Nanodaļiņu apstrāde ar ultraskaņu farmācijas vajadzībām

Zondes tipa sonikatoriem ir izšķiroša nozīme farmaceitiskajā pētniecībā un ražošanā, jo tie nodrošina jaudīgu un kontrolējamu veidu, kā samazināt daļiņu izmēru, sagraut šūnas un veikt homogenizāciju. Sonikatori izmanto ultraskaņas viļņus, lai radītu kavitāciju, kuras rezultātā veidojas un sabrūk mikroskopiski burbulīši. Šī parādība rada intensīvus bīdes spēkus un triecienviļņus, efektīvi sadalot daļiņas vai sagraujot šūnas.

Tālāk minēti daži galvenie zondes tipa sonikatoru izmantošanas aspekti farmācijā:

• Daļiņu izmēra samazināšana: Zondes tipa sonikatorus izmanto, lai samazinātu aktīvo farmaceitisko vielu (API) vai citu savienojumu daļiņu izmēru. Mazs un vienmērīgs daļiņu izmērs ir būtisks, lai uzlabotu farmaceitisko preparātu biopieejamību, šķīšanas ātrumu un kopējo efektivitāti.
• Šūnu sagraušana: Biofarmaceitiskajā pētniecībā zondes tipa sonikatorus izmanto šūnu sagraušanai, lai atbrīvotu intracelulāros komponentus. Tas ir īpaši svarīgi olbaltumvielu, enzīmu un citu biomolekulu iegūšanai no mikroorganismu šūnām vai kultivētām zīdītāju šūnām.
• Homogenizācija: Farmaceitisko preparātu homogenizācija ir būtiska, lai nodrošinātu vienmērīgu sastāvdaļu sadalījumu. Zondes tipa sonikatori palīdz panākt viendabīgumu, sadalot aglomerātus un vienmērīgi disperģējot komponentus.
• Nanoemulsiju un liposomu veidošana: Apstrādi ar ultraskaņu izmanto, lai farmaceitiskajos preparātos veidotu stabilas nanoemulsijas un liposomas. Šīs nanomēroga piegādes sistēmas izmanto zāļu piegādei, lai uzlabotu šķīdību un biopieejamību.
• Kvalitātes kontrole un procesu optimizācija: Apstrāde ar ultraskaņu ir vērtīgs līdzeklis kvalitātes kontrolei farmaceitiskajā ražošanā. Tā palīdz optimizēt procesus, nodrošinot nemainīgu daļiņu izmēru sadalījumu un viendabīgumu un tādējādi veicinot rezultātu reproducējamību dažādās ražošanas partijās.
• Zāļu sastāva veidošana un izstrāde: Zāļu sastāva veidošanas un izstrādes laikā zondes tipa sonikatorus izmanto stabilu suspensiju, emulsiju vai dispersiju sagatavošanai. Tas ir kritiski svarīgi, lai izstrādātu farmaceitiskos produktus ar vēlamajām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām.

Nanomateriāli farmācijā

Ultraskaņas tehnoloģijām ir izšķiroša nozīme nanomateriālu sagatavošanā, apstrādē un funkcionalizācijā farmaceitiskajā pētniecībā un ražošanā. Lielas jaudas ultraskaņas intensīvā iedarbība, tostarp akustiskā kavitācija, veicina aglomerātu sadalīšanu, daļiņu disperģēšanu un nanopilienu emulģēšanu. Hielscher augstas veiktspējas sonikatori nodrošina uzticamu un efektīvu risinājumu farmācijas standartu ievērošanai, garantējot drošu ražošanu un atvieglojot mēroga palielināšanu bez papildu optimizācijas darba.

Nanomateriālu apstrāde

Nanomateriāli, jo īpaši nanodaļiņas, ir radikāli mainījuši zāļu piegādi farmācijā, piedāvājot pārbaudītu metodi aktīvo vielu ievadīšanai iekšķīgi vai injekcijas veidā. Šī tehnoloģija uzlabo zāļu dozēšanas un piegādes efektivitāti, paverot jaunas iespējas ārstēšanā. Iespēja piegādāt zāles, siltumu vai citas aktīvās vielas tieši konkrētām šūnām, jo īpaši slimības skartām šūnām, ir nozīmīgs sasniegums.

Vēža terapijā nanoformulētas zāles ir uzrādījušas daudzsološus rezultātus, izmantojot nanometru izmēra daļiņu priekšrocības, lai piegādātu lielas zāļu devas tieši audzēja šūnām, maksimāli palielinot terapeitisko iedarbību un vienlaikus līdz minimumam samazinot blakusparādības citos orgānos. Nanometru izmērs ļauj šīm daļiņām izkļūt cauri šūnu sieniņām un membrānām, atbrīvojot aktīvās vielas precīzi pie mērķa šūnām.

Nanomateriālu, kas definēti kā daļiņas ar izmēriem, kuri ir mazāki par 100nm, apstrāde rada grūtības, kuru pārvarēšanai nepieciešamas lielākas pūles. Ultraskaņas kavitācija ir plaši atzīta tehnoloģija nanomateriālu deaglomerēšanai un disperģēšanai. Oglekļa nanocaurulītēm (CNTs), īpaši daudzsieniņu oglekļa nanocaurulītēm (MWCNTs) un viensieniņas oglekļa nanocaurulītēm (SWCNTs), piemīt unikālas īpašības – liels iekšējais tilpums zāļu molekulu iekapsulēšanai un atšķirīgas virsmas funkcionalizēšanai.
 

SWCNTs sonoķīmiskā iegūšana. Silīcija dioksīda pulveris ferocēna un ksilola maisījuma šķīdumā tika apstrādāts ar ultraskaņu 20 min. istabas temperatūrā un apkārtējās vides spiedienā. Apstrādājot ar ultraskaņu, uz silīcija dioksīda pulvera virsmas veidojas augstas tīrības pakāpes SWCNTS. (Jeong et al. 2004)

Funkcionalizētām oglekļa nanocaurulītēm (f-CNTs) ir izšķiroša nozīme šķīdības uzlabošanā, efektīvā mērķētā piegādē audzējiem un izvairīšanās no citotoksicitātes nodrošināšanā. Ultraskaņas metodes atvieglo to iegūšanu un funkcionalizēšanu, piemēram, izmantojot sonoķīmisko metodi augstas tīrības pakāpes SWCNTs iegūšanai. Turklāt f-CNTs var kalpot par vakcīnu piegādes sistēmām, piesaistot antigēnus oglekļa nanocaurulītēm, lai izraisītu specifisku antivielu atbildes reakciju.
Keramiskajām nanodaļiņām, kas iegūtas no silīcija dioksīda, titāna dioksīda vai alumīnija oksīda, ir porainas virsmas, tādēļ tās ir ideāli zāļu nesēji. Nanodaļiņu sintēze un izgulsnēšana ar ultraskaņu, izmantojot sonoķīmiju, nodrošina augšupejošu pieeju nanometru izmēra savienojumu iegūšanai. Šis process uzlabo masas pārnesi, tādējādi iegūstot mazākas un vienmērīgākas daļiņas

Nanodaļiņu sintēze un izgulsnēšana ar ultraskaņu

Apstrādei ar ultraskaņu ir būtiska nozīme nanodaļiņu funkcionalizēšanā. Šī metode efektīvi izjauc robežslāņus ap daļiņām, ļaujot jaunām funkcionālajām grupām sasniegt daļiņu virsmu. Piemēram, viensieniņas oglekļa nanocaurulīšu (SWCNTs) funkcionalizēšana ar PL-PEG fragmentiem, izmantojot ultraskaņu, kavē nespecifisku uzņemšanu šūnās, vienlaikus veicinot specifisku uzņemšanu šūnās mērķētiem lietojumiem.

Lai iegūtu nanodaļiņas ar konkrētām īpašībām un funkcijām, ir jāmodificē daļiņu virsma. Dažādas nanosistēmas, piemēram, polimēru nanodaļiņas, liposomas, dendrimērus, oglekļa nanocaurulītes, kvantu punktus u. c., var sekmīgi funkcionalizēt efektīvai izmantošanai farmācijā.

Praktisks piemērs daļiņu funkcionalizēšanai ar ultraskaņu:

SWCNT funkcionalizēšana ar PL-PEG, izmantojot ultraskaņu: Zeineldin et al. (2009) parādīja, ka viensieniņu oglekļa nanocaurulīšu (SWNT) disperģēšana ar ultraskaņu fosfolipīda–polietilēnglikola (PL-PEG) klātbūtnē fragmentē PL-PEG, tādējādi traucējot tā spēju bloķēt nespecifisku uzņemšanu šūnās. Tomēr nefragmentēts PL-PEG veicina mērķētu SWNT specifisku uzņemšanu šūnās, saistoties ar divām atšķirīgām receptoru klasēm, ko ekspresē vēža šūnas. Apstrāde ar ultraskaņu PL-PEG klātbūtnē ir izplatīta metode oglekļa nanocaurulīšu disperģēšanai vai funkcionalizēšanai, un PEG integritāte ir svarīga, lai veicinātu ar ligandiem funkcionalizētu nanocaurulīšu specifisku uzņemšanu šūnās. Tā kā fragmentācija ir iespējamas sekas apstrādei ar ultraskaņu – metodei, ko plaši izmanto SWNT disperģēšanai –, tā var radīt bažas noteiktos lietojumos, piemēram, zāļu piegādē.
 

SWCNT disperģēšana ar ultraskaņu PL-PEG klātbūtnē (Zeineldin et al., 2009)

Liposomu veidošana ar ultraskaņu

Vēl viens veiksmīgs ultraskaņas lietojums ir liposomu un nanoliposomu sagatavošana. Uz liposomām balstītām zāļu un gēnu piegādes sistēmām ir nozīmīga loma daudzveidīgās terapijās, kā arī kosmētikā un uzturā. Liposomas ir labi nesēji, jo ūdenī šķīstošas aktīvās vielas var ievietot liposomu ūdens kodolā, bet taukos šķīstošas aktīvās vielas – lipīdu slānī. Liposomas var veidot, izmantojot ultraskaņu. Liposomu sagatavošanas pamatmateriāls ir amfifīlas molekulas, kas iegūtas no bioloģisko membrānu lipīdiem vai veidotas uz to pamata. Lai veidotu mazas vienlamelāras vezikulas (SUV), lipīdu dispersiju saudzīgi apstrādā ar ultraskaņu – piemēram, ar rokā turamo ultraskaņas ierīci UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter vai ultraskaņas kausveida sonotrodi. Šāda apstrāde ar ultraskaņu ilgst aptuveni 5 – 15 minūtes. Vēl viena metode mazu vienlamelāru vezikulu iegūšanai ir daudzlamelāru vezikulu liposomu apstrāde ar ultraskaņu.
Dinu-Pirvu et al. (2010) ziņo par transferosomu iegūšanu, apstrādājot MLV ar ultraskaņu istabas temperatūrā.
Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādas ultraskaņas ierīces, sonotrodes un piederumus, lai apmierinātu visu veidu procesu prasības.
Lasiet vairāk par ar ultraskaņu iegūtu un iekapsulētu Aloe vera ekstraktu!

Aktīvo vielu iekapsulēšana liposomās ar ultraskaņu

Liposomas darbojas kā aktīvo vielu nesēji. Ultraskaņa ir efektīvs līdzeklis liposomu sagatavošanai un veidošanai aktīvo vielu ieslēgšanai. Pirms iekapsulēšanas liposomām ir tendence veidot kopas fosfolipīdu polāro galviņu virsmas lādiņu savstarpējās mijiedarbības dēļ (Míckova et al. 2008), turklāt tās ir jāatver. Piemēram, Zhu et al. (2003) apraksta biotīna pulvera iekapsulēšanu liposomās, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu. Pēc biotīna pulvera pievienošanas vezikulu suspensijas šķīdumam šķīdumu apstrādāja ar ultraskaņu aptuveni 1 stundu. Pēc šīs apstrādes biotīns bija ieslēgts liposomās.

Liposomālās emulsijas

Lai pastiprinātu mitrinošu vai pretnovecošanās krēmu, losjonu, gelu un citu kosmeceitisko preparātu kopjošo iedarbību, liposomu dispersijām pievieno emulgatorus, lai stabilizētu lielāku lipīdu daudzumu. Tomēr pētījumi ir parādījuši, ka liposomu kapacitāte parasti ir ierobežota. Pievienojot emulgatorus, šī ietekme izpaudīsies agrāk, un papildu emulgatori vājina fosfatidilholīna afinitāti pret barjeru. Nanodaļiņas – kas sastāv no fosfatidilholīna un lipīdiem – ir šīs problēmas risinājums. Šīs nanodaļiņas veido eļļas piliens, ko pārklāj fosfatidilholīna monoslānis. Nanodaļiņu izmantošana ļauj izveidot preparātus, kas spēj uzņemt vairāk lipīdu un saglabāt stabilitāti, tādēļ papildu emulgatori nav nepieciešami.
Apstrāde ar ultraskaņu ir pārbaudīta metode nanoemulsiju un nanodispersiju ražošanai. Augstas intensitātes ultraskaņa nodrošina jaudu, kas nepieciešama šķidrās fāzes (dispersās fāzes) disperģēšanai sīkos pilienos otrā fāzē (nepārtrauktajā fāzē). Disperģēšanas zonā sabrūkošie kavitācijas burbuļi apkārtējā šķidrumā rada intensīvus triecienviļņus un izraisa šķidruma strūklu veidošanos ar lielu plūsmas ātrumu. Lai stabilizētu jaunizveidotos dispersās fāzes pilienus pret koalescenci, emulsijai pievieno emulgatorus (virsmaktīvās vielas, surfaktantus) un stabilizatorus. Tā kā pilienu koalescence pēc to sašķelšanas ietekmē galīgo pilienu izmēru sadalījumu, izmanto efektīvi stabilizējošus emulgatorus, lai saglabātu galīgo pilienu izmēru sadalījumu tādu pašu kā uzreiz pēc pilienu sašķelšanas ultraskaņas disperģēšanas zonā.

Liposomu dispersijas

Liposomu dispersijām, kuru pamatā ir nepiesātināts fosfatidilhlorīns, trūkst stabilitātes pret oksidēšanos. Dispersiju var stabilizēt ar antioksidantiem, piemēram, ar C un E vitamīnu kompleksu.
Ortan et al. (2002) savā pētījumā par Anethum graveolens ēteriskās eļļas preparātu iegūšanu liposomās ar ultraskaņu sasniedza labus rezultātus. Pēc apstrādes ar ultraskaņu liposomu izmēri bija 70–150 nm robežās, bet MLV izmēri – 230–475 nm robežās; šīs vērtības saglabājās aptuveni nemainīgas arī pēc 2 mēnešiem, bet pēc 12 mēnešiem palielinājās, īpaši SUV dispersijā (skatīt histogrammas zemāk). Stabilitātes mērījumi attiecībā uz ēteriskās eļļas zudumu un izmēru sadalījumu arī parādīja, ka liposomu dispersijas saglabāja gaistošās eļļas saturu. Tas liecina, ka ēteriskās eļļas iekļaušana liposomās palielināja eļļas stabilitāti.
 

MLV un SUV dispersiju stabilitāte pēc 1 gada. Liposomu preparāti tika uzglabāti 4±1 ºC temperatūrā.
(Pētījums un grafiks: ©Ortan et al., 2009):

 
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par liposomu iegūšanu ar ultraskaņu!

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces farmaceitiskajai pētniecībai un ražošanai

Hielscher Ultrasonics ir jūsu vadošais augstas kvalitātes un augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīču piegādātājs farmaceitisko preparātu pētniecībai un ražošanai. Ierīces ar jaudu no 50 vatiem līdz pat 16 000 vatiem ļauj atrast piemērotu ultraskaņas procesoru jebkuram tilpumam un jebkuram procesam. Augstā veiktspēja, uzticamība, izturība un vienkāršā lietošana padara apstrādi ar ultraskaņu par būtisku metodi nanomateriālu sagatavošanai un apstrādei. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces, kas aprīkotas ar CIP (tīrīšanu uz vietas) un SIP (sterilizēšanu uz vietas), garantē drošu un efektīvu ražošanu atbilstoši farmācijas standartiem. Visus konkrētos ultraskaņas procesus var viegli pārbaudīt laboratorijas mērogā vai ar galda iekārtām. Šo izmēģinājumu rezultāti ir pilnībā reproducējami, tāpēc turpmākā mēroga palielināšana ir lineāra un viegli īstenojama bez papildu pūlēm procesa optimizācijā.

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces: projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir plaši pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkāršā lietošana ļauj mūsu ultraskaņas apstrādes ierīces viegli integrēt rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīcēm ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Tālāk sniegtā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Literatūra/atsauces

• 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.

 

Ultraskaņa ir inovatīva tehnoloģija, ko veiksmīgi izmanto daļiņu sonoķīmiskai sintēzei, deaglomerācijai, disperģēšanai, emulģēšanai, funkcionalizēšanai un aktivēšanai. Īpaši nanotehnoloģijā apstrāde ar ultraskaņu ir būtiska metode nanoizmēra materiālu sintēzei un apstrādei. Tā kā nanotehnoloģija ir izraisījusi tik ievērojamu zinātnisku interesi, nanoizmēra daļiņas tiek izmantotas ārkārtīgi daudzās zinātnes un rūpniecības jomās. Arī farmācijas nozare ir atklājusi šī daudzpusīgā un mainīgā materiāla lielo potenciālu. Tādēļ nanodaļiņas farmācijas nozarē izmanto dažādiem funkcionāliem lietojumiem, tostarp:

• zāļu piegāde (nesējs)
• diagnostikas produkti
• produktu iepakojums
• biomarķieru atklāšana