Ultrasonic Treatment of Nanoparticles for Pharmaceuticals

프로브 형 초음파 발생기는 입자 크기 감소, 세포 파괴 및 균질화를 달성하는 강력하고 제어 된 수단을 제공함으로써 제약 연구 및 제조에서 중요한 역할을합니다. 초음파 발생기는 초음파를 사용하여 캐비테이션을 생성하여 미세한 기포의 형성 및 붕괴를 초래합니다. 이 현상은 강한 전단력과 충격파를 발생시켜 입자를 효과적으로 분해하거나 세포를 파괴합니다.

다음은 제약 응용 분야에서 프로브 유형 초음파 발생기 사용의 몇 가지 주요 측면입니다.

• 입자 크기 감소: 프로브 초음파 발생기는 활성 제약 성분 (API) 또는 기타 화합물의 입자 크기를 줄이기 위해 사용됩니다. 작고 균일한 크기의 입자는 생체 이용률, 용해 속도 및 제약 제형의 전반적인 효능을 향상시키는 데 매우 중요합니다.
• 세포 파괴: 바이오 제약 연구에서 프로브 초음파 발생기는 세포 내 구성 요소를 방출하기 위해 세포 파괴에 사용됩니다. 이는 미생물 세포 또는 배양된 포유류 세포에서 단백질, 효소 및 기타 생체 분자를 추출하는 데 특히 중요합니다.
• 균질: 의약품 제형의 균질화는 성분의 균일한 분포를 보장하는 데 필수적입니다. 프로브 초음파 발생기는 응집체를 분해하고 구성 요소를 고르게 분산시켜 균질성을 달성하는 데 도움이 됩니다.
• 나노 에멀젼 및 리포솜 형성 : 초음파 처리는 제약 제형에서 안정적인 나노 에멀젼 및 리포좀을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 나노 스케일 전달 시스템은 용해도와 생체 이용률을 향상시키기 위해 약물 전달에 사용됩니다.
• 품질 관리 및 공정 최적화: 초음파 처리는 의약품 제조의 품질 관리를위한 귀중한 도구입니다. 이는 일관된 입자 크기 분포와 균질성을 보장하여 공정을 최적화하는 데 도움이 되며, 배치 간 재현성에 기여합니다.
• 약물 제형 및 개발: 약물 제형 및 개발 과정에서 프로브 초음파 발생기는 안정적인 현탁액, 에멀젼 또는 분산액을 준비하는 데 사용됩니다. 이는 원하는 물리적, 화학적 특성을 가진 의약품을 설계하는 데 매우 중요합니다.

제약의 나노 물질

초음파 기술은 제약 연구 및 제조에서 나노 물질의 준비, 가공 및 기능화에 중추적인 역할을 합니다. 음향 캐비테이션을 포함한 고출력 초음파의 강렬한 효과는 응집체를 파괴하고, 입자를 분산시키고, 나노 방울을 유화하는 데 기여합니다. Hielscher 고성능 초음파 발생기는 제약 표준에 대한 신뢰할 수 있고 효율적인 솔루션을 제공하여 안전한 생산을 보장하고 추가 최적화 노력없이 스케일 업을 용이하게합니다.

나노물질 가공

나노 물질, 특히 나노 입자는 의약품에서 약물 전달에 혁명을 일으켜 활성 물질을 경구 또는 주사를 통해 투여하는 입증된 방법을 제공합니다. 이 기술은 약물 투여 및 전달의 효율성을 향상시켜 의학적 치료의 새로운 길을 열어줍니다. 약물, 열 또는 기타 활성 물질을 특정 세포, 특히 병든 세포에 직접 전달할 수 있는 능력은 상당한 발전을 나타냅니다.

암 치료에서 나노 제형 약물은 나노 크기의 입자의 이점을 활용하여 종양 세포에 직접 높은 용량의 약물을 전달하여 치료 효과를 극대화하면서 다른 장기에 대한 부작용을 최소화하는 유망한 결과를 보여주었습니다. 나노 크기의 입자는 이러한 입자가 세포벽과 막을 통과하여 표적 세포에 활성 물질을 정확하게 방출할 수 있습니다.

크기가 100nm 미만인 입자로 정의되는 나노 물질을 처리하는 것은 더 많은 노력을 요구하는 과제를 제시합니다. 초음파 캐비테이션은 나노 물질을 응집시키고 분산시키기 위한 잘 정립된 기술로 부상하고 있습니다. 탄소 나노튜브(CNT), 특히 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 및 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)는 약물 분자를 캡슐화하기 위한 큰 내부 부피와 기능화를 위한 뚜렷한 표면을 제공하는 고유한 특성을 보여줍니다.
 

페로센-크실렌 혼합물 용액에서 SWCNTs. 실리카 분말의 Sonochemical 생산은 실온 및 주변 압력 하에서 20 분 동안 초음파 처리되었습니다. 초음파 처리는 실리카 분말의 표면에 고순도 SWCNTS를 생성합니다. (Jeong et al., 2004)

기능성 탄소나노튜브(f-CNT)는 용해도를 높이고 효율적인 종양 표적화를 가능하게 하며 세포 독성을 피하는 데 중요한 역할을 합니다. 초음파 기술은 고순도 SWCNT에 대한 초음파 화학적 방법과 같은 생산 및 기능화를 촉진합니다. 또한 f-CNT는 백신 전달 시스템 역할을 할 수 있으며, 항원을 탄소 나노튜브에 연결하여 특정 항체 반응을 유도할 수 있습니다.
실리카, 티타니아 또는 알루미나에서 파생된 세라믹 나노입자는 다공성 표면을 존재하므로 이상적인 약물 운반체입니다. 초음파 화학을 활용한 나노 입자의 초음파 합성 및 침전은 나노 크기 화합물을 준비하기 위한 상향식 접근 방식을 제공합니다. 이 공정은 물질 전달을 향상시켜 입자 크기를 줄이고 균일성을 높입니다

초음파 합성 및 나노 입자의 침전

초음파는 나노 입자를 기능화하는 데 중요한 역할을합니다. 이 기술은 입자 주위의 경계층을 효율적으로 분해하여 새로운 작용기가 입자 표면에 도달할 수 있도록 합니다. 예를 들어, PL-PEG 단편을 사용한 SWCNT(Single-Walled Carbon Nanotubes)의 초음파 기능화는 비특이적 세포 흡수를 방해하면서 표적 응용 분야에 대한 특정 세포 흡수를 촉진합니다.

특정 특성과 기능을 가진 나노 입자를 얻으려면 입자의 표면을 수정해야 합니다. 고분자 나노 입자, 리포좀, 덴드리머, 탄소 나노 튜브, 양자 점 등과 같은 다양한 나노 시스템은 제약학에서 효율적으로 사용하기 위해 성공적으로 기능화 될 수 있습니다.

초음파 입자 Fuctionalization의 실제적인 보기:

PL-PEG에 의한 SWCNT의 초음파 기능화 : Zeineldin et al. (2009)는 인지질 - 폴리에틸렌 글리콜 (PL-PEG)을 사용한 초음파에 의한 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWNT)의 분산이 그것을 단편화하여 세포의 비 특이적 흡수를 차단하는 능력을 방해한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 단편화되지 않은 PL-PEG는 암세포에 의해 발현되는 두 가지 별개의 수용체에 대한 표적 SWNT의 특정 세포 흡수를 촉진합니다. PL-PEG의 존재 하에서 초음파 처리는 탄소 나노튜브를 분산시키거나 기능화하는 데 사용되는 일반적인 방법이며, PEG의 무결성은 리간드 기능성 나노튜브의 특정 세포 흡수를 촉진하는 데 중요합니다. 단편화는 SWNT를 분산시키는 데 일반적으로 사용되는 기술 인 초음파의 결과일 가능성이 높기 때문에 약물 전달과 같은 특정 응용 분야에 대한 우려 일 수 있습니다.
 

PL-PEG를 사용한 SWCNT의 초음파 분산(Zeineldin et al., 2009)

초음파 리포솜 형성

초음파의 또 다른 성공적인 응용 분야는 리포솜과 나노 리포솜의 준비입니다. 리포솜 기반 약물 및 유전자 전달 시스템은 다양한 치료법뿐만 아니라 화장품 및 영양 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 리포좀은 수용성 활성제를 리포솜 수성 중심 또는 지용성인 경우 지질층에 배치할 수 있기 때문에 우수한 운반체입니다. 리포좀은 초음파를 사용하여 형성할 수 있습니다. 리포좀 제조를 위한 기본 물질은 생물학적 막 지질에서 유래하거나 이를 기반으로 하는 양파일 분자입니다. 작은 단층 소포 (SUV)의 형성을 위해, 지질 분산은 부드럽게 초음파 처리됩니다 – 예를 들어 휴대용 초음파 발생기 UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter 또는 초음파 컵 혼 . 이러한 초음파 치료의 지속 시간은 약 5 – 15 분 동안 지속됩니다. 작은 단층 소포를 생산하는 또 다른 방법은 다중 층판 소포 리포좀의 초음파 처리입니다.
Dinu-Pirvu et al. (2010)은 실온에서 MLV를 초음파 처리하여 트랜스퍼솜을 얻는다고보고합니다.
Hielscher 초음파는 모든 종류의 프로세스 요구 사항을 충족시키기 위해 다양한 초음파 장치, 소노트로드 및 액세서리를 제공합니다.
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에이전트를 리포좀으로 초음파 캡슐화(Ultrasonic Encapsulation of Agent into Liposomes)

리포좀은 활성 물질의 운반체로 작용합니다. 초음파는 활성 물질의 포착을 위해 리포좀을 준비하고 형성하는 효과적인 도구입니다. 캡슐화 전에 리포좀은 인지질 극성 헤드의 표면 전하-전하 상호 작용으로 인해 클러스터를 형성하는 경향이 있으며(Míckova et al. 2008), 또한 리포좀을 열어야 합니다. 예를 들어, Zhu et al. (2003)은 초음파에 의한 리포솜의 비오틴 분말 캡슐화를 설명합니다. 비오틴 분말을 소포 현탁액에 첨가함에 따라 용액을 약 1시간 동안 초음파 처리하였다. 이 처리 후, 비오틴은 리포좀에 갇혔습니다.

리포솜 에멀젼

보습 또는 노화 방지 크림, 로션, 젤 및 기타 코스메슈티컬 제형의 영양 공급 효과를 향상시키기 위해 리포솜 분산액에 유화제를 첨가하여 더 많은 양의 지질을 안정화합니다. 그러나 조사에 따르면 리포좀의 능력은 일반적으로 제한되어 있습니다. 유화제를 첨가하면 이 효과가 더 일찍 나타나고 추가 유화제는 포스파티딜콜린의 장벽 친화도를 약화시킵니다. 나노 입자 – 포스파티딜콜린과 지질로 구성된 것이 이 문제에 대한 답입니다. 이 나노 입자는 포스파티딜콜린의 단층으로 덮인 기름 방울에 의해 형성됩니다. 나노 입자를 사용하면 더 많은 지질을 흡수하고 안정적으로 유지할 수 있는 제형을 만들 수 있으므로 추가 유화제가 필요하지 않습니다.
초음파는 나노 에멀젼 및 나노 분산액 생산을위한 입증 된 방법입니다. 고도로 집약적인 초음파는 두 번째 단계 (연속상)에서 작은 방울로 액상 (분산상)을 분산시키는 데 필요한 전력을 공급합니다. 분산 영역에서 내파하는 캐비테이션 기포는 주변 액체에 집중적인 충격파를 일으키고 높은 액체 속도의 액체 제트를 형성합니다. 유착에 대해 분산상의 새로 형성된 액적을 안정화하기 위해 유화제(계면 활성 물질, 계면활성제) 및 안정제가 에멀젼에 첨가됩니다. 파쇄 후 액적의 유착이 최종 액적 크기 분포에 영향을 미치기 때문에 초음파 분산 영역에서 액적 붕괴 직후의 분포와 동일한 수준으로 최종 액적 크기 분포를 유지하기 위해 효율적인 안정화 유화제가 사용됩니다.

리포솜 분산

불포화 포스파티딜염소를 기반으로 하는 리포솜 분산액은 산화에 대한 안정성이 부족합니다. 분산의 안정화는 비타민 C와 E의 복합체와 같은 항산화제에 의해 달성 될 수 있습니다.
Ortan et al. (2002)는 리포솜에서 Anethum graveolens 에센셜 오일의 초음파 제조에 관한 연구에서 좋은 결과를 얻었습니다. 초음파 처리 후, 리포좀의 치수는 70-150 nm 사이이고 MLV의 경우 230-475 nm 사이였습니다. 이 가치는 2 달 후에 또한 대략 일정했다, 그러나 SUV 분산에서 12 달 후에, 특히 중단되지 않았다 (아래 히스토그램 참조). 에센셜 오일 손실 및 크기 분포에 관한 안정성 측정은 또한 리포솜 분산이 휘발성 오일의 함량을 유지하는 것으로 나타났습니다. 이것은 리포좀에 에센셜 오일이 포집되어 오일 안정성이 증가했음을 시사합니다.
 

1년 후 MLV 및 SUV 분산의 안정성. 리포솜 제형은 4±1ºC에서 보관하였다.
(연구 및 그래픽: ©Ortan et al., 2009):

 
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제약 연구 및 제조를 위한 고성능 초음파 발생기

Hielscher 초음파는 의약품 연구 및 제조를위한 고품질의 고성능 초음파 발생기의 최고 공급 업체입니다. 50 와트에서 최대 16,000 와트 범위의 장치를 사용하면 모든 볼륨과 모든 프로세스에 적합한 초음파 프로세서를 찾을 수 있습니다. 그들의 고성능, 신뢰성, 강건성 및 쉬운 가동에 의해, 초음파 처리는 nanomaterials의 준비 그리고 가공을 위한 근본적인 기술입니다. CIP (clean-in-place) 및 SIP (sterilize-in-place)가 장착 된 Hielscher 초음파 발생기는 제약 표준에 따라 안전하고 효율적인 생산을 보장합니다. 모든 특정 초음파 공정은 실험실 또는 벤치 탑 스케일에서 쉽게 테스트 할 수 있습니다. 이러한 시험의 결과는 완전히 재현 가능하므로 다음과 같은 확장은 선형적으로 이루어지며 프로세스 최적화에 대한 추가 노력 없이 쉽게 수행할 수 있습니다.

Hielscher Sonicators : 설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.

Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.

문헌/참고문헌