Tratamentul cu ultrasunete al nanoparticulelor pentru produse farmaceutice

Sonicatorii de tip sondă joacă un rol crucial în cercetarea și fabricarea farmaceutică, oferind un mijloc puternic și controlat de reducere a dimensiunii particulelor, perturbare celulară și omogenizare. Sonicators utilizează unde ultrasonice pentru a genera cavitație, rezultând în formarea și prăbușirea bulelor microscopice. Acest fenomen generează forțe intense de forfecare și unde de șoc, descompunând efectiv particulele sau perturbând celulele.

Iată câteva aspecte cheie ale utilizării sonicatorilor de tip sondă în aplicațiile farmaceutice:

• Reducerea dimensiunii particulelor: Sonda sonicatoare sunt folosite pentru a reduce dimensiunea particulelor de ingrediente farmaceutice active (APIs) sau alți compuși. O dimensiune mică și uniformă a particulelor este vitală pentru îmbunătățirea biodisponibilității, a ratelor de dizolvare și a eficacității globale a formulărilor farmaceutice.
• Întreruperea celulelor: În cercetarea biofarmaceutică, sonda sonicatori sunt utilizate pentru perturbarea celulelor pentru a elibera componente intracelulare. Acest lucru este deosebit de important pentru extracția proteinelor, enzimelor și a altor biomolecule din celulele microbiene sau din celulele de mamifere cultivate.
• Omogenizarea: Omogenizarea formulelor farmaceutice este esențială pentru asigurarea distribuției uniforme a ingredientelor. Sonda sonicatoare ajuta la obtinerea omogenitatii prin descompunerea aglomerate și dispersarea componentelor în mod egal.
• Formarea nanoemulsiei și lipozomilor: Sonicare este utilizat pentru a crea nanoemulsii stabile și lipozomi în formulări farmaceutice. Aceste sisteme de livrare la scară nanometrică sunt utilizate pentru livrarea medicamentelor pentru a spori solubilitatea și biodisponibilitatea.
• Controlul calității și optimizarea proceselor: Sonicare este un instrument valoros pentru controlul calității în fabricarea farmaceutică. Ajută la optimizarea proceselor prin asigurarea unei distribuții consistente a dimensiunii particulelor și a omogenității, contribuind la reproductibilitatea lot-lot.
• Formularea și dezvoltarea medicamentelor: În timpul formulării și dezvoltării medicamentului, sonda sonicatoare sunt utilizate pentru a prepara suspensii stabile, emulsii, sau dispersii. Acest lucru este esențial pentru proiectarea produselor farmaceutice cu proprietățile fizice și chimice dorite.

Nanomaterialele în produsele farmaceutice

Tehnologiile cu ultrasunete joacă un rol esențial în pregătirea, prelucrarea și funcționalizarea nanomaterialelor în cercetarea și fabricarea farmaceutică. Efectele intense ale ultrasunetelor de mare putere, inclusiv cavitația acustică, contribuie la ruperea aglomeratelor, dispersarea particulelor și emulsionarea nano-picăturilor. Hielscher sonicators de înaltă performanță oferă o soluție fiabilă și eficientă pentru standardele farmaceutice, asigurând producția sigură și facilitând extinderea fără eforturi suplimentare de optimizare.

Prelucrarea nanomaterialelor

Nanomaterialele, în special nanoparticulele, au revoluționat administrarea medicamentelor în produsele farmaceutice, oferind o metodă dovedită pentru administrarea agenților activi pe cale orală sau prin injectare. Această tehnologie sporește eficiența dozării și administrării medicamentelor, deschizând noi căi pentru tratamente medicale. Capacitatea de a furniza medicamente, căldură sau alte substanțe active direct celulelor specifice, în special celulelor bolnave, marchează un progres semnificativ.

În terapia cancerului, medicamentele nano-formulate au demonstrat rezultate promițătoare, valorificând avantajul particulelor de dimensiuni nano pentru a furniza doze mari de medicamente direct celulelor tumorale, maximizând efectele terapeutice în timp ce minimizează efectele secundare asupra altor organe. Dimensiunea nanometrică permite acestor particule să treacă prin pereții celulari și membrane, eliberând agenți activi exact la celulele vizate.

Prelucrarea nanomaterialelor, definite ca particule cu dimensiuni mai mici de 100nm, prezintă provocări care necesită eforturi mai mari. Cavitația cu ultrasunete apare ca o tehnologie bine stabilită pentru dezaglomerarea și dispersarea nanomaterialelor. Nanotuburile de carbon (CNT), în special nanotuburile de carbon cu pereți multipli (MWCNT) și nanotuburile de carbon cu pereți unici (SWCNT), prezintă proprietăți unice, oferind un volum interior mare pentru încapsularea moleculelor de medicament și suprafețe distincte pentru funcționalizare.
 

Producția sonochimică a SWCNTs. Pulberea de siliciu într-o soluție de amestec de ferocen-xilen a fost sonicată timp de 20 min. la temperatura camerei și sub presiune ambiantă. Sonicare produce SWCNTS de înaltă puritate pe suprafața pulberii de silice. (Jeong și colab. 2004)

Nanotuburile de carbon funcționalizate (f-CNT) joacă un rol crucial în îmbunătățirea solubilității, permițând direcționarea eficientă a tumorii și evitând citotoxicitatea. Tehnicile cu ultrasunete facilitează producția și funcționalizarea lor, ar fi metoda sonochimică pentru SWCNT de înaltă puritate. Mai mult, f-CNT-urile pot servi ca sisteme de livrare a vaccinurilor, legând antigenele de nanotuburile de carbon pentru a induce răspunsuri specifice ale anticorpilor.
Nanoparticulele ceramice derivate din silice, titan sau alumină prezintă suprafețe poroase, făcându-le purtători ideali de medicamente. Sinteza cu ultrasunete și precipitarea nanoparticulelor, utilizând sonochimia, oferă o abordare de jos în sus pentru prepararea compușilor nanodimensionați. Procesul îmbunătățește transferul de masă, rezultând dimensiuni mai mici ale particulelor și o uniformitate mai mare

Sinteza cu ultrasunete și precipitarea nanoparticulelor

Ultrasonication joacă un rol vital în funcționalizarea nanoparticulelor. Tehnica descompune eficient straturile limită din jurul particulelor, permițând noilor grupuri funcționale să ajungă la suprafața particulelor. De exemplu, funcționalizarea cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon cu pereți unici (SWCNTs) cu fragmente PL-PEG interferează cu absorbția celulară nespecifică, promovând în același timp absorbția celulară specifică pentru aplicațiile vizate.

Pentru a obține nanoparticule cu caracteristici și funcții specifice, suprafața particulelor trebuie modificată. Diverse nanosisteme, cum ar fi nanoparticule polimerice, lipozomi, dendrimeri, nanotuburi de carbon, puncte cuantice etc. pot fi funcționalizate cu succes pentru o utilizare eficientă în domeniul farmaceutic.

Exemplu practic de fuctionalizare a particulelor cu ultrasunete:

Funcționalizarea cu ultrasunete a SWCNTs de PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) a demonstrat că dispersia nanotuburilor de carbon cu pereți unici (SWNTs) prin ultrasonication cu fragmente fosfolipide-polietilenglicol (PL-PEG), interferând astfel cu capacitatea sa de a bloca absorbția nespecifică de către celule. Cu toate acestea, PL-PEG nefragmentat promovează absorbția celulară specifică a SWNTs vizate la două clase distincte de receptori exprimați de celulele canceroase. Tratamentul cu ultrasunete în prezența PL-PEG este o metodă comună utilizată pentru dispersarea sau funcționalizarea nanotuburilor de carbon, iar integritatea PEG este importantă pentru promovarea absorbției celulare specifice a nanotuburilor funcționalizate cu ligand. Deoarece fragmentarea este o consecință probabilă a ultrasonication, o tehnică frecvent utilizată pentru a dispersa SWNTs, aceasta poate fi o preocupare pentru anumite aplicații, ar fi livrarea de droguri.
 

Dispersia cu ultrasunete a SWCNTs cu PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Formarea lipozomilor cu ultrasunete

O altă aplicație reușită a ultrasunetelor este prepararea lipozomilor și nano-lipozomilor. Medicamentele bazate pe lipozomi și sistemele de livrare a genelor joacă un rol semnificativ în terapiile multiple, dar și în cosmetică și nutriție. Lipozomii sunt purtători buni, deoarece agenții activi solubili în apă pot fi plasați în centrul apos al lipozomilor sau, dacă agentul este solubil în grăsimi, în stratul lipidic. Lipozomii pot fi formați prin utilizarea ultrasunetelor. Materialul de bază pentru prepararea lipozomilor sunt moleculele amfilice, derivate sau bazate pe lipidele membranei biologice. Pentru formarea veziculelor unilamelare mici (SUV), dispersia lipidelor este sonicated ușor – de exemplu, cu ultrasonicator portabil UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter sau cu ultrasunete cup-horn. Durata unui astfel de tratament cu ultrasunete durează aproximativ 5 – 15 minute. O altă metodă de a produce vezicule unilamelare mici este sonicarea lipozomilor veziculelor multi-lamelare.
Dinu-Pirvu et al. (2010) raportează obținerea transferozomilor prin sonicarea MLV la temperatura camerei.
Hielscher Ultrasonics oferă diverse dispozitive cu ultrasunete, sonotrodes și accesorii pentru a satisface cerința de tot felul de procese.
Citiți mai multe despre extractul ultrasonically și încapsulat de Aloe vera!

Încapsularea cu ultrasunete a agenților în lipozomi

Lipozomii funcționează ca purtători pentru agenții activi. Ecografia este un instrument eficient pentru pregătirea și formarea lipozomilor pentru prinderea agenților activi. Înainte de încapsulare, lipozomii tind să formeze clustere datorită interacțiunii sarcină-sarcină de suprafață a capetelor polare fosfolipide (Míckova et al. 2008), în plus, acestea trebuie deschise. De exemplu, Zhu et al. (2003) descrie încapsularea pulberii de biotină în lipozomi prin ultrasonication. Ca pulbere de biotina a fost adăugat în soluția de suspensie veziculă, soluția a fost sonicated pentru aproximativ 1 oră. După acest tratament, biotina a fost prinsă în lipozomi.

Emulsii lipozomale

Pentru a spori efectul hrănitor al cremelor, loțiunilor, gelurilor și altor formulări cosmeceutice hidratante sau anti-îmbătrânire, emulgatorul este adăugat la dispersiile lipozomale pentru a stabiliza cantități mai mari de lipide. Dar investigațiile au arătat că capacitatea lipozomilor este în general limitată. Odată cu adăugarea de emulgatori, acest efect va apărea mai devreme, iar emulgatorii suplimentari determină o slăbire a afinității barierei fosfatidilcolinei. Nanoparticule – compus din fosfatidilcolină și lipide – sunt răspunsul la această problemă. Aceste nanoparticule sunt formate dintr-o picătură de ulei care este acoperită de un monostrat de fosfatidilcolină. Utilizarea nanoparticulelor permite formulări care sunt capabile să absoarbă mai multe lipide și să rămână stabile, astfel încât nu sunt necesari emulgatori suplimentari.
Ultrasonication este o metodă dovedită pentru producerea de nanoemulsii și nanodispersii. Ultrasunetele foarte intensive furnizează puterea necesară pentru a dispersa o fază lichidă (faza dispersată) în picături mici într-o a doua fază (faza continuă). În zona de dispersie, bulele de cavitație care implodează provoacă unde de șoc intense în lichidul înconjurător și duc la formarea de jeturi lichide cu viteză mare a lichidului. Pentru a stabiliza picăturile nou formate ale fazei dispersate împotriva coalescenței, emulgatorii (substanțe active de suprafață, agenți tensioactivi) și stabilizatorii sunt adăugați la emulsie. Deoarece coalescența picăturilor după întrerupere influențează distribuția finală a dimensiunii picăturilor, emulgatorii stabilizatori eficienți sunt utilizați pentru a menține distribuția finală a dimensiunii picăturilor la un nivel egal cu distribuția imediat după întreruperea picăturilor în zona de dispersie cu ultrasunete.

dispersii lipozomale

Dispersiile lipozomale, care se bazează pe fosfatidilclorură nesaturată, nu au stabilitate împotriva oxidării. Stabilizarea dispersiei poate fi realizată prin antioxidanți, cum ar fi printr-un complex de vitamine C și E.
Ortan et al. (2002) realizat în studiul lor privind prepararea cu ultrasunete a uleiului esențial Anethum graveolens în lipozomi rezultate bune. După sonicare, dimensiunea lipozomilor a fost între 70-150 nm, iar pentru MLV între 230-475 nm; aceste valori au fost aproximativ constante și după 2 luni, dar au încetat după 12 luni, în special în cazul dispersiei SUV (vezi histogramele de mai jos). Măsurarea stabilității, în ceea ce privește pierderea de ulei esențial și distribuția dimensiunilor, a arătat, de asemenea, că dispersiile lipozomale au menținut conținutul de ulei volatil. Acest lucru sugerează că prinderea uleiului esențial în lipozomi a crescut stabilitatea uleiului.
 

Stabilitatea dispersiilor MLV și SUV după 1 an. Formulările lipozomale au fost păstrate la 4±1 °C.(Studiu și grafic: ©Ortan et al., 2009):

 
Click aici pentru a citi mai multe despre pregătirea lipozomilor cu ultrasunete!

Sonicatoare de înaltă performanță pentru cercetarea și fabricarea farmaceutică

Hielscher Ultrasonics este furnizorul de top de înaltă calitate, sonicatori de înaltă performanță pentru cercetare și fabricarea de produse farmaceutice. Dispozitive în intervalul de la 50 wați până la 16.000 wați permit găsirea procesorului cu ultrasunete potrivit pentru fiecare volum și fiecare proces. Prin înalta performanță, fiabilitate, robustețe și operare ușoară, tratamentul cu ultrasunete este o tehnică esențială pentru prepararea și prelucrarea nanomaterialelor. Echipat cu CIP (clean-in-place) și SIP (sterilizare-în-loc), sonicatoare Hielscher garantează o producție sigură și eficientă în conformitate cu standardele farmaceutice. Toate procesele specifice cu ultrasunete pot fi ușor testate în laborator sau banc-top scară. Rezultatele acestor studii sunt complet reproductibile, astfel încât următoarea scalare este liniară și poate fi făcută cu ușurință fără eforturi suplimentare în ceea ce privește optimizarea procesului.

Hielscher Sonicators: Proiectare, Fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Literatură/Referințe