Nanoosakeste ultraheli töötlus farmaatsiatoodete jaoks

Sondtüüpi sonikaatoritel on farmaatsiauuringutes ja -tootmises oluline roll, sest need pakuvad võimsat ja kontrollitud vahendit osakeste suuruse vähendamiseks, rakkude lõhkumiseks (desintegreerimiseks) ja homogeniseerimiseks. Sonikaatorid kasutavad ultrahelilaineid kavitatsiooni tekitamiseks, mille tulemusena moodustuvad ja kollabeeruvad mikroskoopilised mullid. See nähtus tekitab intensiivseid nihkejõude ja lööklaineid, mis lagundavad osakesi või lõhuvad rakke tõhusalt.

Siin on mõned olulisemad aspektid sondtüüpi sonikaatorite kasutamise kohta farmaatsiarakendustes:

• Osakeste suuruse vähendamine: Sondsonikaatoreid kasutatakse toimeainete (API-de) või muude ühendite osakeste suuruse vähendamiseks. Väikeste ja ühtlase suurusega osakeste olemasolu on oluline farmatseutiliste preparaatide biosaadavuse, lahustumiskiiruse ja üldise efektiivsuse parandamiseks.
• Rakkude lõhkumine: Biofarmatseutilistes uuringutes kasutatakse sondsonikaatoreid rakkude lõhkumiseks, et vabastada rakusisesed komponendid. See on eriti oluline valkude, ensüümide ja muude biomolekulide ekstraheerimisel mikroobirakkudest või kultiveeritud imetajarakkudest.
• Homogeniseerimine: Farmatseutiliste preparaatide homogeniseerimine on oluline koostisosade ühtlase jaotumise tagamiseks. Sondsonikaatorid aitavad saavutada homogeensust, lagundades aglomeraate ja dispergeerides komponente ühtlaselt.
• Nanoemulsioonide ja liposoomide moodustamine: Ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutatakse stabiilsete nanoemulsioonide ja liposoomide loomiseks farmatseutilistes preparaatides. Neid nanomõõtmelisi kohaletoimetamissüsteeme kasutatakse ravimite kohaletoimetamiseks lahustuvuse ja biosaadavuse parandamiseks.
• Kvaliteedikontroll ja protsessi optimeerimine: Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on väärtuslik vahend farmaatsiatootmise kvaliteedikontrollis. See aitab protsesse optimeerida, tagades ühtlase osakeste suurusjaotuse ja homogeensuse, mis aitab kaasa partiideülesele reprodutseeritavusele.
• Ravimpreparaatide koostamine ja arendus: Ravimpreparaatide koostamise ja arenduse käigus kasutatakse sondsonikaatoreid stabiilsete suspensioonide, emulsioonide või dispersioonide valmistamiseks. See on otsustava tähtsusega soovitud füüsikaliste ja keemiliste omadustega farmaatsiatoodete kavandamisel.

Nanomaterjalid farmaatsias

Ultraheli tehnoloogiatel on keskne roll nanomaterjalide ettevalmistamisel, töötlemisel ja funktsionaliseerimisel farmaatsiauuringutes ja -tootmises. Suure võimsusega ultraheli intensiivne mõju, sealhulgas akustiline kavitatsioon, aitab lõhkuda aglomeraate, dispergeerida osakesi ja emulgeerida nanotilku. Hielscheri suure jõudlusega sonikaatorid pakuvad farmaatsiastandarditele vastavat usaldusväärset ja tõhusat lahendust, tagades ohutu tootmise ja võimaldades mastaabi suurendamist ilma lisaoptimeerimiseta.

Nanomaterjalide töötlemine

Nanomaterjalid, eriti nanoosakesed, on farmaatsias muutnud revolutsiooniliselt ravimite kohaletoimetamist, pakkudes tõestatud meetodit toimeainete manustamiseks suukaudselt või süstimise teel. See tehnoloogia parandab ravimite doseerimise ja kohaletoimetamise tõhusust ning avab uusi võimalusi meditsiiniliseks raviks. Võime viia ravimeid, soojust või muid toimeaineid otse kindlatesse rakkudesse, eriti haigestunud rakkudesse, kujutab endast märkimisväärset edasiminekut.

Vähiravis on nanoformuleeritud ravimid andnud paljutõotavaid tulemusi, kasutades ära nanomõõtmeliste osakeste eelist toimetada suured ravimiannused otse kasvajarakkudesse, maksimeerides seeläbi ravitoimet ja minimeerides kõrvaltoimeid teistele organitele. Nanomõõtmed võimaldavad neil osakestel läbida rakuseinu ja membraane, vabastades toimeained täpselt sihtrakkudes.

Nanomaterjalide, mis on defineeritud kui alla 100nm mõõtmetega osakesed, töötlemine kujutab endast väljakutseid, mis nõuavad suuremaid pingutusi. Ultraheli kavitatsioon on kujunenud väljakujunenud tehnoloogiaks nanomaterjalide deaglomeratsiooniks ja dispergeerimiseks. Süsiniknanotorud (CNT-d), eriti mitmeseinalised süsiniknanotorud (MWCNT-d) ja ühe seinaga süsiniknanotorud (SWCNT-d), näitavad unikaalseid omadusi, pakkudes suurt sisemist ruumala ravimimolekulide kapseldamiseks ja eristuvaid pindu funktsionaliseerimiseks.

SWCNT-de sonokeemiline tootmine. Ferrotseeni ja ksüleeni segu lahuses olevat ränidioksiidi pulbrit on sonikeeritud 20 min. toatemperatuuril ja ümbritseva rõhu all. Sonikeerimine tekitab ränidioksiidi pulbri pinnale kõrge puhtusastmega SWCNTS-e. (Jeong et al. 2004)

Funktsionaliseeritud süsiniknanotorud (f-CNT-d) mängivad olulist rolli lahustuvuse parandamisel, võimaldades tõhusat kasvajasihtimist ja vältides tsütotoksilisust. Ultraheli tehnikad hõlbustavad nende tootmist ja funktsionaliseerimist, näiteks sonokeemiline meetod kõrge puhtusastmega SWCNT-de saamiseks. Lisaks võivad f-CNT-d toimida vaktsiinide kohaletoimetamise süsteemidena, sidudes antigeenid süsiniknanotorudega, et esile kutsuda spetsiifilisi antikehade vastuseid.
Ränidioksiidist, titaandioksiidist või alumiiniumoksiidist saadud keraamilised nanoosakesed omavad poorseid pindu, mistõttu on need ideaalsed ravimikandjad. Nanoosakeste ultraheli süntees ja sadestamine sonokeemiat kasutades pakub alt-üles lähenemist nanomõõtmeliste ühendite valmistamiseks. Protsess parandab massiülekannet, mille tulemuseks on väiksemad osakeste suurused ja suurem ühtlus

Nanoosakeste ultraheli süntees ja sadestamine

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) mängib nanoosakeste funktsionaliseerimisel olulist rolli. Tehnika lõhub tõhusalt osakeste ümbritsevad piirkihid, võimaldades uutel funktsionaalrühmadel jõuda osakese pinnale. Näiteks üheseinaliste süsiniknanotorude (SWCNT-de) ultraheli funktsionaliseerimine PL-PEG fragmentidega segab mittespetsiifilist rakuvõtet, edendades samal ajal spetsiifilist rakuvõtet sihtotstarbelisteks rakendusteks.

Konkreetsete omaduste ja funktsioonidega nanoosakeste saamiseks tuleb osakeste pinda modifitseerida. Erinevaid nanosüsteeme, nagu polümeersed nanoosakesed, liposoomid, dendrimeerid, süsiniknanotorud, kvantpunktid jne, saab edukalt funktsionaliseerida tõhusaks kasutamiseks farmaatsias.

Ultraheli osakeste funktsionaliseerimise praktiline näide:

SWCNT-de ultraheliga funktsionaliseerimine PL-PEG abil: Zeineldin et al. (2009) näitasid, et üheseinaliste süsinik-nanotorude (SWNT) dispergeerimine ultraheli töötlusega fosfolipiid-polüetüleenglükooli (PL-PEG) juuresolekul killustab selle, takistades seeläbi selle võimet blokeerida mittespetsiifilist rakkudesse omastamist. Samas soodustab killustamata PL-PEG sihtmärgistatud SWNT-de spetsiifilist rakulist omastamist kahe erineva vähirakkude poolt ekspresseeritud retseptoriklassi kaudu. Ultraheli töötlus PL-PEG juuresolekul on levinud meetod süsinik-nanotorude dispergeerimiseks või funktsionaliseerimiseks ning PEG-i terviklikkus on oluline ligandiga funktsionaliseeritud nanotorude spetsiifilise rakulise omastamise soodustamiseks. Kuna killustumine on tõenäoline ultraheli töötluse tagajärg – tehnika, mida SWNT-de dispergeerimiseks tavaliselt kasutatakse –, võib see olla probleemiks teatud rakenduste, näiteks ravimite kohaletoimetamise puhul.

SWCNT-de ultraheli dispergeerimine PL-PEG abil (Zeineldin et al., 2009)

Liposoomide ultraheli abil moodustamine

Veel üks edukas ultraheli rakendus on liposoomide ja nanoliposoomide valmistamine. Liposoomipõhised ravimite ja geenide kohaletoimetamise süsteemid on olulisel kohal paljudes ravimeetodites, aga ka kosmeetikas ja toitumises. Liposoomid on head kandjad, sest vees lahustuvaid toimeaineid saab paigutada liposoomide vesisesse keskossa või, kui toimeaine on rasvlahustuv, lipiidikihti. Liposoome saab moodustada ultraheli abil. Liposoomide valmistamise lähtematerjaliks on amfilised molekulid, mis on saadud bioloogiliste membraanide lipiididest või põhinevad neil. Väikeste unilamellaarsete vesiikulite (SUV) moodustamiseks sonikeeritakse lipiidide dispersiooni õrnalt – e.g. käeshoitava ultraheliseadmega UP50H (50W, 30kHz), seadmega VialTweeter või ultraheli tassisarvega (cup-horn). Sellise ultraheli töötluse kestus on ligikaudu 5 – 15 minutit. Teine meetod väikeste unilamellaarsete vesiikulite saamiseks on multilamellaarsete vesiikulite liposoomide sonikeerimine.
Dinu-Pirvu et al. (2010) kirjeldavad transferosoomide saamist MLV-de sonikeerimisel toatemperatuuril.
Hielscher Ultrasonics pakub mitmesuguseid ultraheliseadmeid, sonotroode ja tarvikuid, et vastata igat liiki protsesside nõuetele.
Loe lähemalt ultraheli abil ekstraheeritud ja kapseldatud aaloe vera ekstrakti kohta!

Toimeainete ultraheli abil kapseldamine liposoomidesse

Liposoomid toimivad toimeainete kandjatena. Ultraheli on tõhus vahend liposoomide valmistamiseks ja moodustamiseks toimeainete haaramiseks. Enne kapseldamist kipuvad liposoomid fosfolipiidide polaarsete peade pinnalaengute vastastikmõju tõttu klastreid moodustama (Míckova et al. 2008), lisaks tuleb need avada. Näitena kirjeldavad Zhu et al. (2003) biotiinipulbri kapseldamist liposoomidesse ultraheli töötlusega. Kui biotiinipulber oli lisatud vesiikulite suspensioonilahusele, sonikeeriti lahust ligikaudu 1 tund. Pärast seda töötlust oli biotiin liposoomidesse haaratud.

Liposomaalsed emulsioonid

Niisutavate või vananemisvastaste kreemide, losjoonide, geelide ja muude kosmetsöötiliste preparaatide hooldava toime tugevdamiseks lisatakse liposomaalsetele dispersioonidele emulgaatoreid, et stabiliseerida suuremaid lipiidikoguseid. Uuringud on aga näidanud, et liposoomide võime on üldiselt piiratud. Emulgaatorite lisamisega ilmneb see toime varem ning täiendavad emulgaatorid põhjustavad fosfatidüülkoliini barjääriaffiinsuse nõrgenemist. Nanoosakesed – koosnevad fosfatidüülkoliinist ja lipiididest – on lahenduseks sellele probleemile. Need nanoosakesed moodustuvad õlitilgast, mida katab fosfatidüülkoliini monokiht. Nanoosakeste kasutamine võimaldab valmistada preparaate, mis suudavad absorbeerida rohkem lipiide ja jäävad stabiilseks, nii et täiendavaid emulgaatoreid ei ole vaja.
Ultraheli töötlus on tõestatud meetod nanoemulsioonide ja nanodispersioonide tootmiseks. Väga intensiivne ultraheli annab võimsuse, mis on vajalik vedela faasi (dispergeeritud faas) dispergeerimiseks väikesteks tilkadeks teises faasis (pidev faas). Dispergeerimistsoonis põhjustavad implodeeruvad kavitatsioonimullid ümbritsevas vedelikus intensiivseid lööklaineid ning tekitavad suure vedelikukiirusega vedelikujugasid. Dispergeeritud faasi äsja moodustunud tilkade stabiliseerimiseks koalestsentsi vastu lisatakse emulsioonile emulgaatoreid (pindaktiivsed ained, surfaktandid) ja stabilisaatoreid. Kuna tilkade koalestsents pärast lõhkumist mõjutab lõplikku tilgasuuruse jaotust, kasutatakse tõhusalt stabiliseerivaid emulgaatoreid, et hoida lõplik tilgasuuruse jaotus tasemel, mis on võrdne jaotusega vahetult pärast tilkade lõhkumist ultraheli dispergeerimistsoonis.

Liposomaalsed dispersioonid

Küllastumata phosphatidylchlorine’il põhinevate liposomaalsete dispersioonide stabiilsus oksüdatsiooni vastu on puudulik. Dispersiooni stabiliseerimist saab saavutada antioksüdantidega, näiteks vitamiinide C ja E kompleksiga.
Ortan et al. (2002) saavutasid oma uuringus, mis käsitles Anethum graveolens eeterliku õli ultraheliga valmistamist liposoomides, häid tulemusi. Pärast ultraheli töötlust olid liposoomide mõõtmed vahemikus 70-150 nm ning MLV puhul 230-475 nm; need väärtused olid ligikaudu püsivad ka 2 kuu möödudes, kuid suurenesid 12 kuu möödudes, eriti SUV dispersioonis (vt allolevaid histogramme). Stabiilsuse mõõtmine, mis käsitles eeterliku õli kadu ja suurusjaotust, näitas samuti, et liposomaalsed dispersioonid säilitasid lenduva õli sisalduse. See viitab sellele, et eeterliku õli kapseldamine liposoomidesse suurendas õli stabiilsust.

MLV ja SUV dispersioonide stabiilsus 1 aasta möödudes. Liposomaalseid preparaate hoiti temperatuuril 4±1 ºC.
(Uuring ja graafik: ©Ortan et al., 2009):

 
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheliga liposoomide valmistamise kohta!

Suure jõudlusega sonikaatorid farmaatsiauuringuteks ja -tootmiseks

Hielscher Ultrasonics on teie parim tarnija kvaliteetsetele, suure jõudlusega sonikaatoritele farmaatsiatoodete uurimiseks ja tootmiseks. Seadmed vahemikus 50 vatti kuni 16 000 vatti võimaldavad leida õige ultraheliprotsessori igale mahule ja igale protsessile. Tänu oma suurele jõudlusele, töökindlusele, vastupidavusele ja lihtsale kasutamisele on ultraheli töötlus oluline tehnika nanomaterjalide valmistamiseks ja töötlemiseks. CIP (clean-in-place) ja SIP (sterilize-in-place) funktsioonidega varustatud Hielscher sonikaatorid tagavad ohutu ja tõhusa tootmise vastavalt farmaatsiastandarditele. Kõiki konkreetseid ultraheliprotsesse saab hõlpsalt katsetada labori- või lauaseadme mõõtkavas. Nende katsete tulemused on täielikult reprodutseeritavad, nii et järgnev skaleerimine on lineaarne ja selle saab teha hõlpsalt ilma täiendavate pingutusteta protsessi optimeerimisel.

Hielscheri sonikaatorid: disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultraheliseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultraheliseadmeid sujuvalt tööstusrajatistesse integreerida. Rasked tingimused ja nõudlikud keskkonnad ei valmista Hielscheri ultraheliseadmetele raskusi.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu kõrgjõudlusega ultraheliseadmetele, mis põhinevad tipptehnoloogial ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheliseadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Kirjandus/viited

• Casiraghi A., Gentile A., Selmin F., Gennari C.G.M., Casagni E., Roda G., Pallotti G., Rovellini P., Minghetti P. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Cannabinoids from Cannabis Sativa for Medicinal Purpose. Pharmaceutics. 14(12), 2022.
• Joanna Kopecka, Giuseppina Salzano, Ivana Campia, Sara Lusa, Dario Ghigo, Giuseppe De Rosa, Chiara Riganti (2013): Insights in the chemical components of liposomes responsible for P-glycoprotein inhibition. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2013.
• Gielen, B.; Jordens, J.; Thomassen, L.C.J.; Braeken, L.; Van Gerven, T. (2017): Agglomeration Control during Ultrasonic Crystallization of an Active Pharmaceutical Ingredient. Crystals 7, 40; 2017.
• Dinu-Pirvu, Cristina; Hlevca, Cristina; Ortan, Alina; Prisada, Razvan (2010): Elastic vesicles as drugs carriers though the skin. In: Farmacia Vol.58, 2/2010. Bucharest.
• Giricz Z., Varga Z.V., Koncsos G., Nagy C.T., Görbe A., Mentzer R.M. Jr, Gottlieb R.A., Ferdinandy P. (2017): Autophagosome formation is required for cardioprotection by chloramphenicol. Life Science Oct 2017. 11-16.
• Jeong, Soo-Hwan; Ko, Ju-Hye; Park, Jing-Bong; Park, Wanjun (2004): A Sonochemical Route to Single-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions. In: Journal of American Chemical Society 126/2004; pp. 15982-15983.
• Srinivasan, C. (2005) A ‘SOUND’ method for synthesis of single-walled carbon nanotubes under ambient conditions. In: Current Science, Vol.88, No.1, 2005. pp. 12-13.
• Bordes, C.; Bolzinger, M.-A.; El Achak, M.; Pirot, F.; Arquier, D.; Agusti, G.; Chevalier, Y. (2021): Formulation of Pickering emulsions for the development of surfactant-free sunscreen creams. International Journal of Cosmetic Science 43, 2021. 432-445.
• Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.

Ultraheli on uuenduslik tehnoloogia, mida kasutatakse edukalt sonokeemiliseks sünteesiks, deaglomeratsiooniks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks, osakeste funktsionaliseerimiseks ja aktiveerimiseks. Eriti nanotehnoloogias on ultraheli töötlus oluline meetod nanomõõtmeliste materjalide sünteesiks ja töötlemiseks. Kuna nanotehnoloogia on pälvinud nii silmapaistva teadushuvi, kasutatakse nanomõõtmelisi osakesi erakordselt paljudes teadus- ja tööstusvaldkondades. Ka farmaatsiatööstus on avastanud selle paindliku ja muundatava materjali suure potentsiaali. Järelikult kasutatakse nanoosakesi farmaatsiatööstuses mitmesugustes funktsionaalsetes rakendustes, sealhulgas:

• ravimite kohaletoimetamine (kandja)
• diagnostikatooted
• toodete pakendamine
• biomarkerite avastamine