Precipitarea cu ultrasunete a superparticulelor de curcumină
- Deoarece turmericul conține doar 2-9 wt% curcuminoide, este necesară o tehnică eficientă de extracție sau de sinteză pentru a obține o pulbere cu potență medicală.
- Precipitarea antisolvent asistată de ultrasunete este o metodă foarte eficientă de sinteză a particulelor de curcumină.
- Precipitarea antisolvent cu ultrasunete poate fi extinsă cu ușurință la scară pentru producția unor cantități mari de curcumină de înaltă calitate.
Curcumina
Curcumina, un polifenol, este un medicament slab solubil în apă, care se găsește în condimentul vegetal turmeric (Curcuma longa). Conține antioxidanți foarte puternici și este cunoscută pentru proprietățile sale antiinflamatoare, anticanceroase, antifungice și antimicrobiene. În special datorită gamei largi de activități chemopreventive și chemoterapeutice, curcumina este utilizată ca un compus medicamentos preferat.
Ca antioxidant puternic, curcumina crește activitatea serică a antioxidanților precum superoxid dismutaza (SOD) și captează și neutralizează radicalii liberi, cum ar fi speciile reactive de oxigen și de azot (ROS și RNS). În plus, intensifică activitatea enzimelor antioxidante proprii ale organismului. Curcumina este, de asemenea, cunoscută pentru reducerea bolilor cardiace și îmbunătățirea funcției cerebrale. Datorită acestor multiple proprietăți medicinale benefice, curcumina este utilizată pe scară largă ca condiment, supliment și medicament.
Precipitarea cu antisolvent lichid asistată de ultrasunete
Precipitarea cu antisolvent lichid (LAS) asistată de ultrasunete este o tehnică de sinteză simplă și rapidă, într-un singur vas (one-pot), pentru producerea de nanoparticule de curcumină cu suprastructură ortorombică. Precipitarea antisolvent cu ultrasunete este un proces simplu, rapid și scalabil, care permite precipitarea curcuminei de înaltă calitate în industria farmaceutică și alimentară.
Mecanismul ipotetic de formare a superparticulelor de curcumină în absența și în prezența ultrasunetelor, fără stabilizatori. Imagine © 2014 Thorat et al.
Protocol de precipitare cu ultrasunete:
Pentru precipitarea cu ultrasunete a particulelor de curcumină, o soluție organică de curcumină în etanol (5 mg/mL) se adaugă în 100mL apă care conține surfactant (0,02 wt% în apă) sau fără surfactant. Ca vas de reacție se utilizează un vas de sticlă cu manta, cu un volum de aprox. 500mL, un diametru de 7cm și un raport L/D de 1,7. Temperatura amestecului este menținută constant la 1ºC. Pentru procesul de precipitare cu ultrasunete, sonotroda omogenizatorului cu ultrasunete, cum ar fi UP200Ht sau UP200St echipat cu o sonotrodă S26d14, este imersată în amestecul solvent-antisolvent. La o setare a amplitudinii de 100% și 10min. de sonicare, amestecul s-a dispersat.
Durata sonicării permite controlul polimorfismului cristalelor de curcumină. Atunci când durata sonicării este prelungită, procentul de particule ortorombice crește. Aceasta indică faptul că o creștere a energiei ultrasonice favorizează formarea formei ortorombice în detrimentul formei monoclinice, indiferent de aditivul utilizat.
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – procesor cu ultrasunete de 1kW pentru precipitarea API-urilor
Biodisponibilitate îmbunătățită prin încapsulare cu ultrasunete
Deoarece curcumina este o moleculă lipofilă și slab solubilă în apă (= hidrofobă), are o biodisponibilitate sistemică scăzută. Prin urmare, este necesară prepararea unor formulări de curcumină care să îi îmbunătățească biodisponibilitatea. Pentru prepararea soluțiilor apoase de curcumină se adaugă surfactanți, lipide, albumine, ciclodextrine, biopolimeri etc., pentru a încapsula sau a încărca moleculele de curcumină în lipozomi, nanoparticule și alți purtători de medicamente.
Ultrasonicarea este o tehnică foarte eficientă și fiabilă pentru formularea purtătorilor de medicamente, precum lipozomi, nanoparticule de tip core-shell, biopolimeri și emulsii duble! Mai jos găsiți un exemplu de protocol pentru încapsularea cu ultrasunete a curcuminei.
Protocol de încapsulare a curcuminei cu ultrasunete:
Nanoparticule de acid polilactic-co-glicolic (PLGA) încărcate cu curcumină
- Mai întâi, polimerul PLGA se dizolvă în acetat de etil. Se adaugă curcumină (15% w/w) și se lasă să se dizolve, agitând soluția intermitent pe vortex.
- Amestecul solid-în-ulei se adaugă la o fază apoasă de PVA (w/v) pentru a forma o emulsie S-O/W. Apoi, soluția de medicament/polimer în PVA este agitată pe vortex la 8.000 rpm.
- Soluția rezultată este sonicată timp de aprox. 300sec la o amplitudine de 45% cu un omogenizator cu ultrasunete, cum ar fi UP200Ht sau UP200St (200W, 26kHz). Imediat după sonicare, emulsia se toarnă în faza apoasă (0,1% PVA în apă; 200mL) pentru difuzie, sub agitare rapidă cu un agitator magnetic.
- Această suspensie coloidală este agitată continuu cu un agitator magnetic până la evaporarea completă a solventului. Apoi, nanoparticulele sunt colectate prin centrifugare și spălate de 3 ori cu apă distilată Milli Q. În final, acestea sunt resuspendate în soluție crioprotectoare (zaharoză (2 %w/w) și trehaloză (5% w/w)), uscate pe un sistem de liofilizare ATR FD3.0 și pot fi depozitate la 4°C timp de cel puțin 6 luni.
[cf. Ranjan et al. 2012]
Procesoare cu ultrasunete pentru precipitarea și formularea curcuminei
Hielscher Ultrasonics oferă echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță pentru sinteza nanoparticulelor (de ex. API-uri) și extracția compușilor botanici. Gama noastră de produse include ultrasonicatoare sofisticate de laborator, de banc și industriale, care permit dezvoltarea aplicațiilor de la scară mică până la scară comercială. Toate rezultatele obținute în testele de laborator și pilot pot fi scalate complet liniar la nivelul producției comerciale. Toate sistemele sunt construite pentru funcționare 24/7, sunt robuste și ușor de utilizat.
Seria UIPxxxxhdT cuprinde sistemele noastre cu ultrasunete de calitate industrială, care pot fi utilizate pentru aplicații de banc, optimizarea proceselor și producția industrială. Sistemele noastre industriale sunt disponibile în variantele 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) și 16.000W (UIP16000, cel mai puternic ultrasonicator din lume). Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot funcționa continuu 24/7 la amplitudini foarte mari, de până la 200µm. Pentru amplitudini și mai mari, Hielscher oferă sonotrode cu ultrasunete personalizate. Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite o funcționare fiabilă non-stop, în regim de lucru intens și în medii solicitante.
Pentru toate sistemele noastre cu ultrasunete oferim o gamă largă de accesorii, precum sonotrode, amplificatoare (booster horns), celule de flux și reactoare de diverse dimensiuni, forme și geometrii. Cu aceste instrumente, procesoarele noastre cu ultrasunete pot fi adaptate cu ușurință, în mod optim, la condițiile de proces necesare.
Pentru precipitare și sinteza de jos în sus (bottom-up), Hielscher oferă un insert unic pentru celule de flux – MultiphaseCavitator MPC48. Cu MultiphaseCavitator, a doua fază (antisolventul) este injectată prin 48 de canule fine direct în zona de cavitație ultrasonică, unde este amestecată în prima fază în câteva milisecunde. Ca rezultat, se precipită nanoparticule omogene.
Sonicare puternică, de la laborator și banc până la producția industrială.
Literatură de specialitate/Referințe
- Hewlings, S.J.; Kalman, DS (2017): Curcumina: o revizuire a efectelor sale asupra sănătății umane. Alimente. 2017 octombrie; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Particle formation pathways and polymorphism of curcumin induced by ultrasound and additives during liquid antisolvent precipitation. CrystEngComm, 2014, 16, 11.102-11.114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Extinderea, optimizarea și analiza stabilității nanoparticulelor încărcate cu complexul Curcumin C3 pentru terapia cancerului. Journal of Nanobiotechnology 2012, 10:38.
Informații utile
Curcumina
Curcumina este un compus chimic de culoare galbenă, care se găsește în turmeric. Turmericul este o plantă erbacee perenă rizomatoasă (Curcuma longa) din familia ghimbirului. Curcumina este un polifenol care se extrage din rizomi și este utilizat pe scară largă ca condiment. În funcție de origine și de condițiile solului în care este cultivat, turmericul conține 2%–9% curcuminoide. Curcumina este principalul curcuminoid al turmericului (Curcuma longa, Zingiberaceae). Este utilizată ca supliment, compus medicinal, aditiv alimentar de aromatizare și colorare, precum și ca ingredient cosmetic.
O formă purificată de curcumină, care constă doar din următoarele trei componente principale – curcumină, bisdemetoxicurcumină și demetoxicurcumină –, este denumită și complex de curcumină C3. Curcumina pură poate fi separată din amestecul C3 de curcumină, bisdemetoxi curcumină și demetoxi curcumină prin cromatografie pe coloană.
În ceea ce privește proprietățile farmacologice, curcumina pură, nemodificată, are o mare problemă: din cauza solubilității slabe în apă și, prin urmare, a biodisponibilității scăzute, curcumina nemodificată nu își poate manifesta efectele terapeutice, ci este metabolizată rapid în ficat și în peretele intestinal. Pentru a depăși rata scăzută de absorbție a curcuminei, moleculele active sunt încapsulate în nanopurtători (de ex. lipozomi, nanosfere) sau încărcate pe nanocomplexe (de ex. nanoparticule, complecși de fosfolipide, ciclodextrine și dispersii solide). În plus, biodisponibilitatea curcuminei poate fi crescută cu aprox. 2000% atunci când doza sa este combinată cu piperină, un extract de piper negru.
Datorită acestor fapte, curcumina nanoformulată (nanocurcumina) este forma de dozare preferată a curcuminei, deoarece curcumina sub formă nano depășește problemele de administrare a medicamentului menționate anterior. Nanocurcumina își poate manifesta proprietățile terapeutice datorită livrării îmbunătățite către țesutul afectat, internalizării mai bune și eliminării sistemice reduse.
Curcumina este disponibilă în multiple forme de administrare, inclusiv pulberi, capsule, tablete, unguente, băuturi nutritive și creme cosmetice.
Aplicațiile medicale ale curcuminei
Curcumina a fost investigată pe larg pentru multiplele sale forme de utilizare în medicină și nutriție. Cercetările au arătat că curcumina are o activitate antioxidantă ridicată, care induce apoptoza celulară, inhibă proliferarea celulară, are efecte anti-adeziune și anti-motilitate celulară și oferă proprietăți antiangiogenice și antimicrobiene. Datorită acestor efecte, curcumina este aplicată ca medicament pentru tratarea diverselor boli inflamatorii, cancere, boli neurodegenerative, boli cardiovasculare, precum și a diabetului.
Formele de nanoadministrare preparate cu ultrasunete ale curcuminei pentru terapia medicală includ nanoparticule, lipozomi, micele, nanoemulsii, complecși cu ciclodextrine, nanodiscuri, nanofibre, nanoparticule lipidice solide și conjugați de curcumină. Aceste forme de dozare de dimensiuni nano depășesc biodisponibilitatea scăzută a curcuminei și permit livrarea țintită și eficientă a unui medicament pe bază de curcumină foarte potent.
Structura chimică a curcuminei
Curcumina este o moleculă simetrică, cunoscută și sub denumirea de diferuloilmetan. Denumirea IUPAC a curcuminei este (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, cu formula chimică C21H20O6. Cristalele de curcumină pot apărea în diferite forme, cum ar fi forma monoclinică (aciculară), ortorombică (asemănătoare boabelor de orez) și amorfă.