, die fortschrittliche liposomale Formulierungen entwickeln, und für industrielle Hersteller, die hochwertige pharmazeutische oder nutrazeutische Produkte produzieren, bieten Hielscher-Ultraschallsysteme eine technisch überlegene und wirtschaftlich skalierbare Lösung für die ultraschallgestützte Dünnschichthydratation zur Liposomenherstellung.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Vergleich mit anderen ultraschallunterstützten Liposomenmethoden

Obwohl die Dünnschichthydratation weit verbreitet ist – insbesondere im Labor und in R&D-, Ultraschall verbessert auch verschiedene andere Methoden der Liposomenherstellung:

• Umkehrphasenverdampfung – Ultraschall verbessert die Emulgierung und Bläschenbildung.
• Ethanol-Einspritzverfahren – Die Sonikation verfeinert die Partikelgröße und verringert die Aggregation.
• Direkte Lecithin Dispersion – Ultraschall ermöglicht eine schnelle Liposomenbildung aus Phospholipidsuspensionen.
• Sonoporation von vorgeformten Liposomen – Akustische Energie erhöht vorübergehend die Membrandurchlässigkeit bei aktiver Belastung.
• Post-Formation Verkleinerung - Die Sonikation wird routinemäßig angewandt, um multilamellare Vesikel zu nanoskaligen Systemen zu reduzieren.

Ultraschall ist also nicht nur ein zusätzlicher Schritt, sondern eine zentrale Technologie für alle Strategien zur Herstellung von Liposomen.

Design, Herstellung und Beratung – Sonicators Made in Germany

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

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