Biologisch afbreekbare nanosferen produceren
Biologisch afbreekbare micro- en nanosferen kunnen geproduceerd worden in een continu, contact- en contaminatievrij proces dat gemakkelijk onder steriele omstandigheden uitgevoerd kan worden.
Inleiding
Biologisch afbreekbare micro- en nanosferen (MS, NS) gemaakt van poly(lactide-coglycolide) (PLGA) of andere materialen zijn zeer krachtige systemen voor het toedienen van geneesmiddelen en antigenen met inherent potentieel voor het richten van geneesmiddelen en antigenen. De huidige methoden om PLGA NS te produceren zijn typische batchprocessen en hebben te lijden onder problemen met opschaling onder steriele omstandigheden. Hier presenteren we een nieuwe en elegante methode om PLGA NS te produceren in een continu, contact- en besmettingsvrij proces dat gemakkelijk onder steriele omstandigheden kan worden gebruikt. Tijdens het hele productieproces is het product alleen in direct contact met steriel glas en Teflon® buisjes. Het proces kan in een gesloten systeem worden uitgevoerd om besmetting van de omgeving te voorkomen.
methoden
PLGA50:50 nanodeeltjes (Resomer® RG503H, Boehringer Ingelheim) werden geproduceerd met behulp van een aangepast oplosmiddelextractie/verdampingsproces [1]. PLGA opgelost in dichloormethaan (2 of 5%) werd gedispergeerd in een waterige 0,5% (g/g) PVA-oplossing door middel van een nieuwe experimentele opstelling met een contactloze doorstroomsysteem. ultrasone cel. De grove O/W-dispersie werd eerst voorgemengd door een magneetroerder en vervolgens gehomogeniseerd in de ultrasone doorstroomcel (de stroomsnelheden van de O- en W-fase waren 1:8). De aanvankelijk gevormde nanodruppeltjes PLGA-oplossing stolden geleidelijk tijdens de passage in de buisjes tot PLGA-nanodeeltjes. Definitieve uitharding van de deeltjes werd bereikt in een groter volume van 0,5% PVA-oplossing.
Fig. 1: Experimentele opstelling voor de productie van PLGA-nanosferen
Fig. 2: Ontwerp van ultrasone doorstroomcel
Resultaten
Nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van 485 nm werden gemakkelijk bereid uit een 2% PLGA oplossing in DCM bij 32 W sonicatievermogen (Tab. 1). De grootteverdeling was monomodaal met een lichte staart (Fig. 3A). De grootte van de nanodeeltjes varieerde van 175 tot 755 nm volgens de percentielen van 10 en 90%. De herhaalbaarheid van het productieproces was consistent goed, zoals blijkt uit de slechts geringe variabiliteit in de gemiddelde deeltjesdiameter. Het verlagen van de emulsie's verblijftijd in het sonische veld van 14 naar 7s had slechts een kleine invloed op de nanodeeltjesgrootte. Een vermindering van het sonicatievermogen van 32 naar 25 W resulteerde echter in een significante toename van de gemiddelde deeltjesgrootte van 485 naar 700 nm, veroorzaakt door een meer uitgesproken staart van de grootteverdelingscurve (Fig. 3A). Een minder prominente, maar significante toename van de gemiddelde deeltjesgrootte van 485 tot 600 nm werd gevonden bij gebruik van een 5% in plaats van een 2% PLGA-oplossing.
Tot slot werd het meer hydrofiele PLGA vervangen door het meer hydrofobe en lager moleculaire gewicht PLA zonder merkbare veranderingen in de gemiddelde deeltjesgrootte en de grootteverdeling. Er werden geen verschillen waargenomen in de morfologie van de verschillende batches deeltjes bereid uit 2% polymeeroplossingen. Ze vertoonden allemaal perfect sferische vormen en gladde oppervlakken (Fig. 3B). De deeltjes gemaakt van de 5% PLGA oplossing waren echter minder bolvormig, vertoonden enigszins rimpelige oppervlakken en fusies van twee of soms meer deeltjes (Fig. 3C).
Tabel 1. Gemiddelde diameter van PLGA50:50 nanosferen bereid onder verschillende omstandigheden. Gemiddelde van twee batches ± absolute afwijking.
Fig. 3: PLGA nanodeeltjes. (A): Grootteverdeling van deeltjes bereid bij polymeerconcentratie / sonicatievermogen van 2% / 32W, 5% / 32W, en 2% / 25W%; verblijftijd = 14 s. (B), (C): SEM-foto's van deeltjes bereid uit 2 en 5% polymeeroplossingen, respectievelijk. Verblijftijd = 14s; sonicatievermogen = 32W. Staven vertegenwoordigen 1 micron.
Discussie en conclusies
De ultrasone doorstroomcel bleek goed geschikt te zijn voor de productie van biologisch afbreekbare polymere nanosferen op basis van emulsie/oplosmiddelextractie/verdamping. Toekomstig onderzoek zal gericht zijn op het opschalen van het proces en het verhogen van het opgenomen vermogen om nog fijnere emulsies te produceren. Daarnaast is de geschiktheid van de cel voor de bereiding van water-in-olie emulsiesbijvoorbeeld voor verdere verwerking tot microsferen gevuld met geneesmiddelen, worden bestudeerd.
Literatuur
Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.:A Fast and Simple Method for Producing Biodegradable Nanospheres, in: European Cells and Materials Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (pagina 28)
Deze informatie werd gepresenteerd op de Swiss Society of Biomaterials
Fig. 2: Design einer Ultraschall-Durchflusszelle
Ergebnisse
Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 485nm konnten vollständig aus einer 2% PLGA-Lösung in DCM bei 32W Beschallungsleistung gewonnen werden (Tab. 1). Die Größenverteilung zeigt sich monomodal mit einem leicht verzögertem Auslaufen der Kurve (Fig. 3A). Entsprechend des Perzentilwertes von 10 und 90% erstreckte sich die Nanopartikelgröße von 175 bis 755nm. Die Wiederholbarkeit des Produktionsprozesses war durchwegs gut, was auf die nur geringe Variabilität des durchschnittlichen Partikeldurchmessers zurückzuführen ist. Eine Verringerung der Beschallungszeit, bei der die emulsie statt 14 nur noch 7 Sekunden dem Ultraschallfeld ausgesetzt wird, hat nur wenig Auswirkung auf die Größe der Nanopartikel. Ein Herabsetzen der Beschallungsleistung von 32 auf 25W bewirkt hingegen einen beträchtlichen Anstieg des durchschnittlichen Partikeldurchmessers von 485 auf 700nm, der durch ein deutlicheres Verschieben der Größenverteilungskurve hervorgerufen wird (Fig. 3A). Ein nicht so markanter, aber trotzdem beachtenswerter Anstieg der durchschnittlichen Partikelgröße von 485 auf 600nm konnte festgestellt werden, wenn anstatt einer 2% eine 5% PLGA-Lösung verwendet wurde. Abschließend wurde das hydrophile PLGA gegen das hydrophobe PLA, welches zudem ein niedrigereres Molekulergewicht aufweist, ausgetauscht, wobei allerdings keine bemerkenswerten Veränderungen bezüglich der durchschnittlichen Partikelgröße und der Größenverteilung beobachtet werden können. In ihrer Morphologie zeigten die verschiedenen Batches, die eine 2% Polymerlösung enthielten, keine Unterschiede. Alle zeigten perfekte Kugelformen und glatte Oberflächen (Fig. 3B). Die Partikel aus einer 5% PLGA-Lösung zeigen hingegen weniger perfekte Kugelformen, wiesen leicht faltige Oberflächen und Fusionen zwei oder mehrerer Partikel auf (Fig. 3C).
Tabel 1. Durchschnittlicher Durchmesse von PLGA50:50 Nanosphären, unter variierenden Bedingungen aufbereitet. Durchschnitt zweier Batches ± der absoluten Abweichung.
Fig. 3: PLGA Nanopartikel. (A): Größenverteilung bei Partikeln, die bei einer Polymerkonzentration/Beschallungsintensität von 2%/ 32W, 5%/ 32W und 2%/ 25W%; Verweilzeit = 14 s. (B),(C): SEM Bilder der Partikel, die aus 2% bzw. 5% Polymerlösungen vorbereitet wurden. Verweilzeit = 14s; Beschallungsintensität = 32W. Die Balken zeigen jeweils den Maßstab von 1 Mikrometer an.
Diskussion und Schlussfolgerung
die Ultraschall-Durchflusszelle wurde speziell für die Emulsion-Lösungsmittel-Extraktion / Evaporation basierte Herstellung von biologisch abbaubaren Polymer-Nanosphären entworfen. Die zukünftige Forschung auf diesem Gebiet wird auf ein Scale-up des Prozesses ausgerichtet sein, ebenso wie auf eine Steigerung des Leistungseintrages, um noch feinere Emulsionen zu erhalten. Zudem wird Zelle auf ihre Tauglichkeit bei der Herstellung von Wasser-in-Öl-Emulsionen Untersucht, Z. B. für die weiteren Entwicklungen von mit Wirkstoff angereicherten Mikrosphären (z.B für Depotarzneimittel).
Geletterd
Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.:A Fast and Simple Method for Producing Biodegradable Nanospheres, in: European Cells and Materials Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (pagina 28)
Dieser Artikel wurde von der Swiss Society of Biomaterials veröffentlich.