Trattamento a ultrasuoni di nanoparticelle per prodotti farmaceutici

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

Ecco alcuni aspetti chiave dell'uso dei sonicatori a sonda nelle applicazioni farmaceutiche:

• Riduzione delle dimensioni delle particelle: I sonicatori a sonda vengono impiegati per ridurre le dimensioni delle particelle di ingredienti farmaceutici attivi (API) o altri composti. Una dimensione ridotta e uniforme delle particelle è fondamentale per migliorare la biodisponibilità, i tassi di dissoluzione e l'efficacia complessiva delle formulazioni farmaceutiche.
• Interruzione delle cellule: Nella ricerca biofarmaceutica, i sonicatori a sonda vengono utilizzati per rompere le cellule e rilasciare i componenti intracellulari. Ciò è particolarmente importante per l'estrazione di proteine, enzimi e altre biomolecole da cellule microbiche o da cellule di mammiferi in coltura.
• Omogeneizzazione: L'omogeneizzazione delle formulazioni farmaceutiche è essenziale per garantire una distribuzione uniforme degli ingredienti. I sonicatori a sonda aiutano a raggiungere l'omogeneità rompendo gli agglomerati e disperdendo i componenti in modo uniforme.
• Formazione di nanoemulsioni e liposomi: La sonicazione viene utilizzata per creare nanoemulsioni e liposomi stabili nelle formulazioni farmaceutiche. Questi sistemi di rilascio su scala nanometrica vengono impiegati per la somministrazione di farmaci per migliorarne la solubilità e la biodisponibilità.
• Controllo della qualità e ottimizzazione dei processi: La sonicazione è uno strumento prezioso per il controllo della qualità nella produzione farmaceutica. Contribuisce all'ottimizzazione dei processi garantendo una distribuzione granulometrica e un'omogeneità coerenti, contribuendo alla riproducibilità da lotto a lotto.
• Formulazione e sviluppo di farmaci: Durante la formulazione e lo sviluppo di farmaci, i sonicatori a sonda vengono utilizzati per preparare sospensioni, emulsioni o dispersioni stabili. Ciò è fondamentale per la progettazione di prodotti farmaceutici con le proprietà fisiche e chimiche desiderate.

I nanomateriali nei prodotti farmaceutici

Le tecnologie a ultrasuoni svolgono un ruolo fondamentale nella preparazione, nel trattamento e nella funzionalizzazione dei nanomateriali nella ricerca e nella produzione farmaceutica. Gli intensi effetti degli ultrasuoni ad alta potenza, compresa la cavitazione acustica, contribuiscono a rompere gli agglomerati, a disperdere le particelle e a emulsionare le nano-gocce. I sonicatori ad alte prestazioni Hielscher rappresentano una soluzione affidabile ed efficiente per gli standard farmaceutici, garantendo una produzione sicura e facilitando lo scale-up senza ulteriori sforzi di ottimizzazione.

Lavorazione dei nanomateriali

I nanomateriali, in particolare le nanoparticelle, hanno rivoluzionato la somministrazione di farmaci nel settore farmaceutico, offrendo un metodo collaudato per somministrare agenti attivi per via orale o per iniezione. Questa tecnologia migliora l'efficienza del dosaggio e della somministrazione dei farmaci, aprendo nuove strade per i trattamenti medici. La possibilità di somministrare farmaci, calore o altre sostanze attive direttamente a cellule specifiche, in particolare quelle malate, rappresenta un progresso significativo.

Nella terapia del cancro, i farmaci nano-formulati hanno dimostrato risultati promettenti, sfruttando il vantaggio delle particelle di dimensioni nanometriche per fornire dosi elevate di farmaci direttamente alle cellule tumorali, massimizzando gli effetti terapeutici e riducendo al minimo gli effetti collaterali su altri organi. Le dimensioni in nanoscala consentono a queste particelle di attraversare le pareti e le membrane cellulari, rilasciando agenti attivi con precisione alle cellule bersaglio.

La lavorazione dei nanomateriali, definiti come particelle di dimensioni inferiori a 100 nm, presenta sfide che richiedono sforzi maggiori. La cavitazione a ultrasuoni emerge come una tecnologia consolidata per deagglomerare e disperdere i nanomateriali. I nanotubi di carbonio (CNT), in particolare i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) e i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), presentano proprietà uniche, offrendo un ampio volume interno per l'incapsulamento di molecole di farmaci e superfici distinte per la funzionalizzazione.
 

Produzione sonica di SWCNTs. La polvere di silice in una soluzione di miscela ferrocene-xilene è stata sonicata per 20 minuti a temperatura ambiente e a pressione ambiente. La sonicazione produce SWCNTS di elevata purezza sulla superficie della polvere di silice (Jeong et al. 2004).

I nanotubi di carbonio funzionalizzati (f-CNT) svolgono un ruolo cruciale nel migliorare la solubilità, consentendo un efficiente targeting dei tumori ed evitando la citotossicità. Le tecniche a ultrasuoni ne facilitano la produzione e la funzionalizzazione, come il metodo sonochemical per ottenere SWCNT di elevata purezza. Inoltre, le f-CNT possono servire come sistemi di somministrazione di vaccini, collegando gli antigeni ai nanotubi di carbonio per indurre risposte anticorpali specifiche.
Le nanoparticelle di ceramica derivate da silice, titania o allumina presentano superfici porose, che le rendono vettori ideali di farmaci. La sintesi e la precipitazione a ultrasuoni delle nanoparticelle, utilizzando la sonochimica, forniscono un approccio bottom-up per la preparazione di composti di dimensioni nanometriche. Il processo migliora il trasferimento di massa, con conseguente riduzione delle dimensioni delle particelle e maggiore uniformità.

Sintesi e precipitazione ad ultrasuoni di nanoparticelle

Gli ultrasuoni svolgono un ruolo fondamentale nella funzionalizzazione delle nanoparticelle. La tecnica rompe efficacemente gli strati di confine intorno alle particelle, consentendo a nuovi gruppi funzionali di raggiungere la superficie delle particelle. Ad esempio, la funzionalizzazione a ultrasuoni di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) con frammenti di PL-PEG interferisce con l'assorbimento non specifico delle cellule, promuovendo al contempo l'assorbimento specifico delle cellule per applicazioni mirate.

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

Esempio pratico di fuzionalizzazione di particelle a ultrasuoni:

Funzionalizzazione ultrasonica di SWCNTs mediante PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) hanno dimostrato che la dispersione di nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) mediante ultrasuoni con fosfolipide-polietilenglicole (PL-PEG) li frammenta, interferendo così con la loro capacità di bloccare l'assorbimento non specifico da parte delle cellule. Tuttavia, il PL-PEG non frammentato promuove l'assorbimento cellulare specifico degli SWNT mirati a due distinte classi 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 promuovere l'assorbimento cellulare specifico dei nanotubi funzionalizzati con ligandi. Poiché la frammentazione è una probabile conseguenza degli ultrasuoni, una tecnica comunemente usata per disperdere i SWNT, questo potrebbe essere un problema per alcune applicazioni come la somministrazione di farmaci.
 

Dispersione ultrasonica di SWCNT con PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Formazione di liposomi a ultrasuoni

Un'altra applicazione di successo degli ultrasuoni è la preparazione di liposomi e nano-liposomi. I sistemi di rilascio di farmaci e geni a base di liposomi svolgono un ruolo significativo in numerose terapie, ma anche nella cosmesi e nella nutrizione. I liposomi sono buoni vettori, in quanto gli agenti attivi solubili in acqua possono essere inseriti nel centro acquoso dei liposomi o, se l'agente è solubile nei grassi, nello strato lipidico. I liposomi possono essere formati con l'uso degli ultrasuoni. Il materiale di base per la preparazione dei liposomi è costituito da molecole anfiliche derivate o basate sui lipidi della membrana biologica. Per la formazione di piccole vescicole unilamellari (SUV), la dispersione lipidica viene sonicata delicatamente. – Ad esempio, con l'ultrasuonatore portatile UP50H (50W, 30kHz), il VialTweeter o il corno a tazza 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 a vescicole multilamellari.
Dinu-Pirvu (et al. 2010) è riuscito ad ottenere dei transfersomi attraverso la sonicazione di liposomi multilamellari a temperatura ambiente.
Hielscher Ultrasonics offre diversi dispositivi a ultrasuoni, sonotrodi e accessori per soddisfare le esigenze di tutti i tipi di processi.
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Incapsulamento degli Agenti Attivi nei Liposomi attraverso l’Utilizzo di Ultrasuoni

I liposomi svolgono la funzione di trasportatori di agenti attivi. L'ultrasuono è uno strumento efficace ed efficiente per preparare e formare i liposomi a ricevere al loro interno gli agenti attivi di cui diventeranno vettori. Prima dell’inserimento degli agenti attivi, i liposomi tendono ad assumere una forma a grappolo a causa della superficie di interazione carica-carica delle teste polari fosfolipidi e inoltre devono essere aperti (Míckova et al. 2008). A titolo di esempio, Zhu (et al. 2003) descrive l'incapsulamento di polvere di biotina in liposomi attraverso l’utilizzo di ultrasuoni. La polvere di biotina è stata inserita nella sospensione del liposoma, tale soluzione è stata poi sonicata per circa un’ora. Al termine di questo trattamento, la polvere di biotina è risultata completamente intrappolata nei liposomi.

Emulsioni Liposomiali

Per migliorare l'effetto nutritivo o quello anti-invecchiamento di creme idratanti, gel o altre formulazioni cosmetiche, gli emulsionanti vengono aggiunti alle dispersioni liposomiali per stabilizzare una maggiore quantità di lipidi. Ma le indagini avevano dimostrato che la capacità dei liposomi è generalmente limitata. Con l'aggiunta di emulsionanti questo effetto comparirà prima e un’ulteriore aggiunta di emulsionanti causerà l’indebolimento dell'affinità di barriera di fosfatidilcolina. Le nanoparticelle – composti di fosfatidilcolina e lipidi – sono la risposta a questo problema. Queste nanoparticelle sono formate da una piccola goccia di olio ricoperta da un monostrato di fosfatidilcolina. L'uso delle nanoparticelle permette la creazione di formulazioni capaci di assorbire più lipidi e quindi in grado di rimanere stabili, così da non richiedere l’ulteriore aggiunta di emulsionanti.
L'ultrasuonoterapia è un metodo collaudato per la produzione di nanoemulsioni e nanodispersioni. Gli ultrasuoni ad alta intensità forniscono la potenza necessaria per disperdere una fase liquida (fase dispersa) in piccole gocce in una seconda fase (fase continua). Nella zona di dispersione, l'implosione delle bolle di cavitazione provoca intense onde d'urto nel liquido circostante e porta alla formazione di getti di liquido ad alta velocità. Per stabilizzare le goccioline appena formate della fase dispersa contro la coalescenza, all'emulsione vengono aggiunti emulsionanti (sostanze tensioattive, tensioattivi) e stabilizzatori. Poiché la coalescenza delle goccioline dopo la disgregazione influenza la distribuzione finale delle dimensioni delle goccioline, si utilizzano emulsionanti efficacemente stabilizzanti per mantenere la distribuzione finale delle dimensioni delle goccioline a un livello uguale alla distribuzione immediatamente successiva alla disgregazione delle goccioline nella zona di dispersione a ultrasuoni.

Dispersioni Liposomiali

Le dispersioni liposomiale, che sono basate su fosfatidilcolina insatura, mancano di stabilità contro l'ossidazione. La stabilizzazione di tali dispersioni può essere raggiunta grazie a antiossidanti, come ad esempio un complesso di vitamine C ed E.
Ortan (et al. 2002) nel suo studio riguardante la preparazione ad ultrasuoni di olio essenziale di Anethum graveolens sottoforma di liposomi ha conseguito buoni risultati. Dopo il processo di sonicazione, la dimensione dei liposomi era compresa tra i 70 e i 150 nm e per le MLV tra i 230 e i 475 nm; questi valori sono rimasti approssimativamente costanti anche dopo due mesi dalla produzione, ma trascorsi dodici mesi sono aumentati, soprattutto nella dispersione SUV (vedi istogramma qui sotto). Misurando la stabilità dell’olio essenziale si è compreso che vi è stata una perdita nella dimensione di distribuzione delle gocce, ma si è anche appreso che la dispersione liposomiale ha mantenuto volatile il contenuto di olio. Questo fenomeno suggerisce che l’incapsulamento dell’olio essenziale nei liposomi ne ha aumentato la stabilità.
 

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

 
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Sonicatori ad alte prestazioni per la ricerca e la produzione farmaceutica

Hielscher Ultrasonics è il vostro miglior fornitore di sonicatori di alta qualità e ad alte prestazioni per la ricerca e la produzione di prodotti farmaceutici. I dispositivi, che vanno da 50 watt a 16.000 watt, consentono di trovare il giusto processore a ultrasuoni per ogni volume e 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 (clean-in-place) e SIP (sterilize-in-place), i sonicatori Hielscher garantiscono una produzione sicura ed efficiente secondo gli standard farmaceutici. Tutti i processi specifici a ultrasuoni possono essere facilmente testati in laboratorio o su banco. I risultati di queste prove sono completamente riproducibili, in modo che il successivo scale-up sia lineare e possa essere effettuato facilmente senza ulteriori sforzi per l'ottimizzazione del processo.

Hielscher Sonicators: Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Letteratura/riferimenti