Ultrazvučna obrada nanočestica za farmaceutsku primjenu

Sonikatori sa sondom imaju ključnu ulogu u farmaceutskim istraživanjima i proizvodnji jer omogućuju snažno i kontrolirano smanjenje veličine čestica, razaranje stanica i homogenizaciju. Sonikatori koriste ultrazvučne valove za stvaranje kavitacije, pri čemu nastaju i urušavaju se mikroskopski mjehurići. Ta pojava stvara intenzivne smične sile i udarne valove koji učinkovito usitnjavaju čestice ili razaraju stanice.

Slijede neki ključni aspekti uporabe sonikatora sa sondom u farmaceutskim primjenama:

• Smanjenje veličine čestica: Sonikatori sa sondom upotrebljavaju se za smanjenje veličine čestica djelatnih farmaceutskih tvari (API) ili drugih spojeva. Mala i ujednačena veličina čestica ključna je za povećanje bioraspoloživosti, brzine otapanja i ukupne učinkovitosti farmaceutskih formulacija.
• Razaranje stanica: U biofarmaceutskim istraživanjima sonikatori sa sondom koriste se za razaranje stanica radi oslobađanja unutarstaničnih sastavnica. To je osobito važno za ekstrakciju proteina, enzima i drugih biomolekula iz mikrobnih stanica ili uzgojenih stanica sisavaca.
• Homogenizacija: Homogenizacija farmaceutskih formulacija neophodna je za osiguravanje ravnomjerne raspodjele sastojaka. Sonikatori sa sondom pomažu postići homogenost razbijanjem aglomerata i ravnomjernim dispergiranjem sastavnica.
• Stvaranje nanoemulzija i liposoma: Sonikacija se koristi za stvaranje stabilnih nanoemulzija i liposoma u farmaceutskim formulacijama. Ti sustavi za dostavu nanometarskih dimenzija upotrebljavaju se za dostavu lijekova radi povećanja topljivosti i bioraspoloživosti.
• Kontrola kvalitete i optimizacija procesa: Sonikacija je vrijedan alat za kontrolu kvalitete u farmaceutskoj proizvodnji. Pomaže u optimizaciji procesa osiguravanjem dosljedne raspodjele veličine čestica i homogenosti, čime pridonosi ponovljivosti između proizvodnih serija.
• Formuliranje i razvoj lijekova: Tijekom formuliranja i razvoja lijekova sonikatori sa sondom koriste se za pripremu stabilnih suspenzija, emulzija ili disperzija. To je ključno za osmišljavanje farmaceutskih proizvoda sa željenim fizikalnim i kemijskim svojstvima.

Nanomaterijali u farmaciji

Ultrazvučne tehnologije imaju ključnu ulogu u pripremi, obradi i funkcionalizaciji nanomaterijala u farmaceutskim istraživanjima i proizvodnji. Intenzivni učinci ultrazvuka velike snage, uključujući akustičnu kavitaciju, pridonose razbijanju aglomerata, dispergiranju čestica i emulgiranju nanokapljica. Visokoučinkoviti sonikatori Hielscher pružaju pouzdano i učinkovito rješenje za zadovoljavanje farmaceutskih standarda, osiguravajući sigurnu proizvodnju i olakšavajući povećanje mjerila bez dodatnih napora za optimizaciju.

Obrada nanomaterijala

Nanomaterijali, osobito nanočestice, revolucionirali su dostavu lijekova u farmaciji, nudeći dokazanu metodu za primjenu djelatnih tvari oralnim putem ili injekcijom. Ova tehnologija povećava učinkovitost doziranja i dostave lijekova, otvarajući nove mogućnosti liječenja. Mogućnost dostave lijekova, topline ili drugih djelatnih tvari izravno u određene stanice, osobito oboljele stanice, predstavlja znatan napredak.

U liječenju raka lijekovi formulirani na nanorazini pokazali su obećavajuće rezultate, iskorištavajući prednost čestica nanometarske veličine za dostavu visokih doza lijeka izravno u tumorske stanice, čime se terapijski učinci maksimalno povećavaju, a nuspojave na drugim organima svode na najmanju moguću mjeru. Nanometarska veličina omogućuje tim česticama prolazak kroz stanične stijenke i membrane te otpuštanje djelatnih tvari upravo na mjestu ciljanih stanica.

Obrada nanomaterijala, definiranih kao čestice dimenzija manjih od 100nm, donosi izazove koji zahtijevaju veće napore. Ultrazvučna kavitacija pokazuje se kao dobro uhodana tehnologija za deaglomeraciju i dispergiranje nanomaterijala. Ugljikove nanocijevi (CNTs), osobito višestijene ugljikove nanocijevi (MWCNTs) i jednostijene ugljikove nanocijevi (SWCNTs), imaju jedinstvena svojstva te nude velik unutarnji volumen za inkapsulaciju molekula lijeka i različite površine za funkcionalizaciju.
 

Sonokemijska proizvodnja SWCNTs. Prah silicijeva dioksida u otopini smjese ferocena i ksilena sonikacijom je obrađivan 20 min. pri sobnoj temperaturi i okolnom tlaku. Sonikacijom nastaju SWCNTS visoke čistoće na površini praha silicijeva dioksida. (Jeong et al. 2004)

Funkcionalizirane ugljikove nanocijevi (f-CNTs) imaju ključnu ulogu u povećanju topljivosti, omogućavanju učinkovitog ciljanja tumora i izbjegavanju citotoksičnosti. Ultrazvučne tehnike olakšavaju njihovu proizvodnju i funkcionalizaciju, primjerice sonokemijskom metodom za dobivanje SWCNTs visoke čistoće. Osim toga, f-CNTs mogu služiti kao sustavi za dostavu cjepiva, povezujući antigene s ugljikovim nanocijevima radi izazivanja specifičnih odgovora protutijela.
Keramičke nanočestice dobivene iz silicijeva dioksida, titanijeva dioksida ili aluminijeva oksida imaju porozne površine, što ih čini idealnim nosačima lijekova. Ultrazvučna sinteza i taloženje nanočestica uz primjenu sonokemije omogućuju pristup odozdo prema gore za pripremu spojeva nanometarske veličine. Postupak poboljšava prijenos tvari, što rezultira manjim veličinama čestica i većom ujednačenošću

Ultrazvučna sinteza i taloženje nanočestica

Sonikacija ima ključnu ulogu u funkcionalizaciji nanočestica. Ova tehnika učinkovito razbija granične slojeve oko čestica, omogućujući novim funkcionalnim skupinama da dopru do površine čestica. Primjerice, ultrazvučna funkcionalizacija jednostijenih ugljikovih nanocijevi (SWCNTs) fragmentima PL-PEG-a ometa nespecifični unos u stanice, a istodobno potiče specifični unos u stanice za ciljane primjene.

Za dobivanje nanočestica s određenim značajkama i funkcijama potrebno je modificirati njihovu površinu. Različiti nanosustavi, poput polimernih nanočestica, liposoma, dendrimera, ugljikovih nanocijevi, kvantnih točaka itd., mogu se uspješno funkcionalizirati za učinkovitu primjenu u farmaciji.

Praktični primjer ultrazvučne funkcionalizacije čestica:

Ultrazvučna funkcionalizacija SWCNTs pomoću PL-PEG-a: Zeineldin i sur. (2009) pokazali su da dispergiranje jednostijenih ugljikovih nanocijevi (SWNTs) ultrazvukom uz fosfolipid-polietilen glikol (PL-PEG) fragmentira PL-PEG, čime se ometa njegova sposobnost blokiranja nespecifičnog unosa u stanice. Međutim, nefragmentirani PL-PEG potiče specifični stanični unos ciljanih SWNTs putem dviju različitih skupina receptora koje eksprimiraju stanice raka. Ultrazvučna obrada u prisutnosti PL-PEG-a uobičajena je metoda dispergiranja ili funkcionalizacije ugljikovih nanocijevi, a cjelovitost PEG-a važna je za poticanje specifičnog staničnog unosa nanocijevi funkcionaliziranih ligandima. Budući da je fragmentacija vjerojatna posljedica ultrazvučne obrade, tehnike koja se često primjenjuje za dispergiranje SWNTs, to može biti razlog za zabrinutost u određenim primjenama, poput dostave lijekova.
 

Ultrazvučno dispergiranje SWCNTs uz PL-PEG (Zeineldin i sur., 2009)

Ultrazvučno stvaranje liposoma

Još jedna uspješna primjena ultrazvuka jest priprema liposoma i nanoliposoma. Sustavi za dostavu lijekova i gena na bazi liposoma imaju značajnu ulogu u brojnim terapijama, ali i u kozmetici i prehrani. Liposomi su dobri nosači jer se djelatne tvari topljive u vodi mogu smjestiti u vodenu unutrašnjost liposoma ili, ako je tvar topljiva u mastima, u lipidni sloj. Liposomi se mogu stvarati primjenom ultrazvuka. Osnovni materijal za pripremu liposoma čine amfilne molekule koje potječu od lipida bioloških membrana ili se na njima temelje. Za stvaranje malih unilamelarnih vezikula (SUV), lipidna se disperzija blago sonicira – npr. ručnim ultrazvučnim uređajem UP50H (50W, 30kHz), uređajem VialTweeter ili ultrazvučnom čašastom sonotrodom. Takva ultrazvučna obrada traje približno 5 – 15 minuta. Druga metoda proizvodnje malih unilamelarnih vezikula jest sonikacija liposoma u obliku multilamelarnih vezikula.
Dinu-Pirvu i sur. (2010) izvještavaju o dobivanju transferosoma sonikacijom MLV-a na sobnoj temperaturi.
Hielscher Ultrasonics nudi različite ultrazvučne uređaje, sonotrode i pribor kako bi zadovoljio zahtjeve svih vrsta procesa.
Pročitajte više o ekstraktu biljke Aloe vera ekstrahiranom i enkapsuliranom ultrazvukom!

Ultrazvučna enkapsulacija tvari u liposome

Liposomi služe kao nosači djelatnih tvari. Ultrazvuk je učinkovito sredstvo za pripremu i stvaranje liposoma za uklapanje djelatnih tvari. Prije enkapsulacije liposomi imaju tendenciju stvaranja nakupina zbog međudjelovanja površinskih naboja polarnih glava fosfolipida (Míckova i sur. 2008), a usto ih je potrebno otvoriti. Primjerice, Zhu i sur. (2003) opisuju enkapsulaciju biotina u prahu u liposome ultrazvučnom obradom. Pri dodavanju biotina u prahu u otopinu s vezikulama u suspenziji, otopina je sonicirana približno 1 sat. Nakon te obrade biotin je bio uklopljen u liposome.

Liposomske emulzije

Kako bi se pojačao njegujući učinak hidratantnih krema ili krema protiv starenja, losiona, gelova i drugih kozmeceutskih formulacija, liposomskim disperzijama dodaju se emulgatori radi stabilizacije većih količina lipida. Međutim, istraživanja su pokazala da je sposobnost liposoma općenito ograničena. Uz dodatak emulgatora taj će se učinak pojaviti ranije, a dodatni emulgatori uzrokuju slabljenje afiniteta fosfatidilkolina prema barijeri. Nanočestice – sastavljene od fosfatidilkolina i lipida – odgovor su na taj problem. Te nanočestice tvori kapljica ulja prekrivena jednim slojem fosfatidilkolina. Uporaba nanočestica omogućuje formulacije koje mogu apsorbirati više lipida i ostati stabilne, tako da dodatni emulgatori nisu potrebni.
Sonikacija je dokazana metoda za proizvodnju nanoemulzija i nanodisperzija. Ultrazvuk visokog intenziteta osigurava snagu potrebnu za dispergiranje tekuće faze (dispergirane faze) u obliku sitnih kapljica u drugoj fazi (kontinuiranoj fazi). U zoni dispergiranja implodirajući kavitacijski mjehurići uzrokuju snažne udarne valove u okolnoj tekućini i dovode do stvaranja mlazova tekućine velike brzine. Kako bi se novonastale kapljice dispergirane faze stabilizirale protiv koalescencije, emulziji se dodaju emulgatori (površinski aktivne tvari, surfaktanti) i stabilizatori. Budući da koalescencija kapljica nakon njihova razbijanja utječe na konačnu raspodjelu veličine kapljica, upotrebljavaju se emulgatori koji učinkovito stabiliziraju kapljice kako bi se konačna raspodjela njihove veličine održala na razini jednakoj raspodjeli neposredno nakon razbijanja kapljica u zoni ultrazvučnog dispergiranja.

Liposomske disperzije

Liposomske disperzije, koje se temelje na nezasićenoj tvari phosphatidylchlorine, nemaju dovoljnu stabilnost prema oksidaciji. Stabilizacija disperzije može se postići antioksidansima, primjerice kompleksom vitamina C i E.
Ortan i sur. (2002) postigli su dobre rezultate u svojem istraživanju ultrazvučne pripreme eteričnog ulja vrste Anethum graveolens u liposomima. Nakon sonikacije veličina liposoma bila je između 70–150 nm, a za MLV između 230–475 nm; te su vrijednosti ostale približno konstantne i nakon 2 mjeseca, ali su se povećale nakon 12 mjeseci, osobito u disperziji SUV (vidjeti histograme u nastavku). Mjerenje stabilnosti u pogledu gubitka eteričnog ulja i raspodjele veličine također je pokazalo da su liposomske disperzije zadržale sadržaj hlapljivog ulja. To upućuje na zaključak da je uklapanje eteričnog ulja u liposome povećalo stabilnost ulja.
 

Stabilnost disperzija MLV i SUV nakon 1 godine. Liposomske formulacije čuvane su na 4±1 ºC.
(Istraživanje i grafički prikaz: ©Ortan i sur., 2009):

 
Kliknite ovdje i pročitajte više o ultrazvučnoj pripremi liposoma!

Sonikatori visokih performansi za istraživanje i proizvodnju lijekova

Hielscher Ultrasonics vaš je vrhunski dobavljač visokokvalitetnih sonikatora visokih performansi za istraživanje i proizvodnju lijekova. Uređaji u rasponu od 50 vata do čak 16.000 vata omogućuju pronalaženje odgovarajućeg ultrazvučnog procesora za svaki volumen i svaki proces. Zahvaljujući visokim performansama, pouzdanosti, robusnosti i jednostavnom rukovanju, ultrazvučna obrada ključna je tehnika za pripremu i obradu nanomaterijala. Opremljeni sustavima CIP (čišćenje na mjestu) i SIP (sterilizacija na mjestu), sonikatori Hielscher jamče sigurnu i učinkovitu proizvodnju u skladu s farmaceutskim standardima. Svi specifični ultrazvučni procesi mogu se jednostavno ispitati u laboratorijskom mjerilu ili na stolnim sustavima. Rezultati tih ispitivanja potpuno su ponovljivi, tako da je naknadno povećanje mjerila linearno i može se jednostavno provesti bez dodatnih napora u pogledu optimizacije procesa.

Sonikatori Hielscher: projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću uporabe. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Literatura/Reference

• 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.

 

Ultrazvuk je inovativna tehnologija koja se uspješno primjenjuje za sonokemijsku sintezu, deaglomeraciju, dispergiranje, emulgiranje, funkcionalizaciju i aktivaciju čestica. Posebno u nanotehnologiji, ultrazvučna obrada ključna je tehnika za sintezu i obradu materijala nanometarske veličine. Budući da je nanotehnologija pobudila tako izniman znanstveni interes, čestice nanometarske veličine upotrebljavaju se u iznimno velikom broju znanstvenih i industrijskih područja. I farmaceutska industrija prepoznala je velik potencijal ovog fleksibilnog i promjenjivog materijala. Stoga se nanočestice upotrebljavaju u različitim funkcionalnim primjenama u farmaceutskoj industriji, koje uključuju:

• dostavu lijekova (nosač)
• dijagnostičke proizvode
• pakiranje proizvoda
• otkrivanje biomarkera