医薬品用ナノ粒子の超音波処理

プローブタイプのソニケーターは、粒子径の縮小、細胞の破砕、均質化を達成するための強力かつ制御された手段を提供することにより、医薬品の研究および製造において重要な役割を果たしています。ソニケーターは超音波を利用してキャビテーションを発生させ、微細な気泡を形成・崩壊させます。この現象により、強いせん断力と衝撃波が発生し、粒子を効果的に分解したり、細胞を破壊したりします。

ここでは、製薬アプリケーションにおけるプローブ型ソニケーターの使用について、いくつかの重要な側面を紹介する：

• 粒子径の減少： プローブソニケーターは、医薬品有効成分（API）やその他の化合物の粒子径を小さくするために使用されます。粒子径を小さく均一にすることは、バイオアベイラビリティ、溶解速度、製剤の全体的な有効性を高めるために不可欠です。
• 細胞の破壊： バイオ医薬品研究において、プローブソニケーターは細胞内成分を放出するための細胞破砕に利用されます。これは、微生物細胞や培養哺乳類細胞からタンパク質、酵素、その他の生体分子を抽出する際に特に重要です。
• 均質化： 医薬製剤の均質化は、成分の均一な分布を確保するために不可欠です。プローブソニケーターは、凝集物を分解し、成分を均一に分散させることで、均質性の達成を支援します。
• ナノエマルジョンとリポソームの形成： ソニケーションは、医薬製剤において安定したナノエマルションやリポソームを作るために使用される。これらのナノスケールデリバリーシステムは、溶解性とバイオアベイラビリティを高めるために薬物送達に使用されます。
• 品質管理とプロセスの最適化： 超音波処理は、医薬品製造における品質管理のための貴重なツールです。一貫した粒度分布と均質性を確保することでプロセスを最適化し、バッチ間の再現性に貢献します。
• 医薬品の処方と開発:医薬品の処方や開発において、プローブソニケーターは安定した懸濁液、乳化液、分散液を調製するために利用されます。これは、望ましい物理的・化学的特性を持つ医薬品を設計するために非常に重要です。

医薬品におけるナノ材料

超音波技術は、製薬研究や製造におけるナノ材料の調製、加工、機能化において極めて重要な役割を果たしている。音響キャビテーションを含むハイパワー超音波の強力な効果は、凝集体の破壊、粒子の分散、ナノ液滴の乳化に貢献します。Hielscherの高性能ソニケーターは、製薬標準のための信頼性の高い効率的なソリューションを提供し、安全な製造を保証し、追加の最適化作業なしでスケールアップを容易にします。

ナノ材料の加工

ナノ材料、特にナノ粒子は、医薬品における薬物送達に革命をもたらし、活性剤を経口または注射で投与するための実証済みの方法を提供している。この技術は薬物投与と送達の効率を高め、医療に新たな道を開く。薬物、熱、その他の活性物質を特定の細胞、特に病気の細胞に直接送達する能力は、重要な進歩を意味する。

がん治療では、ナノサイズの粒子の利点を生かして高用量の薬剤を腫瘍細胞に直接送達し、他の臓器への副作用を最小限に抑えながら治療効果を最大化することで、ナノ製剤化された薬剤が有望な結果を示している。ナノサイズの粒子は、細胞壁や細胞膜を通過することができ、標的とする細胞に活性剤を正確に放出することができる。

寸法が100nm未満の粒子と定義されるナノ材料の処理には、より高い努力を必要とする課題がある。超音波キャビテーションは、ナノ材料を凝集・分散させるための確立された技術として浮上している。カーボンナノチューブ（CNT）、特に多層カーボンナノチューブ（MWCNT）と単層カーボンナノチューブ（SWCNT）は、薬物分子を封入するための大きな内部容積と機能化のための明確な表面を提供するユニークな特性を示しています。
 

SWCNTのソノケミカル製造。フェロセン-キシレン混合溶液中のシリカ粉末を室温、常圧下で20分間超音波処理した。超音波処理により、シリカ粉末の表面に高純度のSWCNTSが生成される (Jeong et al. 2004)。

機能化カーボンナノチューブ（f-CNTs）は、溶解性を高め、効率的な腫瘍ターゲティングを可能にし、細胞毒性を回避する上で重要な役割を果たしている。超音波技術は、高純度SWCNTのためのソノケミカル法など、その製造と機能化を容易にします。さらに、f-CNTは、抗原をカーボンナノチューブに結合させることで、特異的な抗体応答を誘導するワクチン送達システムとしての役割を果たすことができる。
シリカ、チタニア、アルミナ由来のセラミック・ナノ粒子は多孔質表面を持ち、理想的な薬物キャリアとなる。超音波化学を利用したナノ粒子の合成と沈殿は、ナノサイズの化合物を調製するためのボトムアップ・アプローチを提供する。このプロセスにより物質移動が促進され、粒子径が小さくなり、均一性が向上する。

ナノ粒子の超音波合成と析出

超音波処理はナノ粒子の機能化において重要な役割を果たしている。この技術は、粒子周囲の境界層を効率的に破壊し、新しい官能基が粒子表面に到達することを可能にする。例えば、PL-PEG断片による単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の超音波機能化は、非特異的な細胞取り込みを妨害する一方で、標的用途のための特異的な細胞取り込みを促進する。

特定の特性や機能を持つナノ粒子を得るためには、粒子表面を修飾する必要がある。ポリマーナノ粒子、リポソーム、デンドリマー、カーボンナノチューブ、量子ドットなどの様々なナノシステムは、薬学で効率的に使用するためにうまく機能化することができる。

超音波微粒子加工の実例：

PL-PEGによるSWCNTの超音波機能化：Zeineldinら（2009）は、リン脂質-ポリエチレングリコール（PL-PEG）を用いた超音波処理による単層カーボンナノチューブ（SWNT）の分散が、SWNTを断片化し、細胞による非特異的な取り込みを阻害することを示した。しかし、断片化されていないPL-PEGは、がん細胞が発現する2つの異なるクラスの受容体に対して、標的SWNTの特異的な細胞内取り込みを促進する。PL-PEGの存在下での超音波処理は、カーボンナノチューブの分散や機能化に用いられる一般的な方法であり、PEGの完全性は、リガンドで機能化されたナノチューブの特異的な細胞への取り込みを促進するために重要である。PEGの完全性は、リガンドで機能化されたナノチューブの細胞への特異的な取り込みを促進するために重要である。SWNTを分散させるために一般的に使用される技術である超音波処理では、断片化が起こりやすいため、薬物送達のような特定の用途では懸念されるかもしれない。
 

PL-PEGによるSWCNTの超音波分散（Zeineldin et al.）

超音波リポソーム形成

超音波のもう一つの成功例は、リポソームやナノリポソームの調製である。リポソームをベースとした薬物や遺伝子の送達システムは、様々な治療だけでなく、化粧品や栄養学においても重要な役割を果たしている。リポソームは、水溶性の活性薬剤をリポソームの水性中心部や、脂溶性の薬剤であれば脂質層に入れることができるため、優れたキャリアである。リポソームは超音波を使って形成することができる。リポソーム調製のための基本的な材料は、生体膜脂質由来の、あるいは生体膜脂質をベースとした両親媒性分子である。小さな一枚膜小胞(SUV)を形成するには、脂質分散液を穏やかに超音波処理する。 – 例えば、ハンドヘルド超音波治療器UP50H（50W、30kHz）、VialTweeterまたは超音波カップホーンを使用します。このような超音波処理の持続時間は約5～15分である。小さな一枚膜小胞を製造するもう一つの方法は、多重ラメラ小胞リポソームの超音波処理である。
Dinu-Pirvuら(2010)は、MLVを室温で超音波処理することによりトランスフェロソームを得たと報告している。
Hielscher Ultrasonics社は、あらゆるプロセスの要求に応えるため、様々な超音波装置、ソノトロード、アクセサリーを提供しています。
超音波抽出・カプセル化されたアロエベラエキスについてもっと読む！

リポソームへの薬剤の超音波カプセル化

リポソームは活性剤のキャリアーとして働く。超音波は、活性剤を封入するためのリポソームを調製・形成するための効果的なツールである。カプセル化の前に、リポソームはリン脂質の極性頭部の表面電荷-電荷相互作用によりクラスターを形成する傾向があり（Míckova et al.例えば、Zhuら（2003）は、超音波処理によるビオチン粉末のリポソームへの封入について述べている。ビオチン粉末をベシクル懸濁液に加えた後、溶液を約1時間超音波処理した。この処理の後、ビオチンはリポソームに封入された。

リポソーム乳剤

保湿クリームやアンチエイジングクリーム、ローション、ジェル、その他の化粧品製剤の保湿効果を高めるために、リポソーム分散液には乳化剤が添加され、より多量の脂質を安定化させる。しかし、一般的にリポソームの能力には限界があることが調査によって示されていた。乳化剤の添加により、この効果はより早く現れ、乳化剤の添加によりホスファチジルコリンのバリア親和性が弱まる。ナノ粒子 – ホスファチジルコリンと脂質からなるナノ粒子が、この問題に対する答えである。これらのナノ粒子は、ホスファチジルコリンの単分子層で覆われた油滴によって形成される。ナノ粒子を使用することで、より多くの脂質を吸収し、安定性を保つことができる製剤が可能になるため、乳化剤を追加する必要がなくなる。
超音波処理は、ナノエマルションやナノディスパージョンを製造するための実績のある方法です。高強度の超音波は、液相（分散相）を第二相（連続相）中の小滴に分散させるのに必要なパワーを供給する。分散ゾーンでは、崩壊するキャビテーション気泡が周囲の液体に集中的な衝撃波を引き起こし、その結果、液速度が速い液体ジェットが形成される。新たに形成された分散相の液滴を合体に対して安定化させるために、乳化剤（界面活性物質、界面活性剤）と安定剤がエマルションに添加される。分散後の液滴の合体は最終的な液滴サイズ分布に影響するため、効率的に安定化する乳化剤を使用して、最終的な液滴サイズ分布を超音波分散ゾーンでの液滴分散直後の分布と同じレベルに維持する。

リポソーム分散液

不飽和ホスファチジルクロリンをベースとするリポソーム分散液は、酸化に対する安定性に欠ける。分散液の安定化は、ビタミンCとEの複合体のような抗酸化剤によって達成することができる。
Ortanら(2002)は、Anethum graveolens精油の超音波リポソーム化に関する研究で、良好な結果を得た。超音波処理後、リポソームの寸法は70-150 nmの間、MLVは230-475 nmの間であった。これらの値は2ヶ月後もほぼ一定であったが、12ヶ月後には特にSUV分散において減少した（下記のヒストグラム参照）。精油の損失とサイズ分布に関する安定性測定でも、リポソーム分散液は揮発性油分の含量を維持していることが示された。このことは、精油がリポソームに封入されることで、精油の安定性が高まったことを示唆している。
 

MLVおよびSUV分散液の1年後の安定性。リポソーム製剤は4±1℃で保存した。
(研究およびグラフィック：©Ortan et al：）

 
超音波リポソーム製剤についての詳細はこちらをご覧ください！

医薬品研究・製造用高性能ソニケーター

Hielscher Ultrasonics社は、医薬品の研究・製造に使用される高品質で高性能な超音波処理装置のトップサプライヤーです。50ワットから16,000ワットまでの装置により、あらゆる量とプロセスに適した超音波処理装置を見つけることができます。高性能、高信頼性、堅牢性、容易な操作性により、超音波処理はナノ材料の調製と処理に不可欠な技術です。CIP(定置洗浄)とSIP(定置滅菌)を備えたHielscherの超音波処理装置は、製薬基準に従った安全で効率的な製造を保証します。すべての特定の超音波プロセスは、ラボまたはベンチトップスケールで簡単にテストできます。これらの試験結果は完全に再現性があるため、プロセスの最適化に関して追加的な努力をすることなく、次のスケールアップを直線的に簡単に行うことができます。

ソニケーター設計、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

文献／参考文献