Precipitazione a ultrasuoni di superparticelle di curcumina

• Poiché la curcuma contiene solo il 2–9 wt% di curcuminoidi, è necessaria una tecnica di estrazione o sintesi efficiente per ottenere una polvere con elevata efficacia medicinale.
• La precipitazione con antisolvente assistita da ultrasuoni è un metodo altamente efficiente per sintetizzare particelle di curcumina.
• La precipitazione con antisolvente mediante ultrasuoni può essere facilmente portata su scala maggiore per produrre grandi quantità di curcumina di alta qualità.

Curcumina

La curcumina, un polifenolo, è una sostanza farmacologica scarsamente solubile in acqua presente nella curcuma, una spezia di origine vegetale (Curcuma longa). Contiene antiossidanti molto potenti ed è nota per le sue proprietà antinfiammatorie, antitumorali, antifungine e antimicrobiche. La curcumina viene utilizzata come composto farmacologico di elezione soprattutto per la sua ampia gamma di attività chemiopreventive e chemioterapeutiche.
In quanto potente antiossidante, la curcumina aumenta l’attività sierica di antiossidanti come la superossido dismutasi (SOD) e cattura e neutralizza radicali liberi come le specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto (ROS e RNS). Inoltre, potenzia l’attività degli enzimi antiossidanti endogeni. La curcumina è nota anche per ridurre le malattie cardiache e migliorare la funzione cerebrale. Grazie a queste molteplici proprietà medicinali benefiche, la curcumina è ampiamente utilizzata come spezia, integratore e farmaco.

Precipitazione con antisolvente liquido mediante ultrasuoni

La precipitazione con antisolvente liquido (LAS) assistita da ultrasuoni è una tecnica di sintesi semplice e rapida, eseguita in un unico recipiente, per produrre nanoparticelle di curcumina con superstruttura ortorombica. La precipitazione con antisolvente mediante ultrasuoni è un processo semplice, rapido e scalabile, che consente di precipitare curcumina di alta qualità nell’industria farmaceutica e alimentare.

Meccanismo ipotizzato di formazione delle superparticelle di curcumina in assenza e in presenza di ultrasuoni, senza stabilizzanti. Immagine © 2014 Thorat et al.

Protocollo di precipitazione a ultrasuoni:

Per la precipitazione a ultrasuoni delle particelle di curcumina, una soluzione organica di curcumina in etanolo (5 mg/mL) viene aggiunta a 100mL di acqua contenente un tensioattivo (0,02 wt% in acqua) oppure priva di tensioattivo. Come recipiente di reazione si utilizza un recipiente in vetro incamiciato con un volume di circa 500mL, un diametro di 7cm e un rapporto L/D di 1,7. La temperatura della miscela viene mantenuta costantemente a 1ºC. Per il processo di precipitazione a ultrasuoni, il sonotrodo di un omogeneizzatore a ultrasuoni come il UP200Ht o UP200St , dotato di un sonotrodo S26d14, viene immerso nella miscela solvente–antisolvente. La miscela viene dispersa con un’ampiezza impostata al 100% e 10min. di sonicazione.
Il tempo di sonicazione consente di modificare il polimorfismo dei cristalli di curcumina. Prolungando la durata della sonicazione, aumenta la percentuale di particelle ortorombiche. Ciò indica che un aumento dell’energia ultrasonica favorisce la formazione della forma ortorombica rispetto a quella monoclina, indipendentemente dall’additivo utilizzato.
[cfr. Thorat et al. 2014]

Miglioramento della biodisponibilità mediante incapsulamento a ultrasuoni

Poiché la curcumina è una molecola lipofila e scarsamente solubile in acqua (= idrofoba), presenta una bassa biodisponibilità sistemica. È quindi necessario preparare formulazioni di curcumina che ne migliorino la biodisponibilità. Per la preparazione di soluzioni acquose di curcumina vengono aggiunti tensioattivi, lipidi, albumine, ciclodestrine, biopolimeri ecc., al fine di incapsulare o incorporare le molecole di curcumina in liposomi, nanoparticelle e altri veicoli per farmaci.
La sonicazione è una tecnica altamente efficiente e affidabile per formulare veicoli per farmaci come liposomi, nanoparticelle con struttura nucleo–guscio, biopolimeri ed emulsioni doppie! Di seguito è riportato un esempio di protocollo per l’incapsulamento della curcumina mediante ultrasuoni.

Protocollo di incapsulamento della curcumina mediante ultrasuoni:

Nanoparticelle di acido poli(lattico-co-glicolico) (PLGA) caricate con curcumina

1. Innanzitutto, il polimero PLGA viene disciolto in acetato di etile. Si aggiunge la curcumina (15% w/w) e la si lascia dissolvere agitando la soluzione a intermittenza con un agitatore vortex.
2. La miscela di solido in olio viene aggiunta a una fase acquosa di PVA (w/v) per formare un’emulsione S-O/W. Quindi, la soluzione di farmaco/polimero in PVA viene agitata con un agitatore vortex a 8.000 rpm.
3. La soluzione risultante viene sonicata per circa 300sec al 45% di ampiezza con un omogeneizzatore a ultrasuoni come UP200Ht o UP200St (200W, 26kHz). Subito dopo la sonicazione, l’emulsione viene versata nella fase acquosa (0,1% di PVA in acqua; 200mL) per la diffusione, mantenendo una rapida agitazione con un agitatore magnetico.
4. Questa sospensione colloidale viene agitata continuamente con un agitatore magnetico fino al completamento dell’evaporazione del solvente. Le nanoparticelle vengono quindi raccolte mediante centrifugazione e lavate 3 volte con acqua distillata Milli Q. Infine, vengono risospese in una soluzione crioprotettiva (saccarosio (2 %w/w) e trealosio (5% w/w)), essiccate con un sistema di liofilizzazione ATR FD3.0 e possono essere conservate a 4°C per almeno 6 mesi.

[cfr. Ranjan et al. 2012]

Processori a ultrasuoni per la precipitazione e la formulazione della curcumina

Hielscher Ultrasonics offre apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi di nanoparticelle (ad es. API) e l’estrazione di composti di origine vegetale. La nostra gamma di prodotti comprende sofisticati sonicatori da laboratorio, da banco e industriali, che consentono di sviluppare applicazioni dalla piccola scala alla scala commerciale. Tutti i risultati ottenuti nelle prove di laboratorio e su scala pilota possono essere trasferiti in modo completamente lineare alla scala di produzione commerciale. Tutti i sistemi sono progettati per il funzionamento 24/7, sono robusti e facili da usare.
La serie UIPxxxxhdT comprende i nostri sistemi a ultrasuoni di livello industriale, utilizzabili per applicazioni da banco, per l’ottimizzazione dei processi e per la produzione industriale. I nostri sistemi industriali sono disponibili nelle versioni 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) e 16.000W (UIP16000, il sonicatore più potente al mondo). I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono funzionare in continuo 24/7 con ampiezze molto elevate, fino a 200µm. Per ampiezze ancora maggiori, Hielscher offre sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento affidabile ininterrotto in condizioni di impiego gravoso e in ambienti impegnativi.
Per tutti i nostri sistemi a ultrasuoni offriamo un’ampia gamma di accessori, quali sonotrodi, amplificatori di ampiezza, celle di flusso e reattori di varie dimensioni, forme e geometrie. Con questi strumenti è facile adattare in modo ottimale i nostri processori a ultrasuoni alle condizioni di processo richieste.
Per la precipitazione e la sintesi dal basso verso l’alto, Hielscher offre un inserto esclusivo per celle di flusso – il MultiPhaseCavitator MPC48. Con il MultiPhaseCavitator, la seconda fase (antisolvente) viene iniettata attraverso 48 cannule sottili direttamente nella zona di cavitazione ultrasonica, dove viene miscelata alla prima fase nel giro di millisecondi. Si ottiene così la precipitazione di nanoparticelle omogenee.