Perlakuan Ultrasonik pada Nanopartikel untuk Sediaan Farmasi

Sonikator tipe probe berperan penting dalam penelitian dan produksi farmasi dengan menyediakan sarana yang kuat dan terkendali untuk memperkecil ukuran partikel, melakukan disrupsi sel, dan homogenisasi. Sonikator menggunakan gelombang ultrasonik untuk menghasilkan kavitasi, yang menyebabkan terbentuk dan runtuhnya gelembung mikroskopis. Fenomena ini menghasilkan gaya geser dan gelombang kejut yang intens, sehingga secara efektif memecah partikel atau mendisrupsi sel.

Berikut beberapa aspek utama penggunaan sonikator tipe probe dalam aplikasi farmasi:

• Pengecilan Ukuran Partikel: Sonikator probe digunakan untuk memperkecil ukuran partikel bahan aktif farmasi (API) atau senyawa lainnya. Ukuran partikel yang kecil dan seragam sangat penting untuk meningkatkan bioavailabilitas, laju disolusi, dan efikasi keseluruhan formulasi farmasi.
• Disrupsi Sel: Dalam penelitian biofarmasi, sonikator probe digunakan untuk disrupsi sel guna melepaskan komponen intraseluler. Hal ini sangat penting untuk ekstraksi protein, enzim, dan biomolekul lainnya dari sel mikroba atau sel mamalia yang dikultur.
• Homogenisasi: Homogenisasi formulasi farmasi sangat penting untuk memastikan distribusi bahan yang seragam. Sonikator probe membantu mencapai homogenitas dengan memecah aglomerat dan mendispersikan komponen secara merata.
• Pembentukan Nanoemulsi dan Liposom: Sonikasi digunakan untuk menghasilkan nanoemulsi dan liposom yang stabil dalam formulasi farmasi. Sistem penghantaran berskala nano ini digunakan untuk penghantaran obat guna meningkatkan kelarutan dan bioavailabilitas.
• Pengendalian Mutu dan Optimalisasi Proses: Sonikasi merupakan sarana yang berharga untuk pengendalian mutu dalam produksi farmasi. Sonikasi membantu mengoptimalkan proses dengan memastikan distribusi ukuran partikel dan homogenitas yang konsisten, sehingga mendukung reproduktibilitas antarbatch.
• Formulasi dan Pengembangan Obat: Selama formulasi dan pengembangan obat, sonikator probe digunakan untuk menyiapkan suspensi, emulsi, atau dispersi yang stabil. Hal ini sangat penting untuk merancang produk farmasi dengan sifat fisik dan kimia yang diinginkan.

Nanomaterial dalam Sediaan Farmasi

Teknologi ultrasonik berperan sangat penting dalam penyiapan, pemrosesan, dan fungsionalisasi nanomaterial dalam penelitian dan produksi farmasi. Efek intens dari ultrasonik berdaya tinggi, termasuk kavitasi akustik, membantu memecah aglomerat, mendispersikan partikel, dan mengemulsikan tetesan nano. Sonikator berkinerja tinggi Hielscher menyediakan solusi yang andal dan efisien untuk memenuhi standar farmasi, memastikan produksi yang aman, serta memudahkan peningkatan skala tanpa upaya optimalisasi tambahan.

Pemrosesan Nanomaterial

Nanomaterial, khususnya nanopartikel, telah merevolusi penghantaran obat dalam bidang farmasi dengan menawarkan metode yang telah terbukti untuk memberikan zat aktif secara oral atau melalui injeksi. Teknologi ini meningkatkan efisiensi pemberian dosis dan penghantaran obat, membuka jalur baru bagi pengobatan medis. Kemampuan untuk menghantarkan obat, panas, atau zat aktif lainnya secara langsung ke sel tertentu, terutama sel yang sakit, merupakan kemajuan yang signifikan.

Dalam terapi kanker, obat yang diformulasikan dalam skala nano telah menunjukkan hasil yang menjanjikan dengan memanfaatkan keunggulan partikel berukuran nano untuk menghantarkan obat berdosis tinggi langsung ke sel tumor, memaksimalkan efek terapeutik sekaligus meminimalkan efek samping pada organ lain. Ukurannya yang berskala nano memungkinkan partikel ini melewati dinding dan membran sel, sehingga melepaskan zat aktif tepat pada sel sasaran.

Pemrosesan nanomaterial, yang didefinisikan sebagai partikel berdimensi kurang dari 100nm, menghadirkan tantangan yang membutuhkan upaya lebih besar. Kavitasi ultrasonik hadir sebagai teknologi yang telah mapan untuk deaglomerasi dan pendispersian nanomaterial. Tabung nano karbon (CNT), khususnya tabung nano karbon berdinding banyak (MWCNT) dan tabung nano karbon berdinding tunggal (SWCNT), memiliki sifat unik, yaitu volume bagian dalam yang besar untuk enkapsulasi molekul obat dan permukaan yang khas untuk fungsionalisasi.
 

Produksi SWCNT secara sonokimia. Serbuk silika dalam larutan campuran ferosena–xilena telah disonikasi selama 20 min. pada suhu ruang dan tekanan lingkungan. Sonikasi menghasilkan SWCNTS dengan kemurnian tinggi pada permukaan serbuk silika. (Jeong et al. 2004)

Tabung nano karbon terfungsionalisasi (f-CNT) berperan penting dalam meningkatkan kelarutan, memungkinkan penargetan tumor yang efisien, dan menghindari sitotoksisitas. Teknik ultrasonik memudahkan produksi dan fungsionalisasinya, seperti metode sonokimia untuk SWCNT dengan kemurnian tinggi. Selain itu, f-CNT dapat berfungsi sebagai sistem penghantaran vaksin dengan menghubungkan antigen ke tabung nano karbon untuk menginduksi respons antibodi spesifik.
Nanopartikel keramik yang berasal dari silika, titania, atau alumina memiliki permukaan berpori, sehingga ideal sebagai pembawa obat. Sintesis dan presipitasi nanopartikel secara ultrasonik, yang memanfaatkan sonokimia, menyediakan pendekatan dari bawah ke atas untuk menyiapkan senyawa berukuran nano. Proses ini meningkatkan perpindahan massa, sehingga menghasilkan ukuran partikel yang lebih kecil dan keseragaman yang lebih tinggi

Sintesis dan Presipitasi Nanopartikel secara Ultrasonik

Sonikasi berperan penting dalam fungsionalisasi nanopartikel. Teknik ini secara efisien memecah lapisan batas di sekitar partikel, sehingga memungkinkan gugus fungsi baru mencapai permukaan partikel. Sebagai contoh, fungsionalisasi ultrasonik tabung nano karbon berdinding tunggal (SWCNT) dengan fragmen PL-PEG mengganggu pengambilan nonspesifik oleh sel sekaligus meningkatkan pengambilan spesifik oleh sel untuk aplikasi bertarget.

Untuk memperoleh nanopartikel dengan karakteristik dan fungsi tertentu, permukaan partikelnya harus dimodifikasi. Berbagai sistem nano seperti nanopartikel polimer, liposom, dendrimer, tabung nano karbon, titik kuantum, dan sebagainya dapat difungsionalisasi dengan berhasil untuk penggunaan yang efisien dalam farmasetika.

Contoh Praktis Fungsionalisasi Partikel secara Ultrasonik:

Fungsionalisasi Ultrasonik SWCNT dengan PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) menunjukkan bahwa pendispersian tabung nano karbon berdinding tunggal (SWNT) melalui sonikasi dengan fosfolipid-polietilena glikol (PL-PEG) memfragmentasi PL-PEG, sehingga mengganggu kemampuannya untuk menghambat pengambilan nonspesifik oleh sel. Namun, PL-PEG yang tidak terfragmentasi meningkatkan pengambilan spesifik oleh sel terhadap SWNT yang ditargetkan ke dua kelas reseptor berbeda yang diekspresikan oleh sel kanker. Perlakuan ultrasonik dengan adanya PL-PEG merupakan metode umum untuk mendispersikan atau memfungsionalisasi tabung nano karbon, dan keutuhan PEG penting untuk meningkatkan pengambilan spesifik oleh sel terhadap tabung nano yang difungsionalisasi dengan ligan. Karena fragmentasi merupakan konsekuensi yang mungkin terjadi akibat sonikasi, suatu teknik yang umum digunakan untuk mendispersikan SWNT, hal ini dapat menjadi perhatian untuk aplikasi tertentu seperti penghantaran obat.
 

Dispersi ultrasonik SWCNT dengan PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Pembentukan Liposom secara Ultrasonik

Aplikasi ultrasonik lain yang berhasil adalah penyiapan liposom dan nanoliposom. Sistem penghantaran obat dan gen berbasis liposom berperan penting dalam berbagai terapi, serta dalam kosmetik dan nutrisi. Liposom merupakan pembawa yang baik karena zat aktif yang larut dalam air dapat ditempatkan di bagian tengah liposom yang berair atau, jika zat tersebut larut dalam lemak, di dalam lapisan lipid. Liposom dapat dibentuk menggunakan ultrasonik. Bahan dasar untuk penyiapan liposom adalah molekul amfifilik yang berasal dari atau berbasis lipid membran biologis. Untuk pembentukan vesikel unilamelar kecil (SUV), dispersi lipid disonikasi secara lembut – misalnya dengan sonikator genggam UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter, atau cup-horn ultrasonik. Perlakuan ultrasonik tersebut berlangsung sekitar 5 – 15 menit. Metode lain untuk menghasilkan vesikel unilamelar kecil adalah sonikasi liposom berupa vesikel multilamelar.
Dinu-Pirvu et al. (2010) melaporkan perolehan transferosom dengan menyonikasi MLV pada suhu ruang.
Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai perangkat ultrasonik, sonotrode, dan aksesori untuk memenuhi kebutuhan semua jenis proses.
Baca selengkapnya tentang ekstrak Aloe vera yang diekstraksi dan dienkapsulasi secara ultrasonik!

Enkapsulasi Zat ke dalam Liposom secara Ultrasonik

Liposom berfungsi sebagai pembawa zat aktif. Ultrasonik merupakan sarana yang efektif untuk menyiapkan dan membentuk liposom guna menjerap zat aktif. Sebelum enkapsulasi, liposom cenderung membentuk kelompok akibat interaksi antarmuatan permukaan pada kepala polar fosfolipid (Míckova et al. 2008); selain itu, liposom harus dibuka. Sebagai contoh, Zhu et al. (2003) menjelaskan enkapsulasi serbuk biotin dalam liposom melalui sonikasi. Saat serbuk biotin ditambahkan ke dalam larutan suspensi vesikel, larutan tersebut disonikasi selama sekitar 1 jam. Setelah perlakuan ini, biotin terjerap dalam liposom.

Emulsi Liposomal

Untuk meningkatkan efek perawatan dari krim pelembap atau antipenuaan, losion, gel, dan formulasi kosmeseutikal lainnya, pengemulsi ditambahkan ke dispersi liposomal untuk menstabilkan lipid dalam jumlah yang lebih besar. Namun, penelitian menunjukkan bahwa kemampuan liposom umumnya terbatas. Dengan penambahan pengemulsi, efek ini akan muncul lebih awal, dan pengemulsi tambahan menyebabkan melemahnya afinitas fosfatidilkolin terhadap sawar. Nanopartikel – yang tersusun dari fosfatidilkolin dan lipid – merupakan jawaban atas masalah ini. Nanopartikel ini dibentuk oleh tetesan minyak yang dilapisi satu lapisan fosfatidilkolin. Penggunaan nanopartikel memungkinkan formulasi yang mampu menyerap lebih banyak lipid dan tetap stabil, sehingga tidak diperlukan pengemulsi tambahan.
Sonikasi merupakan metode yang telah terbukti untuk produksi nanoemulsi dan nanodispersi. Ultrasonik berintensitas sangat tinggi menyediakan daya yang diperlukan untuk mendispersikan suatu fase cair (fase terdispersi) sebagai tetesan kecil di dalam fase kedua (fase kontinu). Di zona pendispersian, gelembung kavitasi yang runtuh menghasilkan gelombang kejut intens dalam cairan di sekitarnya dan menyebabkan terbentuknya semburan cairan berkecepatan tinggi. Untuk menstabilkan tetesan fase terdispersi yang baru terbentuk terhadap koalesensi, pengemulsi (zat aktif permukaan, surfaktan) dan penstabil ditambahkan ke emulsi. Karena koalesensi tetesan setelah pemecahan memengaruhi distribusi ukuran tetesan akhir, pengemulsi yang menstabilkan secara efisien digunakan untuk mempertahankan distribusi ukuran tetesan akhir pada tingkat yang sama dengan distribusi tepat setelah pemecahan tetesan di zona pendispersian ultrasonik.

Dispersi Liposomal

Dispersi liposomal yang berbasis phosphatidylchlorine tak jenuh memiliki stabilitas yang rendah terhadap oksidasi. Stabilisasi dispersi dapat dicapai dengan antioksidan, misalnya kompleks vitamin C dan E.
Ortan et al. (2002) memperoleh hasil yang baik dalam penelitian mereka mengenai penyiapan minyak atsiri Anethum graveolens dalam liposom secara ultrasonik. Setelah sonikasi, dimensi liposom berkisar antara 70–150 nm, dan untuk MLV antara 230–475 nm; nilai-nilai ini juga relatif konstan setelah 2 bulan, tetapi meningkat setelah 12 bulan, terutama pada dispersi SUV (lihat histogram di bawah). Pengukuran stabilitas terkait kehilangan minyak atsiri dan distribusi ukuran juga menunjukkan bahwa dispersi liposomal mempertahankan kandungan minyak atsiri. Hal ini menunjukkan bahwa penjerapan minyak atsiri dalam liposom meningkatkan stabilitas minyak tersebut.
 

Stabilitas dispersi MLV dan SUV setelah 1 tahun. Formulasi liposomal disimpan pada 4±1 ºC.
(Penelitian dan grafik: ©Ortan et al., 2009):

 
Klik di sini untuk membaca selengkapnya tentang penyiapan liposom secara ultrasonik!

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Penelitian dan Produksi Farmasi

Hielscher Ultrasonics adalah pemasok utama Anda untuk sonikator bermutu tinggi dan berkinerja tinggi bagi penelitian dan produksi sediaan farmasi. Perangkat dengan rentang daya dari 50 watt hingga 16.000 watt memungkinkan pemilihan prosesor ultrasonik yang tepat untuk setiap volume dan setiap proses. Berkat kinerja tinggi, keandalan, ketangguhan, dan kemudahan pengoperasiannya, perlakuan ultrasonik menjadi teknik penting untuk penyiapan dan pemrosesan nanomaterial. Dilengkapi CIP (pembersihan di tempat) dan SIP (sterilisasi di tempat), sonikator Hielscher menjamin produksi yang aman dan efisien sesuai standar farmasi. Semua proses ultrasonik spesifik dapat dengan mudah diuji pada skala laboratorium atau skala meja laboratorium. Hasil uji ini sepenuhnya dapat direproduksi, sehingga peningkatan skala berikutnya bersifat linear dan dapat dilakukan dengan mudah tanpa upaya tambahan terkait optimalisasi proses.

Sonikator Hielscher: Desain, Produksi, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Sonikator Hielscher terkenal dengan standar mutu dan desain tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasiannya memungkinkan integrasi sonikator kami ke fasilitas industri secara lancar. Kondisi berat dan lingkungan dengan tuntutan tinggi dapat ditangani dengan mudah oleh sonikator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics merupakan perusahaan bersertifikasi ISO dan memberikan penekanan khusus pada sonikator berkinerja tinggi yang mengusung teknologi mutakhir serta kemudahan penggunaan. Tentu saja, sonikator Hielscher sesuai dengan ketentuan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA, dan RoHs.

Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:

Literatur/Referensi

• 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.

 

Ultrasonik merupakan teknologi inovatif yang berhasil digunakan untuk sintesis sonokimia, deaglomerasi, dispersi, emulsifikasi, fungsionalisasi, dan aktivasi partikel. Khususnya dalam nanoteknologi, sonikasi merupakan teknik penting untuk keperluan sintesis dan pemrosesan material berukuran nano. Seiring besarnya minat ilmiah terhadap nanoteknologi, partikel berukuran nano dimanfaatkan dalam sangat banyak bidang ilmiah dan industri. Industri farmasi juga telah menemukan potensi besar dari material yang fleksibel dan bervariasi ini. Oleh karena itu, nanopartikel digunakan dalam berbagai aplikasi fungsional di industri farmasi, yang meliputi:

• penghantaran obat (pembawa)
• produk diagnostik
• pengemasan produk
• penemuan biomarker