Ultradźwiękowa obróbka nanocząstek do zastosowań farmaceutycznych

Sonikatory sondowe odgrywają kluczową rolę w badaniach i produkcji farmaceutycznej, zapewniając skuteczną i kontrolowaną metodę zmniejszania wielkości cząstek, rozbijania komórek i homogenizacji. Sonikatory wykorzystują fale ultradźwiękowe do wywoływania kawitacji, która prowadzi do powstawania i zapadania się mikroskopijnych pęcherzyków. Zjawisko to generuje intensywne siły ścinające i fale uderzeniowe, skutecznie rozdrabniając cząstki lub rozbijając komórki.

Oto kilka kluczowych aspektów wykorzystania sonikatorów sondowych w zastosowaniach farmaceutycznych:

• Zmniejszanie wielkości cząstek: Sonikatory sondowe służą do zmniejszania wielkości cząstek substancji czynnych farmaceutycznie (API) lub innych związków. Mała i jednorodna wielkość cząstek ma zasadnicze znaczenie dla zwiększenia biodostępności, szybkości rozpuszczania i ogólnej skuteczności formulacji farmaceutycznych.
• Rozbijanie komórek: W badaniach biofarmaceutycznych sonikatory sondowe wykorzystuje się do rozbijania komórek w celu uwolnienia składników wewnątrzkomórkowych. Jest to szczególnie istotne przy ekstrakcji białek, enzymów i innych biomolekuł z komórek drobnoustrojów lub hodowanych komórek ssaków.
• Homogenizacja: Homogenizacja formulacji farmaceutycznych jest niezbędna do zapewnienia równomiernego rozmieszczenia składników. Sonikatory sondowe pomagają uzyskać jednorodność poprzez rozbijanie aglomeratów i równomierne dyspergowanie składników.
• Tworzenie nanoemulsji i liposomów: Sonikacja służy do tworzenia stabilnych nanoemulsji i liposomów w formulacjach farmaceutycznych. Te nanoskalowe systemy dostarczania wykorzystuje się do dostarczania leków w celu zwiększenia rozpuszczalności i biodostępności.
• Kontrola jakości i optymalizacja procesów: Sonikacja jest cennym narzędziem kontroli jakości w produkcji farmaceutycznej. Pomaga optymalizować procesy, zapewniając stały rozkład wielkości cząstek i jednorodność, co przyczynia się do powtarzalności między partiami.
• Opracowywanie formulacji i rozwój leków: Podczas opracowywania formulacji i rozwoju leków sonikatory sondowe wykorzystuje się do przygotowywania stabilnych zawiesin, emulsji lub dyspersji. Ma to kluczowe znaczenie dla projektowania produktów farmaceutycznych o pożądanych właściwościach fizycznych i chemicznych.

Nanomateriały w farmacji

Technologie ultradźwiękowe odgrywają kluczową rolę w przygotowywaniu, przetwarzaniu i funkcjonalizacji nanomateriałów w badaniach i produkcji farmaceutycznej. Intensywne efekty działania ultradźwięków o dużej mocy, w tym kawitacja akustyczna, przyczyniają się do rozbijania aglomeratów, dyspergowania cząstek i emulgowania nanokropelek. Wysokowydajne sonikatory Hielscher zapewniają niezawodne i wydajne rozwiązanie spełniające standardy farmaceutyczne, gwarantując bezpieczną produkcję i ułatwiając zwiększanie skali bez dodatkowych prac optymalizacyjnych.

Przetwarzanie nanomateriałów

Nanomateriały, zwłaszcza nanocząstki, zrewolucjonizowały dostarczanie leków w farmacji, oferując sprawdzoną metodę podawania substancji czynnych doustnie lub w postaci zastrzyków. Technologia ta zwiększa efektywność dawkowania i dostarczania leków, otwierając nowe możliwości leczenia. Możliwość dostarczania leków, ciepła lub innych substancji czynnych bezpośrednio do określonych komórek, zwłaszcza komórek chorobowo zmienionych, stanowi znaczący postęp.

W terapii nowotworowej leki w nanoformulacjach przyniosły obiecujące wyniki, wykorzystując zalety cząstek o rozmiarach nanometrycznych do dostarczania dużych dawek leków bezpośrednio do komórek nowotworowych, maksymalizując efekty terapeutyczne przy jednoczesnym minimalizowaniu działań niepożądanych w innych narządach. Rozmiary w nanoskali umożliwiają tym cząstkom przechodzenie przez ściany i błony komórkowe oraz uwalnianie substancji czynnych dokładnie przy komórkach docelowych.

Przetwarzanie nanomateriałów, definiowanych jako cząstki o wymiarach mniejszych niż 100nm, wiąże się z wyzwaniami wymagającymi większych nakładów pracy. Kawitacja ultradźwiękowa jest dobrze ugruntowaną technologią deaglomeracji i dyspergowania nanomateriałów. Nanorurki węglowe (CNTs), zwłaszcza wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs) i jednościenne nanorurki węglowe (SWCNTs), wykazują wyjątkowe właściwości, oferując dużą objętość wewnętrzną do enkapsulacji cząsteczek leków oraz charakterystyczne powierzchnie do funkcjonalizacji.
 

Sonochemiczna produkcja SWCNTs. Proszek krzemionkowy w roztworze mieszaniny ferrocenu i ksylenu poddawano sonikacji przez 20 min. 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-CNTs) odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu rozpuszczalności, umożliwiając skuteczne kierowanie do guzów i unikanie cytotoksyczności. Techniki ultradźwiękowe ułatwiają ich produkcję i funkcjonalizację, czego przykładem jest metoda sonochemiczna otrzymywania SWCNTs o wysokiej czystości. Ponadto f-CNTs mogą służyć jako systemy dostarczania szczepionek poprzez łączenie antygenów z nanorurkami węglowymi w celu wywołania swoistych odpowiedzi przeciwciał.
Nanocząstki ceramiczne otrzymywane z krzemionki, tlenku tytanu lub tlenku glinu mają porowate powierzchnie, co czyni je idealnymi nośnikami leków. Ultradźwiękowa synteza i strącanie nanocząstek z wykorzystaniem sonochemii zapewniają podejście oddolne do otrzymywania związków o rozmiarach nanometrycznych. Proces ten zwiększa transport masy, prowadząc do uzyskania mniejszych cząstek i większej jednorodności

Ultradźwiękowa synteza i strącanie nanocząstek

Sonikacja odgrywa istotną rolę w funkcjonalizacji nanocząstek. Technika ta skutecznie rozbija warstwy graniczne wokół cząstek, umożliwiając nowym grupom funkcyjnym dotarcie do powierzchni cząstek. Na przykład ultradźwiękowa funkcjonalizacja jednościennych nanorurek węglowych (SWCNTs) fragmentami PL-PEG zakłóca nieswoisty wychwyt przez komórki, jednocześnie sprzyjając swoistemu wychwytowi komórkowemu w zastosowaniach ukierunkowanych.

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

Praktyczny przykład ultradźwiękowej Fuctionalization cząstek:

Ultradźwiękowa funkcjonalizacja SWCNTs za pomocą PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) wykazali, że dyspergowanie jednościennych nanorurek węglowych (SWNTs) poprzez sonikację z użyciem fosfolipidu–glikolu polietylenowego (PL-PEG) powoduje fragmentację PL-PEG, zakłócając tym samym jego zdolność do blokowania nieswoistego wychwytu przez komórki. Jednak niepofragmentowany PL-PEG sprzyja swoistemu wychwytowi komórkowemu ukierunkowanych SWNTs przez dwie odrębne klasy receptorów ulegających ekspresji w komórkach nowotworowych. Obróbka ultradźwiękowa w obecności PL-PEG jest powszechnie stosowaną metodą dyspergowania lub funkcjonalizacji nanorurek węglowych, a integralność PEG jest istotna dla wspomagania swoistego wychwytu komórkowego nanorurek funkcjonalizowanych ligandami. Ponieważ fragmentacja jest prawdopodobną konsekwencją sonikacji, techniki powszechnie stosowanej do dyspergowania SWNTs, może to budzić obawy w przypadku niektórych zastosowań, takich jak dostarczanie leków.
 

Ultradźwiękowe dyspergowanie SWCNTs z użyciem PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ultradźwiękowe tworzenie liposomów

Innym skutecznym zastosowaniem ultradźwięków jest przygotowywanie liposomów i nanoliposomów. Systemy dostarczania leków i genów oparte na liposomach odgrywają znaczącą rolę w wielu terapiach, a także w kosmetyce i żywieniu. Liposomy są dobrymi nośnikami, ponieważ substancje czynne rozpuszczalne w wodzie można umieszczać w ich wodnym wnętrzu, a substancje rozpuszczalne w tłuszczach – w warstwie lipidowej. Liposomy można tworzyć za pomocą ultradźwięków. Podstawowym materiałem do przygotowywania liposomów są cząsteczki amphilic pochodzące z lipidów błon biologicznych lub na nich oparte. Aby utworzyć małe pęcherzyki jednolamelarne (SUV), dyspersję lipidową poddaje się łagodnej sonikacji – np. za pomocą ręcznego sonikatora UP50H (50W, 30kHz), urządzenia VialTweeter lub ultradźwiękowej sonotrody kielichowej. Taka obróbka ultradźwiękowa trwa ok. 5 – 15 minut. Inną metodą wytwarzania małych pęcherzyków jednolamelarnych jest sonikacja liposomów w postaci pęcherzyków wielolamelarnych.
Dinu-Pirvu et al. (2010) opisują otrzymywanie transferosomów poprzez sonikację MLV w temperaturze pokojowej.
Hielscher Ultrasonics oferuje różne urządzenia ultradźwiękowe, sonotrody i akcesoria spełniające wymagania wszelkiego rodzaju procesów.
Dowiedz się więcej o ekstrakcie z Aloe vera uzyskiwanym poprzez ekstrakcję ultradźwiękową i enkapsulowanym!

Ultradźwiękowa enkapsulacja substancji w liposomach

Liposomy pełnią funkcję nośników substancji czynnych. Ultradźwięki są skutecznym narzędziem do przygotowywania i tworzenia liposomów w celu zamykania w nich substancji czynnych. Przed enkapsulacją liposomy mają tendencję do tworzenia skupisk wskutek oddziaływań między ładunkami powierzchniowymi polarnych główek fosfolipidów (Míckova et al. 2008); ponadto muszą zostać otwarte. Przykładowo Zhu et al. (2003) opisują enkapsulację sproszkowanej biotyny w liposomach za pomocą sonikacji. Po dodaniu sproszkowanej biotyny do roztworu zawiesiny pęcherzyków roztwór poddawano sonikacji przez ok. 1 godzinę. Po tej obróbce biotyna została zamknięta w liposomach.

Emulsje liposomalne

Aby wzmocnić działanie pielęgnacyjne kremów nawilżających lub przeciwstarzeniowych, balsamów, żeli i innych formulacji kosmeceutycznych, do dyspersji liposomalnych dodaje się emulgatory w celu stabilizacji większych ilości lipidów. Badania wykazały jednak, że zdolność liposomów jest ogólnie ograniczona. Po dodaniu emulgatorów efekt ten pojawi się wcześniej, a dodatkowe emulgatory powodują osłabienie powinowactwa fosfatydylocholiny do bariery. Nanocząstki – złożone z fosfatydylocholiny i lipidów – stanowią rozwiązanie tego problemu. Nanocząstki te tworzy kropla oleju pokryta monowarstwą fosfatydylocholiny. Zastosowanie nanocząstek umożliwia uzyskanie formulacji zdolnych do wchłaniania większej ilości lipidów i zachowania stabilności, dzięki czemu dodatkowe emulgatory nie są potrzebne.
Sonikacja jest sprawdzoną metodą produkcji nanoemulsji i nanodyspersji. Ultradźwięki o bardzo dużej intensywności dostarczają mocy potrzebnej do zdyspergowania fazy ciekłej (fazy rozproszonej) w postaci małych kropelek w drugiej fazie (fazie ciągłej). W strefie dyspergowania implodujące pęcherzyki kawitacyjne wywołują intensywne fale uderzeniowe w otaczającej cieczy i prowadzą do powstawania strug cieczy o dużej prędkości. Aby zabezpieczyć nowo powstałe kropelki fazy rozproszonej przed koalescencją, do emulsji dodaje się emulgatory (substancje powierzchniowo czynne, surfaktanty) i stabilizatory. Ponieważ koalescencja kropelek po ich rozbiciu wpływa na końcowy rozkład wielkości kropelek, stosuje się skutecznie stabilizujące emulgatory, aby utrzymać końcowy rozkład wielkości kropelek na poziomie odpowiadającym rozkładowi bezpośrednio po rozbiciu kropelek w ultradźwiękowej strefie dyspergowania.

Dyspersje liposomalne

Dyspersje liposomalne oparte na nienasyconym phosphatidylchlorine nie wykazują stabilności wobec utleniania. Stabilizację dyspersji można uzyskać za pomocą przeciwutleniaczy, takich jak kompleks witamin C i E.
Ortan et al. (2002) uzyskali dobre wyniki w badaniu dotyczącym ultradźwiękowego przygotowywania olejku eterycznego Anethum graveolens w liposomach. Po sonikacji wymiary liposomów wynosiły 70–150 nm, a w przypadku MLV 230–475 nm; wartości te pozostawały w przybliżeniu stałe również po 2 miesiącach, lecz wzrosły po 12 miesiącach, zwłaszcza w dyspersji SUV (zob. histogramy poniżej). Pomiar stabilności dotyczący utraty olejku eterycznego i rozkładu wielkości wykazał także, że dyspersje liposomalne zachowały zawartość olejku lotnego. Sugeruje to, że zamknięcie olejku eterycznego w liposomach zwiększyło jego stabilność.
 

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

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

Wysokowydajne sonikatory do badań i produkcji farmaceutycznej

Hielscher Ultrasonics to Twój czołowy dostawca wysokiej jakości, wysokowydajnych sonikatorów do badań i produkcji farmaceutyków. Urządzenia o mocy od 50 watów do nawet 16 000 watów umożliwiają dobranie odpowiedniego procesora ultradźwiękowego do każdej objętości i każdego procesu. Dzięki wysokiej wydajności, niezawodności, wytrzymałości i łatwej obsłudze obróbka ultradźwiękowa jest niezbędną techniką przygotowywania i przetwarzania nanomateriałów. Sonikatory Hielscher wyposażone w CIP (czyszczenie na miejscu) i SIP (sterylizację na miejscu) gwarantują bezpieczną i wydajną produkcję zgodną ze standardami farmaceutycznymi. Wszystkie konkretne procesy ultradźwiękowe można łatwo przetestować w skali laboratoryjnej lub na urządzeniach stołowych. Wyniki tych prób są całkowicie odtwarzalne, dzięki czemu późniejsze zwiększanie skali przebiega liniowo i można je łatwo przeprowadzić bez dodatkowych nakładów pracy związanych z optymalizacją procesu.

Sonikatory Hielscher: projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają płynną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i zapewniające łatwość obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Literatura / Źródła

• 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.

 

Ultradźwięki to innowacyjna technologia z powodzeniem wykorzystywana do syntezy sonochemicznej, deaglomeracji, dyspergowania, emulgowania, funkcjonalizacji i aktywacji cząstek. Szczególnie w nanotechnologii sonikacja jest niezbędną techniką syntezy i przetwarzania materiałów o rozmiarach nanometrycznych. Ponieważ nanotechnologia wzbudziła tak ogromne zainteresowanie naukowe, cząstki o rozmiarach nanometrycznych wykorzystuje się w wyjątkowo wielu dziedzinach nauki i przemysłu. Również przemysł farmaceutyczny dostrzegł duży potencjał tego elastycznego i zróżnicowanego materiału. W rezultacie nanocząstki znajdują różne zastosowania funkcjonalne w przemyśle farmaceutycznym, w tym:

• dostarczanie leków (nośnik)
• produkty diagnostyczne
• opakowania produktów
• odkrywanie biomarkerów