Produzione di nanosfere biodegradabili

Le micro- e nanosfere biodegradabili possono essere prodotte mediante un processo continuo, senza contatto e privo di contaminazioni, facilmente eseguibile in condizioni sterili.

Introduzione

Le micro- e nanosfere biodegradabili (MS, NS) costituite da poli(lattide-co-glicolide) (PLGA) o altri materiali sono sistemi molto efficaci per la veicolazione di farmaci e antigeni, con un potenziale intrinseco per il rilascio mirato di farmaci e antigeni. I metodi attuali per produrre NS di PLGA sono tipici processi in lotti e presentano difficoltà di aumento della scala produttiva in condizioni sterili. Qui presentiamo un metodo nuovo ed elegante per produrre nanosfere di PLGA mediante un processo continuo, senza contatto e privo di contaminazioni, facilmente eseguibile in condizioni sterili. Durante l’intero processo di produzione, il prodotto è a contatto diretto soltanto con vetro sterile e tubi sterili in Teflon®. Il processo può essere eseguito in un sistema chiuso per prevenire qualsiasi contaminazione ambientale.

Schema dell’apparato per la sintesi di nanoparticelle senza contaminazioni mediante la cella di flusso Dmini per la sonicazione senza contatto di Hielscher

Metodo di produzione di nanosfere mediante ultrasuoni senza contatto

Le nanoparticelle di PLGA50:50 (Resomer® RG503H, Boehringer Ingelheim) sono state prodotte mediante un processo modificato di estrazione/evaporazione del solvente. Il PLGA disciolto in diclorometano (2 o 5%) è stato disperso in una soluzione acquosa di PVA allo 0,5% (w/w) mediante il nuovo apparato sperimentale comprendente una cella di flusso Dmini per la sonicazione senza contatto. La dispersione grossolana O/W è stata dapprima premiscelata con un agitatore magnetico e quindi omogeneizzata nella cella di flusso a ultrasuoni senza contatto Dmini (le portate delle fasi O e W erano nel rapporto 1:8). Le nanogocce di PLGA e solvente inizialmente formate si sono solidificate gradualmente durante il passaggio nei tubi, diventando nanoparticelle di PLGA. L’indurimento finale delle particelle è stato ottenuto in un volume maggiore di soluzione di PVA allo 0,5%.

Cella di flusso a ultrasuoni senza contatto Dmini per la sintesi di nanoparticelle senza contaminazioni

Risultati

Sono state facilmente preparate nanoparticelle con un diametro medio di 485 nm a partire da una soluzione di PLGA al 2% in DCM, con una potenza di sonicazione di 32W (Tab. 1). La distribuzione dimensionale era unimodale, con una lieve coda (Fig. 3A). Le dimensioni delle nanoparticelle variavano da 175 a 755 nm, in base ai percentili 10 e 90%. La ripetibilità del processo di produzione è stata costantemente buona, come dimostrato dalla variabilità soltanto modesta del diametro medio delle particelle. Riducendo la potenza emulsionante degli ultrasuoni è nota e utilizzata da tempo in laboratorio. Ora, sistemi costituiti da più processori a ultrasuoni, ciascuno con una potenza fino a 16.000 watt, forniscono la capacità necessaria per trasformare questa applicazione di laboratorio in un metodo di produzione efficiente per ottenere emulsioni finemente disperse in flusso continuo o in lotti – ottenendo risultati paragonabili a quelli dei migliori omogeneizzatori ad alta pressione oggi disponibili, come la nuova valvola a orifizio.
La riduzione del tempo di permanenza dell’emulsione nel campo ultrasonico da 14 a 7s ha avuto soltanto un effetto modesto sulle dimensioni delle nanoparticelle. Una riduzione della potenza di sonicazione da 32 a 25W ha invece determinato un aumento significativo della dimensione media delle particelle da 485 a 700nm, causato da una coda più pronunciata della curva di distribuzione dimensionale (Fig. 3A). Un aumento meno marcato, ma comunque significativo, della dimensione media delle particelle da 485 a 600 nm è stato riscontrato utilizzando una soluzione di PLGA al 5% anziché al 2%.

Tabella 1. Diametro medio delle nanosfere di PLGA50:50 preparate in condizioni diverse. Media di due lotti ± deviazione assoluta.

Infine, il PLGA, più idrofilo, è stato sostituito con PLA, più idrofobo e con peso molecolare inferiore, senza variazioni apprezzabili della dimensione media delle particelle e della distribuzione dimensionale. Non sono state osservate differenze nella morfologia dei diversi lotti di particelle preparate da soluzioni polimeriche al 2%. Tutte presentavano forme perfettamente sferiche e superfici lisce (Fig. 3B). Le particelle ottenute dalla soluzione di PLGA al 5% erano invece meno sferiche, presentavano superfici leggermente raggrinzite e fusioni di due o talvolta più particelle (Fig. 3C).

Fig. 3: Nanoparticelle di PLGA. (A): Distribuzione dimensionale delle particelle preparate con concentrazione del polimero/ potenza di sonicazione di 2%/ 32W, 5%/ 32W e 2%/ 25W%; tempo di permanenza = 14 s. (B),(C): Immagini SEM delle particelle preparate rispettivamente da soluzioni polimeriche al 2 e 5%. Tempo di permanenza = 14s; potenza di sonicazione = 32W. Le barre rappresentano 1 micron.
(Studio e immagini: © Freitas et al., 2006)

Discussione e conclusioni

La cella di flusso a ultrasuoni si è dimostrata particolarmente adatta alla produzione di nanosfere polimeriche biodegradabili basata sull’estrazione/evaporazione del solvente da un’emulsione. La ricerca futura sarà rivolta all’aumento della scala del processo e della potenza immessa per ottenere emulsioni ancora più fini. Sarà inoltre studiata l’idoneità della cella alla preparazione di emulsioni acqua in olio, ad esempio per la successiva trasformazione in microsfere caricate con farmaci.

Bibliografia

• Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.: A Fast and Simple Method for Producing Biodegradable Nanospheres, in: European Cells and Materials Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (page 28). This study was presented at the Swiss Society of Biomaterials.