Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Trattamento ad ultrasuoni delle nanoparticelle per i prodotti farmaceutici

Gli ultrasuoni sono una tecnologia innovativa che viene utilizzata con successo per la produzione di prodotti chimici sonori. Sintesi, Deagglomerato, dispersione, la emulsioneLa funzione e l'attivazione delle particelle. In particolare nelle nanotecnologie, l'ultrasonicazione è una tecnica essenziale per la sintesi e la lavorazione di materiali di dimensioni nanometriche. Da quando la nanotecnologia ha guadagnato questo eccezionale interesse scientifico, le nanoparticelle sono utilizzate in moltissimi campi scientifici e industriali. Anche il settore farmaceutico ha scoperto l'alto potenziale di questo materiale flessibile e variabile. Di conseguenza, le nanoparticelle sono coinvolte in varie applicazioni funzionali nell'industria farmaceutica, tra cui:

  • consegna della droga (corriere)
  • prodotti diagnostici
  • imballaggio del prodotto
  • scoperta del biomarcatore

Nanomateriali in campo farmaceutico

In particolare, la somministrazione di farmaci tramite nanoparticelle è già un metodo collaudato per la somministrazione di principi attivi che sono stati somministrati prima della somministrazione orale o per iniezione. (Bawa 2008) I farmaci nanoformati possono essere dosati e consegnati in modo molto più efficiente, in quanto le nuove tecniche aprono strade completamente nuove per i trattamenti medici. Questa tecnologia ad alto potenziale aiuta a fornire farmaci, calore o altre sostanze attive a cellule specifiche, cioè le cellule malate. Con questa somministrazione diretta di farmaci, le cellule sane sono tranquille dagli effetti dei farmaci. Un campo, in quanto i farmaci a formulazione nanometrica mostrano già i loro promettenti risultati è la terapia oncologica. Nella terapia oncologica è il grande vantaggio delle sostanze di dimensioni nanometriche che alte dosi di molecole di farmaci possono essere somministrate direttamente alle cellule tumorali per ottenere il massimo degli effetti collaterali minimizzando al tempo stesso gli effetti collaterali su altri organi. (Liu et al.2008) Questo vantaggio si traduce nel fatto che le particelle sono in grado di attraversare le pareti cellulari e le membrane e rilasciare i principi attivi del farmaco direttamente alle cellule bersaglio.

Nanomateriali di trasformazione

Poiché i nanomateriali sono definiti come particelle di dimensione inferiore a 100 nm, ciò significa che la produzione e la lavorazione di queste sostanze richiedono sforzi maggiori.
Per formare e trattare le nanoparticelle, gli agglomerati devono essere spezzati e le forze di legame devono essere superate. Cavitazione ad ultrasuoni è una tecnologia ben nota per deagglomerare e disperdere nanomateriali. La diversità dei nanomateriali e delle forme apre molteplici cambiamenti per la ricerca farmaceutica. nanotubi di carbonio (CNTs) hanno un grande volume interno che permette di incapsulare più molecole di farmaci, e hanno superfici interne ed esterne distinte per la funzionalizzazione. (Hilder et al. 2008) In questo modo, i CNT sono in grado di trasportare nelle cellule diverse molecole come agenti attivi, DNA, proteine, peptidi, leganti bersaglio, ecc. I CNT sono stati riconosciuti come la quintessenza dei nanomateriali e hanno acquisito lo status di uno dei campi più attivi delle nanoscienze e delle nanotecnologie. Il MWCNT è composto da 2-30 strati grafitici concentrici, i cui diametri vanno da 10 a 50 nm e lunghezze superiori a 10 μm. D'altra parte, SWCNT è molto più sottile, con un diametro che va da 1,0 a 1,4 nm. (Srinivasan 2008) Le nanoparticelle e i nanotubi possono entrare nelle cellule e possono essere assorbiti completamente da esse. In particolare i nanotubi di carbonio funzionalizzati (f-CNTs) sono noti per migliorare la solubilità e consentire un efficace individuazione del tumore. In questo modo, f-CNTs, SWNTs e MWNTs è impedito di essere citotossici (= tossici per le cellule) e di alterare la funzione del sistema immunitario. Per esempio, Nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs) di elevata purezza può essere prodotto in modo ecochimico: Gli SWCNT ad alta purezza possono essere ottenuti in una soluzione liquida mediante polvere di silice sonicante in polvere per 20 minuti a temperatura e pressione ambiente. (Srinivasan 2005)

Nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT/SWCNTs) preparati sonchimicamente.

Fig.1: Produzione chimico-sonochimica di SWCNTs. La polvere di silice in una soluzione di miscela ferrocene-xilene è stata sonicato per 20 minuti a temperatura ambiente e a pressione ambiente. L'sonicazione produce SWCNTS di elevata purezza sulla superficie della polvere di silice. (Jeong et al. 2004)

I nanotubi di carbonio funzionalizzati (f-CNT) possono anche agire come sistemi di somministrazione del vaccino. Il concetto di base è quello di collegare l'antigene ai nanotubi di carbonio mantenendo la sua conformazione, inducendo così una risposta anticorpale con la giusta specificità.
Nanoparticelle di ceramica, cioè derivate da siliceTitania o allumina, sono caratterizzati da una superficie porosa delle particelle che li rende un supporto ideale per la droga.

Sintesi ultrasonica e precipitazione delle nanoparticelle

Le nanoparticelle possono essere generate dal basso verso l'alto per sintesi o precipitazioni. Sonochimica è una delle prime tecniche utilizzate per preparare i composti nanosize. Suslick nel suo lavoro originale, Fe(CO)5 sonicato come liquido puro o in una soluzione deaclin e ha ottenuto nanoparticelle di ferro amorfo di dimensioni 10-20nm. Generalmente, una miscela sovrasatura inizia a formare particelle solide da un materiale altamente concentrato. L'ultrasonicazione migliora la miscelazione dei pre-cursore e aumenta il trasferimento di massa sulla superficie delle particelle. Questo porta ad una dimensione delle particelle più piccola e ad una maggiore uniformità.

Gli omogeneizzatori ad ultrasuoni consentono un'efficace dispersione, deagglomerazione e mfunzionalizzazione dei nanomateriali.

Foto 1: Apparecchio da laboratorio di Hielscher UP50H per la sonicazione di piccoli volumi, ad esempio per la dispersione di MWNT.

Funzionalizzazione ultrasonica delle nanoparticelle

Per ottenere nanoparticelle con caratteristiche e funzioni specifiche, la superficie delle particelle deve essere modificata. Diversi nanosistemi come nanoparticelle polimeriche, liposomi, dendrimer, nanotubi di carbonio, punti quantistici, ecc. possono essere funzionalizzati con successo per un uso efficiente in campo farmaceutico.
Per funzionalizzare l'intera superficie di ogni singola particella è necessario un buon metodo di dispersione. Quando sono disperse, le particelle sono tipicamente circondate da uno strato limite di molecole attratte dalla superficie della particella. Affinché nuovi gruppi funzionali possano raggiungere la superficie delle particelle, questo strato limite deve essere rotto o rimosso. I getti di liquido derivanti dalla cavitazione ultrasonica possono raggiungere velocità fino a 1000 km/h. Questo stress aiuta a superare le forze di attrazione e trasporta le molecole funzionali alla superficie delle particelle. In sono-chimica, questo effetto viene utilizzato per migliorare le prestazioni dei catalizzatori dispersi.

Esempio pratico:

Funzionalizzazione ultrasonica di SWCNTs da PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) ha dimostrato che la dispersione di singoli nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) per ultrasonicazione con fosfolipide-polietilene glicole (PL-PEG) lo frammenta, interferendo così con la sua capacità di bloccare l'assorbimento non specifico da parte delle cellule. Tuttavia, il PL-PEG non frammentato promuove l'assorbimento cellulare specifico di SWNT mirati a due classi distinte di recettori espressi dalle cellule tumorali. Il trattamento ad ultrasuoni in presenza di PL-PEG è un metodo comune 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 legante. Poiché la frammentazione è una probabile conseguenza dell'ultrasonicazione, una tecnica comunemente usata per disperdere gli SWNT, questo potrebbe essere una preoccupazione per alcune applicazioni come la somministrazione di farmaci.

Le apparecchiature di dispersione ad ultrasuoni come l'ultrasuoni UP400S sono lo strumento perfetto per disperdere e frammentare gli SWCNT per la preparazione di sostanze farmaceutiche.

Fig. 2: Dispersione ultrasonica di SWCNTs con PL-PEG (Zeineldin et al. 2009)

Formazione di liposomi ad ultrasuoni

Un'altra applicazione di successo degli ultrasuoni è la preparazione di liposomi e nano-liposomi. I sistemi di somministrazione di farmaci e geni basati su liposomi svolgono un ruolo significativo nelle terapie multiple, ma anche nella cosmesi e nella nutrizione. I liposomi sono buoni vettori, in quanto i principi attivi solubili in acqua possono essere collocati nel centro acquoso dei liposomi o, se l'agente è solubile in grasso, nello strato lipidico. I liposomi possono essere formati dall'uso degli ultrasuoni. I materiali di base per la preparazione dei liposomi sono molecole anfiliche derivate o basate su lipidi biologici di membrana. Per la formazione di piccole vescicole unilamellari (SUV), la dispersione lipidica viene sonicato delicatamente. – per tanto si può utilizzare un apparecchio ad ultrasuoni portatile come il modello UP50H (50W, 30kHz), il VialTweeter o il reattore ultrasonico UTR200 – in un bagno di ghiaccio. La durata di tale trattamento ad ultrasuoni dura circa dai 5 ai 15 minuti. Un altro metodo per la produzione di liposomi unilamellari piccoli consiste nella sonicazione di liposomi multilamellari.
Dinu-Pirvu (et al. 2010) è riuscito ad ottenere dei transfersomi attraverso la sonicazione di liposomi multilamellari a temperatura ambiente.
Hielscher Ultrasonics offre vari dispositivi a ultrasuoni, sonotrodi e accessori per soddisfare le esigenze di tutti i tipi di processi.

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'ultrasonicazione 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, le bolle di cavitazione implodenti causano intense onde d'urto nel liquido circostante e provocano la formazione di getti di liquido ad alta velocità del liquido. Per stabilizzare le nuove gocce della fase dispersa contro la coalescenza, all'emulsione vengono aggiunti emulsionanti (sostanze attive in superficie, tensioattivi) e stabilizzanti. Poiché la coalescenza delle gocce dopo l'interruzione influisce sulla distribuzione finale delle dimensioni delle gocce, vengono utilizzati emulsionanti stabilizzanti per mantenere la distribuzione finale delle dimensioni delle gocce ad un livello pari alla distribuzione immediatamente dopo l'interruzione delle gocce nella zona di dispersione ultrasonica.

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.

Le vescicole multilamellare (MLV) e le vescicole uni-lamellari singole (SUV) preparate ad ultrasuoni mostrano una buona stabilità per quanto riguarda la perdita di olio essenziale e la distribuzione granulometrica delle particelle.

Fig. 3: Ortan et al. (2009): Stabilità delle dispersioni di MLV e SUV dopo 1 anno. Le formulazioni liposomiali sono state conservate a 4±1 ºC.

Clicca qui per saperne di più sulla preparazione dei liposomi ad ultrasuoni!

Effetti ad ultrasuoni

Accanto alla produzione di nanoparticelle ad ultrasuoni, il trattamento di queste sostanze è un ampio campo di applicazione dell'ultrasonicazione. Gli agglomerati devono essere spezzati, le particelle devono essere districate e/o disperse, le superfici devono essere attivate o funzionalizzate e le nano-gocce devono essere emulsionate. Per tutte queste fasi di lavorazione, gli ultrasuoni sono un metodo essenziale e collaudato. Gli ultrasuoni ad alta potenza generano effetti intensi. Nel caso di liquidi sonori ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel liquido si traducono in cicli alternati di alta (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze variabili a seconda della frequenza. Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione.
L'implosione delle bolle di cavitazione provoca microturbolenze e microgetti fino a 1000 km/h. Le particelle di grandi dimensioni sono soggette ad erosione superficiale (per collasso di cavitazione nel liquido circostante) o riduzione delle dimensioni delle particelle (a causa della fissione per collisione interparticellare o del crollo di bolle di cavitazione formatesi sulla superficie). Questo porta ad una forte accelerazione della diffusione, processi di trasferimento di massa e reazioni in fase solida dovute al cambiamento delle dimensioni e della struttura dei cristalliti. (Suslick 1998)

Apparecchiature per l'elaborazione ad ultrasuoni

Hielscher è il principale fornitore di processori ad ultrasuoni di alta qualità e ad alte prestazioni per applicazioni di laboratorio e industriali. Dispositivi nella gamma da 50 watt fino 16.000 watt permettono di trovare il giusto processore ad ultrasuoni per ogni volume e per ogni processo. Per le loro elevate prestazioni, affidabilità, robustezza e facilità d'uso, il trattamento ad ultrasuoni è una tecnica essenziale per la preparazione e la lavorazione dei nanomateriali. Dotati di CIP (clean-in-place) e SIP (sterilizzazione-in-place), gli ultrasuoni Hielscher garantiscono una produzione sicura ed efficiente secondo gli standard farmaceutici. Tutti i processi a ultrasuoni specifici possono essere facilmente testati in laboratorio o su bilancia da banco. I risultati di queste prove sono completamente riproducibili, in modo che il seguente scale-up è lineare e può essere fatto facilmente senza ulteriori sforzi per quanto riguarda l'ottimizzazione del processo.

Sono-sintesi può essere effettuata a lotti o come processo continuo.

Foto 2: Il reattore a celle a flusso ultrasonico consente un trattamento continuo.

Letteratura/riferimenti

  • Bawa, Raj (2008): Terapeutica basata sulle nanoparticelle negli esseri umani: Un sondaggio. Dentro: Legge sulle nanotecnologie & Affari, estate 2008.
  • 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.
  • Hilder, Tamsyn A.; Hill, James M. (2008): Incapsulamento del farmaco antitumorale cisplatino in nanotubi. ICONN 2008. http://ro.uow.edu.au/infopapers/704
  • Jeong, Soo-Hwan; Ko, Ju-Hye; Park, Jing-Bong; Park, Wanjun (2004): Un percorso geochimico verso i nanotubi di carbonio a parete singola in condizioni ambientali. Dentro: Journal of American Chemical Society 126/2004; pp. 15982-15983.
  • Ko, Weon Bae; Park, Byoung Eun; Lee, Young Min; Hwang, Sung Ho (2009): Sintesi di nanoparticelle di fullerene[C60]-oro utilizzando tensioattivi non ionici polisorbato 80 e brij 97. Dentro: Journal of Ceramic Processing Research Vol. 10, 1/2009; pp. 6-10.
  • Liu, Zhuang; Chen, Kai; Davis, Corrine; Sherlock, Sarah; Cao, Qizhen; Chen Xiaoyuan; Dai, Hongjie (2008): Fornitura di farmaci con nanotubi di carbonio per il trattamento in vivo del cancro. Dentro: Ricerca sul cancro 68; 2008.
  • Mícková, A.; Tománková, K.; Kolárová, H.; Bajgar, R.; Kolár, P.; Sunka, P.; Plencner, M.; Jakubová, R.; Benes, J.; Kolácná, L.; Plánka, A.; Amler, E. (2008): Ultrasuoni Shock-Wave come meccanismo di controllo per Liposoma Drug Delivery System per un possibile uso in ponteggio impiantato su animali con difetti iatrogeni della cartilagine articolare. Dentro: Acta Veterianaria Brunensis Vol. 77, 2008; pp. 285-280.
  • Nahar, M.; Dutta, T.; Murugesan, S.; Asthana, A.; Mishra, D.; Rajkumar, V.; Tare, M.; Saraf, S.; Jain, N. K. (2006): Nanoparticelle polimeriche funzionali: uno strumento efficiente e promettente per la somministrazione attiva di bioattivi. Dentro: Recensioni critiche sui sistemi di trasporto dei farmaci terapeutici, Vol. 23, 4/2006; pp. 259-318.
  • Ortan, Alina; Campeanu, Gh.; Dinu-Pirvu, Cristina; Popescu, Lidia (2009): Studi riguardanti l'intrappolamento dell'olio essenziale di Anethum graveolens nei liposomi. Dentro: Poumanian Biotechnological Letters Vol. 14, 3/2009; pp. 4411-4417.
  • Srinivasan, C. (2008): Nanotubi di carbonio nella terapia antitumorale. Dentro: Scienza attuale, Vol.93, No.3, 2008.
  • Srinivasan, C. (2005) Metodo "SOUND" per la sintesi di nanotubi di carbonio a parete singola in condizioni ambientali. Dentro: Scienza attuale, Vol.88, No.1, 2005. pp. 12-13.
  • Suslick, Kenneth S. (1998): Kirk-Othmer Enciclopedia della tecnologia chimica; 4° Ed. J. Wiley & Figli: New York, Vol. 26, 1998. pp. 517-541.
  • Zeineldin, Reema; Al-Haik, Marwan; Hudson, Laurie G. (2009): Ruolo dell'integrità del polietilenglicole in specifici recettori di nanotubi di carbonio per le cellule tumorali. Dentro: Lettere Nano 9/2009; pp. 751-757.
  • Zhu, Hai Feng; Li, Jun Bai (2003): Riconoscimento dei liposomi biotina-funzionalizzati. Dentro: Lettere cinesi sui prodotti chimici Vol. 14, 8/2003; pagg. 832-835.

Contattateci per richiedere maggiori informazioni!

Non esitate a contattarci per parlare di vostro bisogno di progetto. Raccomanderemo i parametri di impostazione ed elaborazione più adatti per il vostro progetto.





Si prega di notare il nostro informativa sulla privacy.