Trattamento a ultrasuoni delle nanoparticelle per applicazioni farmaceutiche

I sonicatori a sonda svolgono un ruolo cruciale nella ricerca e nella produzione farmaceutica, offrendo un mezzo potente e controllato per ottenere la riduzione delle dimensioni delle particelle, la disgregazione cellulare e l’omogeneizzazione. I sonicatori utilizzano onde ultrasoniche per generare cavitazione, provocando la formazione e il collasso di bolle microscopiche. Questo fenomeno genera intense forze di taglio e onde d’urto, che frammentano efficacemente le particelle o disgregano le cellule.

Ecco alcuni aspetti fondamentali dell’impiego dei sonicatori a sonda nelle applicazioni farmaceutiche:

• Riduzione delle dimensioni delle particelle: I sonicatori a sonda vengono impiegati per ridurre le dimensioni delle particelle dei principi attivi farmaceutici (API) o di altri composti. Dimensioni ridotte e uniformi delle particelle sono essenziali per migliorare la biodisponibilità, le velocità di dissoluzione e l’efficacia complessiva delle formulazioni farmaceutiche.
• Disgregazione cellulare: Nella ricerca biofarmaceutica, i sonicatori a sonda vengono utilizzati per la disgregazione cellulare al fine di rilasciare i componenti intracellulari. Questo è particolarmente importante per l’estrazione di proteine, enzimi e altre biomolecole da cellule microbiche o da cellule di mammifero in coltura.
• Omogeneizzazione: L’omogeneizzazione delle formulazioni farmaceutiche è essenziale per garantire una distribuzione uniforme degli ingredienti. I sonicatori a sonda contribuiscono a ottenere l’omogeneità disgregando gli agglomerati e disperdendo uniformemente i componenti.
• Formazione di nanoemulsioni e liposomi: La sonicazione viene utilizzata per creare nanoemulsioni e liposomi stabili nelle formulazioni farmaceutiche. Questi sistemi di veicolazione su scala nanometrica vengono impiegati per veicolare i farmaci e migliorarne la solubilità e la biodisponibilità.
• Controllo qualità e ottimizzazione dei processi: La sonicazione è uno strumento prezioso per il controllo qualità nella produzione farmaceutica. Contribuisce a ottimizzare i processi garantendo una distribuzione granulometrica e un’omogeneità costanti, favorendo la riproducibilità tra i lotti.
• Formulazione e sviluppo dei farmaci: Durante la formulazione e lo sviluppo dei farmaci, i sonicatori a sonda vengono utilizzati per preparare sospensioni, emulsioni o dispersioni stabili. Questo è fondamentale per progettare prodotti farmaceutici con le proprietà fisiche e chimiche desiderate.

Nanomateriali nelle applicazioni farmaceutiche

Le tecnologie a ultrasuoni svolgono un ruolo fondamentale nella preparazione, nel trattamento e nella funzionalizzazione dei nanomateriali nella ricerca e nella produzione farmaceutica. Gli effetti intensi degli ultrasuoni ad alta potenza, inclusa la cavitazione acustica, contribuiscono a disgregare gli agglomerati, disperdere le particelle ed emulsionare le nanogocce. I sonicatori ad alte prestazioni Hielscher offrono una soluzione affidabile ed efficiente per soddisfare gli standard farmaceutici, garantendo una produzione sicura e facilitando il passaggio a una scala maggiore senza ulteriori interventi di ottimizzazione.

Trattamento dei nanomateriali

I nanomateriali, in particolare le nanoparticelle, hanno rivoluzionato la veicolazione dei farmaci in ambito farmaceutico, offrendo un metodo comprovato per somministrare principi attivi per via orale o mediante iniezione. Questa tecnologia migliora l’efficienza del dosaggio e della veicolazione dei farmaci, aprendo nuove possibilità per i trattamenti medici. La capacità di veicolare farmaci, calore o altre sostanze attive direttamente a cellule specifiche, in particolare a cellule malate, rappresenta un progresso significativo.

Nella terapia oncologica, i farmaci nanoformulati hanno dimostrato risultati promettenti, sfruttando il vantaggio delle particelle di dimensioni nanometriche per veicolare dosi elevate di farmaco direttamente alle cellule tumorali, massimizzando gli effetti terapeutici e riducendo al minimo gli effetti collaterali sugli altri organi. Le dimensioni nanometriche consentono a queste particelle di attraversare le pareti e le membrane cellulari, rilasciando i principi attivi esattamente in corrispondenza delle cellule bersaglio.

Il trattamento dei nanomateriali, definiti come particelle con dimensioni inferiori a 100nm, presenta sfide che richiedono un impegno maggiore. La cavitazione ultrasonica si afferma come una tecnologia consolidata per la deagglomerazione e la dispersione dei nanomateriali. I nanotubi di carbonio (CNTs), in particolare i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNTs) e i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs), presentano proprietà uniche, offrendo un ampio volume interno per l’incapsulamento delle molecole di farmaco e superfici distinte per la funzionalizzazione.
 

Produzione sonochimica di SWCNTs. La polvere di silice in una soluzione contenente una miscela di ferrocene e xilene è stata sottoposta a sonicazione per 20 min. a temperatura ambiente e a pressione ambiente. La sonicazione produce SWCNTS ad alta purezza sulla superficie della polvere di silice. (Jeong et al. 2004)

I nanotubi di carbonio funzionalizzati (f-CNTs) svolgono un ruolo cruciale nel migliorare la solubilità, consentire un indirizzamento efficiente verso i tumori ed evitare la citotossicità. Le tecniche a ultrasuoni ne facilitano la produzione e la funzionalizzazione, come nel metodo sonochimico per ottenere SWCNTs ad alta purezza. Inoltre, gli f-CNTs possono fungere da sistemi di veicolazione dei vaccini, legando antigeni ai nanotubi di carbonio per indurre risposte anticorpali specifiche.
Le nanoparticelle ceramiche derivate da silice, titania o allumina presentano superfici porose, che le rendono vettori ideali per i farmaci. La sintesi e la precipitazione di nanoparticelle mediante ultrasuoni, sfruttando la sonochimica, offrono un approccio dal basso verso l’alto per la preparazione di composti di dimensioni nanometriche. Il processo migliora il trasferimento di massa, producendo particelle di dimensioni inferiori e con maggiore uniformità

Sintesi e precipitazione di nanoparticelle mediante ultrasuoni

La sonicazione svolge un ruolo essenziale nella funzionalizzazione delle nanoparticelle. La tecnica rompe efficacemente gli strati limite attorno alle particelle, consentendo a nuovi gruppi funzionali di raggiungerne la superficie. Ad esempio, la funzionalizzazione mediante ultrasuoni dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs) con frammenti di PL-PEG interferisce con l’assorbimento cellulare aspecifico, favorendo al contempo l’assorbimento cellulare specifico per applicazioni mirate.

Per ottenere nanoparticelle con caratteristiche e funzioni specifiche, è necessario modificarne la superficie. Vari nanosistemi, come nanoparticelle polimeriche, liposomi, dendrimeri, nanotubi di carbonio, punti quantici ecc., possono essere funzionalizzati con successo per un impiego efficiente in ambito farmaceutico.

Esempio pratico di funzionalizzazione delle particelle mediante ultrasuoni:

Funzionalizzazione degli SWCNTs mediante ultrasuoni con PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) hanno dimostrato che la dispersione dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) mediante sonicazione con fosfolipide-polietilenglicole (PL-PEG) frammenta quest’ultimo, interferendo così con la sua capacità di bloccare l’assorbimento aspecifico da parte delle cellule. Tuttavia, il PL-PEG non frammentato favorisce l’assorbimento cellulare specifico degli SWNTs indirizzati a due classi distinte di recettori espressi dalle cellule tumorali. Il trattamento a ultrasuoni in presenza di PL-PEG è un metodo comunemente utilizzato per disperdere o funzionalizzare i nanotubi di carbonio e l’integrità del PEG è importante per favorire l’assorbimento cellulare specifico dei nanotubi funzionalizzati con ligandi. Poiché la frammentazione è una probabile conseguenza della sonicazione, una tecnica comunemente utilizzata per disperdere gli SWNTs, questo può rappresentare un problema per determinate applicazioni, come la veicolazione dei farmaci.
 

Dispersione mediante ultrasuoni degli SWCNTs con PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Formazione di liposomi mediante ultrasuoni

Un’altra applicazione efficace degli ultrasuoni è la preparazione di liposomi e nanoliposomi. I sistemi di veicolazione di farmaci e geni basati sui liposomi svolgono un ruolo significativo in numerose terapie, ma anche nella cosmetica e nella nutrizione. I liposomi sono buoni vettori, poiché i principi attivi idrosolubili possono essere inseriti nel loro nucleo acquoso oppure, se il principio attivo è liposolubile, nello strato lipidico. I liposomi possono essere formati mediante ultrasuoni. Il materiale di base per la preparazione dei liposomi è costituito da molecole anfifiliche derivate dai lipidi delle membrane biologiche o basate su di essi. Per la formazione di piccole vescicole unilamellari (SUV), la dispersione lipidica viene sottoposta a sonicazione delicata – ad esempio con il sonicatore portatile UP50H (50W, 30kHz), il VialTweeter o un cup-horn a ultrasuoni. La durata di questo trattamento a ultrasuoni è di circa 5 – 15 minuti. Un altro metodo per produrre piccole vescicole unilamellari è la sonicazione dei liposomi costituiti da vescicole multilamellari.
Dinu-Pirvu et al. (2010) riportano l’ottenimento di transferosomi mediante sonicazione di MLV a temperatura ambiente.
Hielscher Ultrasonics offre diversi dispositivi a ultrasuoni, sonotrodi e accessori per soddisfare le esigenze di ogni tipo di processo.
Scopri di più sull’estratto di Aloe vera ottenuto mediante estrazione e incapsulamento a ultrasuoni!

Incapsulamento di principi attivi nei liposomi mediante ultrasuoni

I liposomi fungono da vettori per i principi attivi. Gli ultrasuoni sono uno strumento efficace per preparare e formare i liposomi destinati all’intrappolamento dei principi attivi. Prima dell’incapsulamento, i liposomi tendono a formare aggregati a causa dell’interazione tra le cariche superficiali delle teste polari dei fosfolipidi (Míckova et al. 2008); inoltre, devono essere aperti. A titolo di esempio, Zhu et al. (2003) descrivono l’incapsulamento di polvere di biotina nei liposomi mediante sonicazione. Dopo l’aggiunta della polvere di biotina alla soluzione contenente la sospensione di vescicole, la soluzione è stata sottoposta a sonicazione per circa 1 ora. Dopo questo trattamento, la biotina risultava intrappolata nei liposomi.

Emulsioni liposomiali

Per potenziare l’effetto nutriente di creme idratanti o antietà, lozioni, gel e altre formulazioni cosmeceutiche, alle dispersioni liposomiali vengono aggiunti emulsionanti per stabilizzare quantità maggiori di lipidi. Tuttavia, gli studi hanno dimostrato che la capacità dei liposomi è generalmente limitata. Con l’aggiunta di emulsionanti, questo effetto si manifesta prima e gli emulsionanti aggiuntivi causano una riduzione dell’affinità della fosfatidilcolina per la barriera. Le nanoparticelle – composte da fosfatidilcolina e lipidi – sono la risposta a questo problema. Queste nanoparticelle sono costituite da una goccia d’olio ricoperta da un monostrato di fosfatidilcolina. L’impiego delle nanoparticelle consente di ottenere formulazioni capaci di incorporare più lipidi e rimanere stabili, rendendo superflui ulteriori emulsionanti.
La sonicazione è un metodo comprovato per la produzione di nanoemulsioni e nanodispersioni. Gli ultrasuoni ad alta intensità forniscono la potenza necessaria per disperdere una fase liquida (fase dispersa) sotto forma di piccole gocce in una seconda fase (fase continua). Nella zona di dispersione, le bolle di cavitazione che implodono causano intense onde d’urto nel liquido circostante e generano getti di liquido ad alta velocità. Per stabilizzare le gocce appena formate della fase dispersa contro la coalescenza, all’emulsione vengono aggiunti emulsionanti (sostanze tensioattive, surfattanti) e stabilizzanti. Poiché la coalescenza delle gocce dopo la frammentazione influenza la distribuzione finale delle loro dimensioni, vengono utilizzati emulsionanti con un’efficace azione stabilizzante per mantenere la distribuzione finale delle dimensioni delle gocce uguale a quella presente immediatamente dopo la loro frammentazione nella zona di dispersione ultrasonica.

Dispersioni liposomiali

Le dispersioni liposomiali a base di fosfatidilcolina insatura presentano una scarsa stabilità nei confronti dell’ossidazione. La stabilizzazione della dispersione può essere ottenuta mediante antiossidanti, ad esempio con un complesso di vitamine C ed E.
Ortan et al. (2002) hanno ottenuto buoni risultati nel loro studio sulla preparazione mediante ultrasuoni dell’olio essenziale di Anethum graveolens nei liposomi. Dopo la sonicazione, le dimensioni dei liposomi erano comprese tra 70–150 nm e quelle delle MLV tra 230–475 nm; questi valori rimanevano approssimativamente costanti anche dopo 2 mesi, ma aumentavano dopo 12 mesi, soprattutto nella dispersione di SUV (vedere gli istogrammi sotto). Anche la misurazione della stabilità, relativa alla perdita di olio essenziale e alla distribuzione dimensionale, ha mostrato che le dispersioni liposomiali mantenevano il contenuto di olio volatile. Questo suggerisce che l’intrappolamento dell’olio essenziale nei liposomi ne abbia aumentato la stabilità.
 

Stabilità delle dispersioni di MLV e SUV dopo 1 anno. Le formulazioni liposomiali sono state conservate a 4±1 ºC.
(Studio e grafico: ©Ortan et al., 2009):

 
Fai clic qui per saperne di più sulla preparazione dei liposomi mediante ultrasuoni!

Sonicatori ad alte prestazioni per la ricerca e la produzione farmaceutica

Hielscher Ultrasonics è il vostro fornitore di riferimento per sonicatori di alta qualità e ad alte prestazioni destinati alla ricerca e alla produzione farmaceutica. I dispositivi con potenze da 50 watt fino a 16.000 watt consentono di individuare il processore a ultrasuoni adatto a ogni volume e a ogni processo. Grazie alle elevate prestazioni, all’affidabilità, alla robustezza e alla facilità d’uso, il trattamento a ultrasuoni è una tecnica essenziale per la preparazione e il trattamento dei nanomateriali. Dotati di CIP (pulizia in situ) e SIP (sterilizzazione in situ), i sonicatori Hielscher garantiscono una produzione sicura ed efficiente secondo gli standard farmaceutici. Tutti i processi specifici a ultrasuoni possono essere facilmente testati su scala di laboratorio o da banco. I risultati di queste prove sono completamente riproducibili, per cui il successivo passaggio a una scala maggiore è lineare e può essere eseguito facilmente senza ulteriori interventi di ottimizzazione del processo.

Sonicatori Hielscher: progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono di integrare agevolmente i nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano senza difficoltà condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e dedica particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Bibliografia/Riferimenti

• 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.

 

Gli ultrasuoni sono una tecnologia innovativa utilizzata con successo per la sintesi sonochimica, la deagglomerazione, la dispersione, l’emulsificazione, la funzionalizzazione e l’attivazione delle particelle. In particolare nella nanotecnologia, la sonicazione è una tecnica essenziale per la sintesi e il trattamento dei materiali di dimensioni nanometriche. Poiché la nanotecnologia ha suscitato un interesse scientifico così rilevante, le particelle di dimensioni nanometriche vengono utilizzate in un numero straordinariamente elevato di ambiti scientifici e industriali. Anche l’industria farmaceutica ha scoperto l’elevato potenziale di questo materiale versatile e variabile. Di conseguenza, le nanoparticelle vengono impiegate in diverse applicazioni funzionali nell’industria farmaceutica, tra cui:

• veicolazione dei farmaci (vettore)
• prodotti diagnostici
• confezionamento dei prodotti
• scoperta di biomarcatori