Ultradźwiękowa obróbka nanocząstek dla farmaceutyków

Sonikatory typu sondowego odgrywają kluczową rolę w badaniach farmaceutycznych i produkcji, zapewniając potężne i kontrolowane środki osiągania redukcji wielkości cząstek, rozbijania komórek i homogenizacji. Sonikatory wykorzystują fale ultradźwiękowe do generowania kawitacji, co powoduje powstawanie i zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków. Zjawisko to generuje intensywne siły ścinające i fale uderzeniowe, skutecznie rozbijając cząstki lub rozbijając komórki.

Oto kilka kluczowych aspektów wykorzystania sonikatorów w zastosowaniach farmaceutycznych:

• Redukcja wielkości cząstek: Sonikatory sondy są stosowane w celu zmniejszenia wielkości cząstek aktywnych składników farmaceutycznych (API) lub innych związków. Mały i jednolity rozmiar cząstek jest niezbędny do zwiększenia biodostępności, szybkości rozpuszczania i ogólnej skuteczności preparatów farmaceutycznych.
• Zakłócenie działania komórek: W badaniach biofarmaceutycznych sonikatory sondy są wykorzystywane do rozbijania komórek w celu uwolnienia składników wewnątrzkomórkowych. Jest to szczególnie ważne w przypadku ekstrakcji białek, enzymów i innych biomolekuł z komórek drobnoustrojów lub hodowanych komórek ssaków.
• Homogenizacja: Homogenizacja preparatów farmaceutycznych jest niezbędna do zapewnienia równomiernego rozprowadzenia składników. Sonikatory pomagają w osiągnięciu jednorodności poprzez rozbijanie aglomeratów i równomierne rozpraszanie składników.
• Tworzenie nanoemulsji i liposomów: Sonikacja jest wykorzystywana do tworzenia stabilnych nanoemulsji i liposomów w preparatach farmaceutycznych. Te nanoskalowe systemy dostarczania są stosowane do dostarczania leków w celu zwiększenia rozpuszczalności i biodostępności.
• Kontrola jakości i optymalizacja procesów: Sonikacja jest cennym narzędziem kontroli jakości w produkcji farmaceutycznej. Pomaga w optymalizacji procesów poprzez zapewnienie spójnego rozkładu wielkości cząstek i jednorodności, przyczyniając się do powtarzalności między partiami.
• Formułowanie i opracowywanie leków: Podczas formułowania i opracowywania leków sonikatory sondy są wykorzystywane do przygotowywania stabilnych zawiesin, emulsji lub dyspersji. Ma to kluczowe znaczenie dla projektowania produktów farmaceutycznych o pożądanych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Nanomateriały w farmaceutyce

Technologie ultradźwiękowe odgrywają kluczową rolę w przygotowaniu, przetwarzaniu i funkcjonalizacji nanomateriałów w badaniach farmaceutycznych i produkcji. Intensywne działanie ultradźwięków o dużej mocy, w tym kawitacji akustycznej, przyczynia się do rozbijania aglomeratów, rozpraszania cząstek i emulgowania nanokropel. Wysokowydajne sonikatory Hielscher zapewniają niezawodne i wydajne rozwiązanie dla standardów farmaceutycznych, zapewniając bezpieczną produkcję i ułatwiając zwiększanie skali bez dodatkowych wysiłków optymalizacyjnych.

Przetwarzanie nanomateriałów

Nanomateriały, w szczególności nanocząsteczki, zrewolucjonizowały dostarczanie leków w farmaceutykach, oferując sprawdzoną metodę podawania substancji czynnych doustnie lub poprzez wstrzyknięcie. Technologia ta zwiększa skuteczność dawkowania i dostarczania leków, otwierając nowe możliwości leczenia. Możliwość dostarczania leków, ciepła lub innych substancji czynnych bezpośrednio do określonych komórek, zwłaszcza chorych, stanowi znaczący postęp.

W terapii przeciwnowotworowej obiecujące wyniki przyniosły leki w formie nanocząsteczek, które pozwalają dostarczać wysokie dawki leków bezpośrednio do komórek nowotworowych, maksymalizując efekty terapeutyczne i minimalizując skutki uboczne dla innych narządów. Rozmiar w nanoskali pozwala tym cząsteczkom przenikać przez ściany komórkowe i błony, uwalniając substancje czynne dokładnie do docelowych komórek.

Przetwarzanie nanomateriałów, zdefiniowanych jako cząstki o wymiarach mniejszych niż 100 nm, stanowi wyzwanie, które wymaga większych wysiłków. Kawitacja ultradźwiękowa wyłania się jako ugruntowana technologia deaglomeracji i dyspergowania nanomateriałów. Nanorurki węglowe (CNT), zwłaszcza wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT) i jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT), wykazują unikalne właściwości, oferując dużą objętość wewnętrzną do kapsułkowania cząsteczek leków i różne powierzchnie do funkcjonalizacji.
 

Sonochemiczna produkcja SWCNT. Proszek krzemionkowy w roztworze mieszaniny ferrocenu i ksylenu poddano sonikacji przez 20 minut w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem otoczenia. Sonikacja wytwarza SWCNTS o wysokiej czystości na powierzchni proszku krzemionkowego (Jeong et al. 2004).

Funkcjonalizowane nanorurki węglowe (f-CNT) odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu rozpuszczalności, umożliwiając skuteczne celowanie w nowotwory i unikanie cytotoksyczności. Techniki ultradźwiękowe ułatwiają ich produkcję i funkcjonalizację, takie jak metoda sonochemiczna dla SWCNT o wysokiej czystości. Co więcej, f-CNT mogą służyć jako systemy dostarczania szczepionek, łącząc antygeny z nanorurkami węglowymi w celu wywołania specyficznych odpowiedzi przeciwciał.
Nanocząstki ceramiczne pochodzące z krzemionki, tytanu lub tlenku glinu mają porowatą powierzchnię, co czyni je idealnymi nośnikami leków. Ultradźwiękowa synteza i wytrącanie nanocząstek, wykorzystująca sonochemię, zapewnia oddolne podejście do przygotowywania związków o nanorozmiarach. Proces ten poprawia przenoszenie masy, co skutkuje mniejszymi rozmiarami cząstek i większą jednorodnością

Ultradźwiękowa synteza i wytrącanie nanocząstek

Ultradźwięki odgrywają istotną rolę w funkcjonalizacji nanocząstek. Technika ta skutecznie rozbija warstwy graniczne wokół cząstek, umożliwiając nowym grupom funkcjonalnym dotarcie do powierzchni cząstek. Na przykład, ultradźwiękowa funkcjonalizacja jednościennych nanorurek węglowych (SWCNT) z fragmentami PL-PEG zakłóca niespecyficzne pobieranie komórek, jednocześnie promując specyficzne pobieranie komórek do ukierunkowanych zastosowań.

Aby uzyskać nanocząstki o określonych właściwościach i funkcjach, należy zmodyfikować ich powierzchnię. Różne nanosystemy, takie jak nanocząstki polimerowe, liposomy, dendrymery, nanorurki węglowe, kropki kwantowe itp. mogą być z powodzeniem funkcjonalizowane w celu efektywnego wykorzystania w farmacji.

Praktyczny przykład ultradźwiękowej frakcjonalizacji cząstek:

Ultradźwiękowa funkcjonalizacja SWCNTs przez PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) wykazali, że dyspersja jednościennych nanorurek węglowych (SWNTs) przez ultradźwięki z fosfolipidowym glikolem polietylenowym (PL-PEG) powoduje ich fragmentację, zakłócając w ten sposób ich zdolność do blokowania niespecyficznego wychwytu przez komórki. Jednakże, niefragmentowany PL-PEG promuje specyficzny wychwyt komórkowy ukierunkowanych SWNT do dwóch różnych klas receptorów wyrażanych przez komórki nowotworowe. Obróbka ultradźwiękowa w obecności PL-PEG jest powszechną metodą stosowaną do dyspergowania lub funkcjonalizacji nanorurek węglowych, a integralność PEG jest ważna dla promowania specyficznego wychwytu komórkowego nanorurek funkcjonalizowanych ligandem. Ponieważ fragmentacja jest prawdopodobną konsekwencją ultradźwięków, techniki powszechnie stosowanej do dyspergowania SWNT, może to budzić obawy w przypadku niektórych zastosowań, takich jak dostarczanie leków.
 

Ultradźwiękowa dyspersja SWCNTs z PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ultradźwiękowe tworzenie liposomów

Innym udanym zastosowaniem ultradźwięków jest przygotowanie liposomów i nano-liposomów. Systemy dostarczania leków i genów oparte na liposomach odgrywają znaczącą rolę w wielu terapiach, ale także w kosmetyce i żywieniu. Liposomy są dobrymi nośnikami, ponieważ rozpuszczalne w wodzie substancje czynne mogą być umieszczane w centrum wodnym liposomów lub, jeśli substancja jest rozpuszczalna w tłuszczach, w warstwie lipidowej. Liposomy mogą być formowane przy użyciu ultradźwięków. Podstawowym materiałem do przygotowania liposomów są cząsteczki amfilowe pochodzące lub oparte na lipidach błon biologicznych. W celu utworzenia małych pęcherzyków jednokomórkowych (SUV), dyspersja lipidów jest delikatnie sonikowana – np. za pomocą ręcznego ultrasonografu UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter lub ultradźwiękowego rogu kubkowego. Czas trwania takiego leczenia ultradźwiękowego trwa ok. 5 - 15 minut. Inną metodą wytwarzania małych pęcherzyków jednokomórkowych jest sonikacja liposomów pęcherzyków wielokomórkowych.
Dinu-Pirvu i wsp. (2010) donoszą o uzyskaniu transferosomów poprzez sonikację MLV w temperaturze pokojowej.
Hielscher Ultrasonics oferuje różne urządzenia ultradźwiękowe, sonotrody i akcesoria spełniające wymagania wszystkich rodzajów procesów.
Dowiedz się więcej o ekstrakcie z aloesu ekstrahowanym ultradźwiękami i kapsułkowanym!

Ultradźwiękowe kapsułkowanie środków w liposomach

Liposomy działają jako nośniki substancji czynnych. Ultradźwięki są skutecznym narzędziem do przygotowania i formowania liposomów w celu uwięzienia substancji czynnych. Przed enkapsulacją liposomy mają tendencję do tworzenia klastrów z powodu interakcji ładunku powierzchniowego z polarnymi głowicami fosfolipidów (Míckova et al. 2008), ponadto muszą zostać otwarte. Na przykład Zhu i wsp. (2003) opisują enkapsulację proszku biotyny w liposomach za pomocą ultradźwięków. Ponieważ proszek biotyny dodano do roztworu zawiesiny pęcherzyków, roztwór poddano działaniu ultradźwięków przez około 1 godzinę. Po tym zabiegu biotyna została uwięziona w liposomach.

Emulsje liposomalne

Aby wzmocnić pielęgnujące działanie nawilżających lub przeciwstarzeniowych kremów, balsamów, żeli i innych preparatów kosmeceutycznych, do dyspersji liposomalnych dodaje się emulgator w celu stabilizacji większych ilości lipidów. Badania wykazały jednak, że możliwości liposomów są na ogół ograniczone. Po dodaniu emulgatorów efekt ten pojawia się wcześniej, a dodatkowe emulgatory powodują osłabienie powinowactwa barierowego fosfatydylocholiny. Nanocząsteczki – składające się z fosfatydylocholiny i lipidów - są odpowiedzią na ten problem. Nanocząsteczki te są tworzone przez kroplę oleju, która jest pokryta monowarstwą fosfatydylocholiny. Zastosowanie nanocząsteczek pozwala na tworzenie preparatów, które są w stanie wchłonąć więcej lipidów i pozostają stabilne, dzięki czemu dodatkowe emulgatory nie są potrzebne.
Ultradźwięki to sprawdzona metoda produkcji nanoemulsji i nanodyspersji. Wysoce intensywne ultradźwięki dostarczają mocy potrzebnej do rozproszenia fazy ciekłej (faza rozproszona) w małych kropelkach w drugiej fazie (faza ciągła). W strefie rozpraszania implodujące pęcherzyki kawitacyjne powodują intensywne fale uderzeniowe w otaczającej cieczy i powodują powstawanie strumieni cieczy o dużej prędkości. Aby ustabilizować nowo utworzone krople fazy rozproszonej przed koalescencją, do emulsji dodawane są emulgatory (substancje powierzchniowo czynne) i stabilizatory. Ponieważ koalescencja kropel po rozbiciu wpływa na końcowy rozkład wielkości kropel, skutecznie stabilizujące emulgatory są stosowane w celu utrzymania końcowego rozkładu wielkości kropel na poziomie równym rozkładowi bezpośrednio po rozbiciu kropel w strefie dyspergowania ultradźwiękowego.

dyspersje liposomalne

Dyspersje liposomalne, które są oparte na nienasyconej fosfatydylochlorynie, nie mają stabilności przed utlenianiem. Stabilizację dyspersji można osiągnąć za pomocą przeciwutleniaczy, takich jak kompleks witamin C i E.
Ortan et al. (2002) osiągnęli w swoich badaniach dotyczących ultradźwiękowego przygotowania olejku eterycznego Anethum graveolens w liposomach dobre wyniki. Po sonikacji wymiary liposomów wynosiły 70-150 nm, a dla MLV 230-475 nm; wartości te były w przybliżeniu stałe również po 2 miesiącach, ale wzrosły po 12 miesiącach, zwłaszcza w dyspersji SUV (patrz histogramy poniżej). Pomiar stabilności, dotyczący utraty olejku eterycznego i rozkładu wielkości, wykazał również, że dyspersje liposomalne utrzymywały zawartość olejku lotnego. Sugeruje to, że uwięzienie olejku eterycznego w liposomach zwiększyło stabilność olejku.
 

Stabilność dyspersji MLV i SUV po 1 roku. Preparaty liposomalne przechowywano w temperaturze 4±1 ºC.
(Opracowanie i grafika: ©Ortan et al., 2009):

 
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym przygotowaniu liposomów!

Wysokowydajne sonikatory do badań i produkcji farmaceutycznej

Hielscher Ultrasonics jest najlepszym dostawcą wysokiej jakości, wysokowydajnych sonikatorów do badań i produkcji farmaceutyków. Urządzenia w zakresie od 50 watów do 16 000 watów pozwalają znaleźć odpowiedni procesor ultradźwiękowy dla każdej objętości i każdego procesu. Dzięki wysokiej wydajności, niezawodności, solidności i łatwej obsłudze, obróbka ultradźwiękowa jest niezbędną techniką przygotowania i przetwarzania nanomateriałów. Wyposażone w CIP (clean-in-place) i SIP (sterilize-in-place), sonikatory Hielscher gwarantują bezpieczną i wydajną produkcję zgodnie ze standardami farmaceutycznymi. Wszystkie specyficzne procesy ultradźwiękowe można łatwo przetestować w skali laboratoryjnej lub laboratoryjnej. Wyniki tych prób są całkowicie powtarzalne, dzięki czemu następujące zwiększenie skali jest liniowe i może być łatwo wykonane bez dodatkowych wysiłków związanych z optymalizacją procesu.

Sonikatory Hielscher: Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Literatura/Referencje