Ultradźwiękowe sporządzanie nanostrukturalnych lipidowych nośników leków

Nanostrukturalne nośniki lipidowe (NLCs) to zaawansowana forma systemów dostarczania leków o rozmiarach nanometrycznych, posiadających lipidowy rdzeń i rozpuszczalną w wodzie otoczkę. NLCs charakteryzują się wysoką stabilnością, chronią aktywne biomolekuły przed degradacją i zapewniają przedłużone uwalnianie leku. Sonikacja jest niezawodną, wydajną i prostą techniką wytwarzania nanostrukturalnych nośników lipidowych zawierających substancje czynne.

Ultradźwiękowe przygotowywanie nanostrukturalnych nośników lipidowych

Nanostrukturalne nośniki lipidowe (NLCs) zawierają lipid stały, lipid ciekły i surfaktant w środowisku wodnym, co zapewnia im korzystne właściwości pod względem rozpuszczalności i biodostępności. NLCs są szeroko stosowane do sporządzania stabilnych systemów nośników leków o wysokiej biodostępności i przedłużonym uwalnianiu leku. NLCs mają szeroki zakres zastosowań, od podawania doustnego po pozajelitowe, w tym podawanie miejscowe/przezskórne, okulistyczne (do oka) i płucne.
Dyspergowanie i emulgowanie ultradźwiękowe to niezawodna i wydajna technika przygotowywania nanostrukturalnych nośników lipidowych zawierających związki aktywne. Główną zaletą ultradźwiękowego przygotowywania NLCs jest brak konieczności stosowania rozpuszczalnika organicznego, dużych ilości surfaktantu lub związków dodatkowych. Ultradźwiękowe sporządzanie NLCs jest stosunkowo prostą metodą, ponieważ topiący się lipid dodaje się do roztworu surfaktantu, a następnie poddaje sonikacji.

Przykładowe protokoły ultradźwiękowego wprowadzania substancji do nanostrukturalnych nośników lipidowych

NLCs zawierające deksametazon uzyskane metodą sonikacji
Nietoksyczny system NLC o potencjalnym zastosowaniu okulistycznym przygotowano za pomocą sonikacji, uzyskując wąski rozkład wielkości, wysoką wydajność zamykania deksametazonu w nośniku i lepszą penetrację. Systemy NLC przygotowano ultradźwiękowo przy użyciu sonikatora Hielscher UP200S oraz składników Compritol 888 ATO, Miglyol 812N i Cremophor RH60.
Lipid stały, lipid ciekły i surfaktant stopiono za pomocą mieszadła magnetycznego z ogrzewaniem w temperaturze 85ºC. Następnie do stopionej mieszaniny lipidów dodano deksametazon i go zdyspergowano. Czystą wodę podgrzano do temperatury 85ºC, a obie fazy poddano sonikacji (przy amplitudzie 70% przez 10 min) za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego Hielscher UP200S . System NLC schłodzono w łaźni lodowej.
NLCs przygotowane ultradźwiękowo wykazują wąski rozkład wielkości, wysoką wydajność zamykania DXM w nośniku i lepszą penetrację.
Badacze zalecają stosowanie niskiego stężenia surfaktantu i niskiego stężenia lipidów (np. 2,5% surfaktantu i 10% lipidów ogółem), ponieważ wtedy krytyczne parametry stabilności (Z_ave, ZP, PDI) i zdolność do załadunku leku (EE%) są odpowiednie, a stężenie emulgatora może pozostawać na niskim poziomie.
(por. Kiss et al. 2019)

NLCs zawierające palmitynian retinylu uzyskane metodą sonikacji
Retinoid jest składnikiem szeroko stosowanym w dermatologicznym leczeniu zmarszczek. Retinol i palmitynian retinylu to dwa związki z grupy retinoidów, które mają zdolność zwiększania grubości naskórka i są skuteczne jako substancje przeciwzmarszczkowe.
Formulację NLC przygotowano metodą sonikacji. Formulacja zawierała 7,2% palmitynianu cetylu, 4,8% kwasu oleinowego, 10% Tween 80, 10% gliceryny i 2% palmitynianu retinylu. Aby wytworzyć NLCs zawierające palmitynian retinylu, wykonano następujące czynności: mieszaninę stopionych lipidów miesza się z surfaktantem, kosurfaktantem, gliceryną i wodą dejonizowaną w temperaturze 60–70°C. Mieszaninę tę miesza się mieszadłem o wysokiej intensywności ścinania przy 9800rpm przez 5 min. Po utworzeniu emulsji wstępnej natychmiast poddaje się ją sonikacji za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego z sondą przez 2 min. Następnie uzyskane NLC przechowywano w temperaturze pokojowej przez 24 h. Emulsję przechowywano w temperaturze pokojowej przez 24 h i zmierzono wielkość nanocząstek. Formulacja NLC wykazywała wielkości cząstek w zakresie 200–300nm. Uzyskane NLC mają bladożółty wygląd, wielkość globul 258±15,85 nm i wskaźnik polidyspersyjności 0,31±0,09. Poniższy obraz TEM przedstawia przygotowane ultradźwiękowo NLCs zawierające palmitynian retinylu.
(por. Pamudji et al. 2015)

NLCs zawierające Zingiber zerumbet uzyskane metodą sonikacji
Nanostrukturalne nośniki lipidowe składają się z mieszaniny lipidu stałego, lipidu ciekłego i surfaktantu. Są doskonałymi systemami dostarczania leków, umożliwiającymi podawanie substancji bioaktywnych o słabej rozpuszczalności w wodzie i znaczne zwiększenie ich biodostępności.
Aby sporządzić NLCs zawierające Zingiber zerumbet, wykonano następujące czynności. 1% lipidu stałego, tj. monostearynianu glicerolu, oraz 4% lipidu ciekłego, tj. oleju kokosowego z pierwszego tłoczenia, zmieszano i stopiono w temperaturze 50°C w celu uzyskania jednorodnej, klarownej fazy lipidowej. Następnie do fazy lipidowej dodano 1% olejku Zingiber zerumbet, stale utrzymując temperaturę o 10°C powyżej temperatury topnienia monostearynianu glicerolu. Aby przygotować fazę wodną, zmieszano wodę destylowaną, Tween 80 i lecytynę sojową w odpowiednich proporcjach. Mieszaninę wodną natychmiast dodano do mieszaniny lipidowej, tworząc mieszaninę emulsji wstępnej. Następnie emulsję wstępną homogenizowano za pomocą homogenizatora o wysokiej intensywności ścinania przy 11 000 rpm przez 1 min. Potem emulsję wstępną poddano sonikacji za pomocą sonikatora z sondą przy amplitudzie 50% przez 20 min. Na koniec dyspersję NLC schłodzono w łaźni z wodą lodową do temperatury pokojowej (25±1°C), aby gwałtownie schłodzić zawiesinę w zimnej łaźni i zapobiec agregacji cząstek. NLCs przechowywano w temperaturze 4°C.
NLCs zawierające Zingiber zerumbet wykazują wielkość w nanometrach wynoszącą 80,47±1,33, stabilny wskaźnik polidyspersyjności 0,188±2,72 i ładunek potencjału zeta -38,9±2,11. Wydajność enkapsulacji wskazuje na zdolność nośnika lipidowego do enkapsulacji olejku Zingiber zerumbet z wydajnością ponad 80%.
(por. Rosli et al. 2015)

NLCs zawierające Valsaratan uzyskane metodą sonikacji
Valsaratan jest blokerem receptora angiotensyny II stosowanym w leku przeciwnadciśnieniowym. Walsartan ma niską biodostępność, wynoszącą zaledwie ok. 23%, ze względu na słabą rozpuszczalność w wodzie. Zastosowanie ultradźwiękowej metody emulgowania stopionych lipidów umożliwiło przygotowanie NLCs zawierających Valsaratan o znacznie zwiększonej biodostępności.
Po prostu olejowy roztwór Val zmieszano z określoną ilością stopionego materiału lipidowego w temperaturze o 10°C powyżej temperatury topnienia lipidu. Wodny roztwór surfaktantu przygotowano przez rozpuszczenie określonych mas Tween 80 i deoksycholanu sodu. Następnie roztwór surfaktantu podgrzano do tej samej temperatury i zmieszano z olejowym roztworem lipidów i leku za pomocą sonikacji z użyciem sondy przez 3 min, aby utworzyć emulsję. Powstałą emulsję zdyspergowano następnie w schłodzonej wodzie przez mieszanie magnetyczne przez 10 min. Powstałe NLC oddzielono przez wirowanie. Pobrano próbki supernatantu i oznaczono w nich stężenie Val za pomocą zwalidowanej metody HPLC.
Ultradźwiękowa metoda emulgowania stopionych lipidów ma szereg zalet, w tym prostotę przy minimalnym obciążeniu procesowym i brak toksycznych rozpuszczalników organicznych. Maksymalna osiągnięta wydajność zamykania leku w nośniku wyniosła 75,04%
(por. Albekery et al. 2017)

Inne związki aktywne, takie jak paklitaksel, klotrimazol, domperydon, pueraryna i meloksykam, również z powodzeniem wprowadzono do nanocząstek lipidów stałych i nanostrukturalnych nośników lipidowych przy użyciu technik ultradźwiękowych. (por. Bahari and Hamishehkar 2016)

Sonikację jako metodę przygotowywania formulacji nanometrycznych nośników lipidowych (NLCs) można stosować jako technikę homogenizacji na zimno lub na gorąco. Homogenizacja ultradźwiękowa zapewnia wąski rozkład wielkości cząstek, co poprawia stabilność NLCs i ich właściwości podczas przechowywania.

Ultradźwiękowa homogenizacja na zimno

Gdy do przygotowywania nanostrukturalnych nośników lipidowych stosuje się technikę homogenizacji na zimno, cząsteczki aktywne farmakologicznie, tj. lek, rozpuszcza się w stopionym lipidzie, a następnie szybko chłodzi za pomocą ciekłego azotu lub suchego lodu. Podczas chłodzenia lipidy zestalają się. Stałą masę lipidową następnie rozdrabnia się do wielkości nanocząstek. Nanocząstki lipidowe dysperguje się w zimnym roztworze surfaktantu, uzyskując zimną zawiesinę wstępną. Na koniec zawiesinę tę poddaje się sonikacji w temperaturze pokojowej, często przy użyciu ultradźwiękowego reaktora z komorą przepływową.
Ponieważ substancje ogrzewa się tylko raz, na pierwszym etapie, ultradźwiękową homogenizację na zimno stosuje się głównie do sporządzania formulacji leków wrażliwych na ciepło. Ponieważ wiele cząsteczek bioaktywnych i związków farmaceutycznych jest podatnych na degradację termiczną, ultradźwiękowa homogenizacja na zimno jest szeroko stosowana. Kolejną zaletą techniki homogenizacji na zimno jest unikanie fazy wodnej, co ułatwia enkapsulację cząsteczek hydrofilowych, które w przeciwnym razie mogłyby przechodzić z ciekłej fazy lipidowej do fazy wodnej podczas homogenizacji na gorąco.

Ultradźwiękowa homogenizacja na gorąco

Gdy sonikację stosuje się jako technikę homogenizacji na gorąco, stopione lipidy i związek aktywny (tj. składnik aktywny farmakologicznie) dysperguje się w gorącym surfaktancie przy intensywnym mieszaniu, aby uzyskać emulsję wstępną. W procesie homogenizacji na gorąco ważne jest, aby oba roztwory, zawiesina lipidu/leku i surfaktant, zostały podgrzane do tej samej temperatury (ok. 5–10°C powyżej temperatury topnienia lipidu stałego). Na drugim etapie emulsję wstępną poddaje się następnie sonikacji o wysokiej wydajności, utrzymując temperaturę.

Sonikatory o wysokiej wydajności do nanostrukturalnych nośników lipidowych

Wydajne systemy ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie w farmaceutycznych pracach badawczo-rozwojowych i produkcji do wytwarzania wysokiej jakości nanometrycznych nośników leków, takich jak nanocząstki lipidów stałych (SLNs), nanostrukturalne nośniki lipidowe (NLCs), nanoemulsje i nanokapsułki. Aby sprostać wymaganiom klientów, Hielscher dostarcza sonikatory od kompaktowego, a zarazem wydajnego ręcznego homogenizatora laboratoryjnego i sonikatorów stołowych po w pełni przemysłowe systemy ultradźwiękowe do produkcji dużych ilości formulacji farmaceutycznych. Dostępny jest szeroki wybór sonotrod ultradźwiękowych i reaktorów, aby zapewnić optymalną konfigurację do produkcji nanostrukturalnych nośników lipidowych (NLCs). Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Aby umożliwić naszym klientom spełnianie wymogów Dobrej Praktyki Wytwarzania (GMP) i ustanawianie znormalizowanych procesów, wszystkie sonikatory cyfrowe są wyposażone w inteligentne oprogramowanie do precyzyjnego ustawiania parametru sonikacji, ciągłej kontroli procesu i automatycznego zapisywania wszystkich ważnych parametrów procesu na wbudowanej karcie SD. Wysoka jakość produktu zależy od kontroli procesu i niezmiennie wysokich standardów przetwarzania. Sonikatory Hielscher pomagają monitorować i standaryzować proces!

Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7. Do uzyskiwania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: