Tratamento ultrassónico de nanopartículas para aplicações farmacêuticas

Os sonicadores de sonda desempenham um papel crucial na investigação e na produção farmacêuticas, proporcionando um meio potente e controlado para reduzir o tamanho das partículas, provocar a rutura celular e realizar a homogeneização. Os sonicadores utilizam ondas ultrassónicas para gerar cavitação, que resulta na formação e no colapso de bolhas microscópicas. Este fenómeno gera forças de cisalhamento intensas e ondas de choque, fragmentando eficazmente as partículas ou provocando a rutura das células.

Seguem-se alguns aspetos fundamentais da utilização de sonicadores de sonda em aplicações farmacêuticas:

• Redução do tamanho das partículas: Os sonicadores de sonda são utilizados para reduzir o tamanho das partículas de ingredientes farmacêuticos ativos (APIs) ou de outros compostos. Um tamanho pequeno e uniforme das partículas é fundamental para melhorar a biodisponibilidade, as velocidades de dissolução e a eficácia global das formulações farmacêuticas.
• Rutura celular: Na investigação biofarmacêutica, os sonicadores de sonda são utilizados para provocar a rutura celular e libertar componentes intracelulares. Isto é particularmente importante para a extração de proteínas, enzimas e outras biomoléculas de células microbianas ou de células de mamíferos em cultura.
• Homogeneização: A homogeneização das formulações farmacêuticas é essencial para assegurar a distribuição uniforme dos ingredientes. Os sonicadores de sonda ajudam a obter homogeneidade, desfazendo os aglomerados e dispersando os componentes uniformemente.
• Formação de nanoemulsões e lipossomas: A sonicação é utilizada para criar nanoemulsões e lipossomas estáveis em formulações farmacêuticas. Estes sistemas de veiculação à escala nanométrica são utilizados para a veiculação de fármacos, a fim de melhorar a solubilidade e a biodisponibilidade.
• Controlo de qualidade e otimização de processos: A sonicação é uma ferramenta valiosa para o controlo de qualidade na produção farmacêutica. Ajuda a otimizar os processos, assegurando uma distribuição consistente do tamanho das partículas e homogeneidade, contribuindo para a reprodutibilidade entre lotes.
• Formulação e desenvolvimento de fármacos: Durante a formulação e o desenvolvimento de fármacos, os sonicadores de sonda são utilizados para preparar suspensões, emulsões ou dispersões estáveis. Isto é fundamental para conceber produtos farmacêuticos com as propriedades físicas e químicas desejadas.

Nanomateriais em aplicações farmacêuticas

As tecnologias ultrassónicas desempenham um papel fundamental na preparação, no processamento e na funcionalização de nanomateriais na investigação e na produção farmacêuticas. Os efeitos intensos dos ultrassons de alta potência, incluindo a cavitação acústica, contribuem para desfazer aglomerados, dispersar partículas e emulsionar nanogotículas. Os sonicadores de elevado desempenho da Hielscher proporcionam uma solução fiável e eficiente para cumprir as normas farmacêuticas, assegurando uma produção segura e facilitando o aumento de escala sem esforços adicionais de otimização.

Processamento de nanomateriais

Os nanomateriais, em particular as nanopartículas, revolucionaram a veiculação de fármacos no setor farmacêutico, oferecendo um método comprovado para administrar agentes ativos por via oral ou por injeção. Esta tecnologia melhora a eficiência da dosagem e da veiculação de fármacos, abrindo novas possibilidades para os tratamentos médicos. A capacidade de transportar fármacos, calor ou outras substâncias ativas diretamente para células específicas, em particular células doentes, representa um avanço significativo.

Na terapia oncológica, os fármacos em nanoformulações demonstraram resultados promissores, aproveitando a vantagem das partículas de tamanho nanométrico para transportar doses elevadas de fármacos diretamente para as células tumorais, maximizando os efeitos terapêuticos e minimizando os efeitos secundários noutros órgãos. O tamanho nanométrico permite que estas partículas atravessem as paredes e as membranas celulares, libertando agentes ativos precisamente nas células-alvo.

O processamento de nanomateriais, definidos como partículas com dimensões inferiores a 100nm, apresenta desafios que exigem maiores esforços. A cavitação ultrassónica surge como uma tecnologia bem estabelecida para desaglomerar e dispersar nanomateriais. Os nanotubos de carbono (CNTs), em especial os nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) e os nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs), apresentam propriedades únicas, oferecendo um grande volume interior para encapsular moléculas de fármacos e superfícies distintas para funcionalização.
 

Produção sonoquímica de SWCNTs. Pó de sílica numa solução de uma mistura de ferroceno e xileno foi submetido a sonicação durante 20 min. à temperatura ambiente e à pressão ambiente. A sonicação produz SWCNTS de elevada pureza na superfície do pó de sílica. (Jeong et al. 2004)

Os nanotubos de carbono funcionalizados (f-CNTs) desempenham um papel crucial na melhoria da solubilidade, permitindo um direcionamento eficiente para os tumores e evitando a citotoxicidade. As técnicas ultrassónicas facilitam a sua produção e funcionalização, como o método sonoquímico para obter SWCNTs de elevada pureza. Além disso, os f-CNTs podem servir como sistemas de veiculação de vacinas, ligando antigénios a nanotubos de carbono para induzir respostas específicas de anticorpos.
As nanopartículas cerâmicas derivadas de sílica, titânia ou alumina apresentam superfícies porosas, o que as torna transportadores ideais de fármacos. A síntese e a precipitação ultrassónicas de nanopartículas, recorrendo à sonoquímica, proporcionam uma abordagem de construção a partir de unidades menores para preparar compostos de tamanho nanométrico. O processo melhora a transferência de massa, resultando em partículas de menor tamanho e maior uniformidade

Síntese e precipitação ultrassónicas de nanopartículas

A sonicação desempenha um papel fundamental na funcionalização de nanopartículas. A técnica rompe eficazmente as camadas limite em torno das partículas, permitindo que novos grupos funcionais atinjam a superfície das partículas. Por exemplo, a funcionalização ultrassónica de nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) com fragmentos de PL-PEG interfere com a captação celular não específica, promovendo simultaneamente a captação celular específica para aplicações direcionadas.

Para obter nanopartículas com características e funções específicas, é necessário modificar a superfície das partículas. Vários nanossistemas, como nanopartículas poliméricas, lipossomas, dendrímeros, nanotubos de carbono, pontos quânticos, etc., podem ser funcionalizados com sucesso para uma utilização eficiente em aplicações farmacêuticas.

Exemplo prático de Fuctionalization ultrassónica de partículas:

Funcionalização ultrassónica de SWCNTs por PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) demonstraram que a dispersão de nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) por sonicação com fosfolípido-polietilenoglicol (PL-PEG) fragmenta o PL-PEG, interferindo assim com a sua capacidade de bloquear a captação não específica pelas células. No entanto, o PL-PEG não fragmentado promove a captação celular específica de SWNTs direcionados para duas classes distintas de recetores expressos pelas células cancerosas. O tratamento ultrassónico na presença de PL-PEG é um método comum utilizado para dispersar ou funcionalizar nanotubos de carbono, e a integridade do PEG é importante para promover a captação celular específica de nanotubos funcionalizados com ligandos. Uma vez que a fragmentação é uma consequência provável da sonicação, uma técnica habitualmente utilizada para dispersar SWNTs, isto pode constituir uma preocupação em determinadas aplicações, como a veiculação de fármacos.
 

Dispersão ultrassónica de SWCNTs com PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Formação ultrassónica de lipossomas

Outra aplicação bem-sucedida dos ultrassons é a preparação de lipossomas e nanolipossomas. Os sistemas de veiculação de fármacos e genes baseados em lipossomas desempenham um papel significativo em múltiplas terapias, mas também na cosmética e na nutrição. Os lipossomas são bons transportadores, pois os agentes ativos hidrossolúveis podem ser colocados no centro aquoso dos lipossomas ou, se o agente for lipossolúvel, na camada lipídica. Os lipossomas podem ser formados através da utilização de ultrassons. O material de base para a preparação de lipossomas consiste em moléculas amphilic derivadas de lípidos das membranas biológicas ou baseadas nesses lípidos. Para a formação de pequenas vesículas unilamelares (SUV), a dispersão lipídica é submetida a sonicação suave – por exemplo, com o sonicador de mão UP50H (50W, 30kHz), o VialTweeter ou uma corneta ultrassónica em forma de copo. A duração deste tratamento ultrassónico é de aprox. 5 – 15 minutos. Outro método para produzir pequenas vesículas unilamelares é a sonicação de lipossomas constituídos por vesículas multilamelares.
Dinu-Pirvu et al. (2010) relatam a obtenção de transferossomas através da sonicação de MLVs à temperatura ambiente.
A Hielscher Ultrasonics oferece vários dispositivos ultrassónicos, sonotrodos e acessórios para satisfazer os requisitos de todos os tipos de processos.
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Encapsulação ultrassónica de agentes em lipossomas

Os lipossomas funcionam como transportadores de agentes ativos. Os ultrassons são uma ferramenta eficaz para preparar e formar os lipossomas destinados à retenção de agentes ativos. Antes da encapsulação, os lipossomas tendem a formar agregados devido à interação entre cargas superficiais das cabeças polares dos fosfolípidos (Míckova et al. 2008); além disso, têm de ser abertos. A título de exemplo, Zhu et al. (2003) descrevem a encapsulação de biotina em pó em lipossomas por sonicação. Quando a biotina em pó foi adicionada à solução de suspensão das vesículas, a solução foi submetida a sonicação durante aprox. 1 hora. Após este tratamento, a biotina ficou retida nos lipossomas.

Emulsões lipossomais

Para melhorar o efeito de cuidado de cremes hidratantes ou antienvelhecimento, loções, géis e outras formulações cosmecêuticas, são adicionados emulsionantes às dispersões lipossomais para estabilizar maiores quantidades de lípidos. Contudo, as investigações demonstraram que a capacidade dos lipossomas é geralmente limitada. Com a adição de emulsionantes, este efeito surgirá mais cedo, e os emulsionantes adicionais provocam uma diminuição da afinidade da fosfatidilcolina pela barreira. As nanopartículas – compostas por fosfatidilcolina e lípidos – são a resposta a este problema. Estas nanopartículas são formadas por uma gotícula de óleo coberta por uma monocamada de fosfatidilcolina. A utilização de nanopartículas permite obter formulações capazes de absorver mais lípidos e permanecer estáveis, pelo que não são necessários emulsionantes adicionais.
A sonicação é um método comprovado para a produção de nanoemulsões e nanodispersões. Os ultrassons de elevada intensidade fornecem a potência necessária para dispersar uma fase líquida (fase dispersa) em pequenas gotículas numa segunda fase (fase contínua). Na zona de dispersão, a implosão das bolhas de cavitação provoca ondas de choque intensas no líquido circundante e resulta na formação de jatos de líquido a elevada velocidade. Para estabilizar as gotículas recém-formadas da fase dispersa contra a coalescência, são adicionados emulsionantes (substâncias tensioativas, surfactantes) e estabilizantes à emulsão. Como a coalescência das gotículas após a rutura influencia a distribuição final do tamanho das gotículas, são utilizados emulsionantes com uma ação estabilizante eficiente para manter a distribuição final do tamanho das gotículas num nível igual ao da distribuição imediatamente após a rutura das gotículas na zona de dispersão ultrassónica.

Dispersões lipossomais

As dispersões lipossomais, que se baseiam em phosphatidylchlorine insaturada, apresentam pouca estabilidade face à oxidação. A estabilização da dispersão pode ser conseguida com antioxidantes, por exemplo, com um complexo de vitaminas C e E.
Ortan et al. (2002) obtiveram bons resultados no seu estudo sobre a preparação ultrassónica de óleo essencial de Anethum graveolens em lipossomas. Após a sonicação, as dimensões dos lipossomas situavam-se entre 70–150 nm e, no caso das MLV, entre 230–475 nm; estes valores mantiveram-se aproximadamente constantes também após 2 meses, mas aumentaram após 12 meses, especialmente na dispersão de SUV (ver histogramas abaixo). A avaliação da estabilidade, no que respeita à perda de óleo essencial e à distribuição de tamanhos, também demonstrou que as dispersões lipossomais mantiveram o teor de óleo volátil. Isto sugere que a retenção do óleo essencial em lipossomas aumentou a estabilidade do óleo.
 

Estabilidade das dispersões de MLV e SUV após 1 ano. As formulações lipossomais foram armazenadas a 4±1 ºC.
(Estudo e gráfico: ©Ortan et al., 2009):

 
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Sonicadores de elevado desempenho para investigação e produção farmacêuticas

A Hielscher Ultrasonics é o seu fornecedor de referência de sonicadores de elevada qualidade e elevado desempenho para a investigação e a produção de produtos farmacêuticos. Os dispositivos na gama de 50 watts até 16 000 watts permitem encontrar o processador ultrassónico adequado para cada volume e cada processo. Graças ao seu elevado desempenho, fiabilidade, robustez e facilidade de utilização, o tratamento ultrassónico é uma técnica essencial para a preparação e o processamento de nanomateriais. Equipados com CIP (limpeza no local) e SIP (esterilização no local), os sonicadores Hielscher garantem uma produção segura e eficiente de acordo com as normas farmacêuticas. Todos os processos ultrassónicos específicos podem ser facilmente testados à escala laboratorial ou de bancada. Os resultados destes ensaios são completamente reprodutíveis, pelo que o aumento de escala subsequente é linear e pode ser facilmente realizado sem esforços adicionais de otimização do processo.

Sonicadores Hielscher: conceção, fabrico e consultoria – qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são reconhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de utilização permitem integrar facilmente os nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial importância a sonicadores de elevado desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.

A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Bibliografia/Referências

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Os ultrassons são uma tecnologia inovadora utilizada com sucesso para a síntese sonoquímica, a desaglomeração, a dispersão, a emulsificação, a funcionalização e a ativação de partículas. Em particular na nanotecnologia, a sonicação é uma técnica essencial para a síntese e o processamento de materiais de tamanho nanométrico. Uma vez que a nanotecnologia despertou este extraordinário interesse científico, as partículas de tamanho nanométrico são utilizadas num número extraordinariamente elevado de áreas científicas e industriais. A indústria farmacêutica também descobriu o elevado potencial deste material flexível e variável. Consequentemente, as nanopartículas estão presentes em diversas aplicações funcionais na indústria farmacêutica, que incluem:

• veiculação de fármacos (transportador)
• produtos de diagnóstico
• embalagem de produtos
• descoberta de biomarcadores