Tratarea cu ultrasunete a nanoparticulelor pentru industria farmaceutică

Sonicatoarele cu sondă joacă un rol crucial în cercetarea și producția farmaceutică, oferind un mijloc puternic și controlat de a realiza reducerea dimensiunii particulelor, dezintegrarea celulelor și omogenizarea. Sonicatoarele utilizează unde ultrasonice pentru a genera cavitație, ceea ce duce la formarea și implozia unor bule microscopice. Acest fenomen generează forțe intense de forfecare și unde de șoc, care fragmentează eficient particulele sau dezintegrează celulele.

Iată câteva aspecte esențiale ale utilizării sonicatoarelor cu sondă în aplicațiile farmaceutice:

• Reducerea dimensiunii particulelor: Sonicatoarele cu sondă sunt utilizate pentru a reduce dimensiunea particulelor ingredientelor farmaceutice active (API) sau ale altor compuși. O dimensiune mică și uniformă a particulelor este vitală pentru îmbunătățirea biodisponibilității, a vitezei de dizolvare și a eficacității generale a formulărilor farmaceutice.
• Dezintegrarea celulelor: În cercetarea biofarmaceutică, sonicatoarele cu sondă sunt utilizate pentru dezintegrarea celulelor în vederea eliberării componentelor intracelulare. Acest lucru este deosebit de important pentru extracția proteinelor, enzimelor și a altor biomolecule din celule microbiene sau din celule de mamifere cultivate.
• Omogenizare: Omogenizarea formulărilor farmaceutice este esențială pentru asigurarea distribuției uniforme a ingredientelor. Sonicatoarele cu sondă contribuie la obținerea omogenității prin fragmentarea aglomeratelor și dispersarea uniformă a componentelor.
• Formarea nanoemulsiilor și a lipozomilor: Sonicarea este utilizată pentru a crea nanoemulsii și lipozomi stabili în formulările farmaceutice. Aceste sisteme de livrare la scară nanometrică sunt utilizate pentru livrarea medicamentelor, în scopul creșterii solubilității și biodisponibilității.
• Controlul calității și optimizarea proceselor: Sonicarea este un instrument valoros pentru controlul calității în producția farmaceutică. Ea ajută la optimizarea proceselor prin asigurarea unei distribuții constante a dimensiunii particulelor și a omogenității, contribuind la reproductibilitatea de la un lot la altul.
• Formularea și dezvoltarea medicamentelor: În timpul formulării și dezvoltării medicamentelor, sonicatoarele cu sondă sunt utilizate pentru a prepara suspensii, emulsii sau dispersii stabile. Acest lucru este critic pentru proiectarea unor produse farmaceutice cu proprietățile fizice și chimice dorite.

Nanomateriale în industria farmaceutică

Tehnologiile cu ultrasunete joacă un rol central în prepararea, procesarea și funcționalizarea nanomaterialelor în cercetarea și producția farmaceutică. Efectele intense ale ultrasunetelor de mare putere, inclusiv cavitația acustică, contribuie la fragmentarea aglomeratelor, dispersarea particulelor și emulsionarea nanopicăturilor. Sonicatoarele de înaltă performanță Hielscher oferă o soluție fiabilă și eficientă pentru standardele farmaceutice, asigurând o producție sigură și facilitând extinderea la scară fără eforturi suplimentare de optimizare.

Procesarea nanomaterialelor

Nanomaterialele, în special nanoparticulele, au revoluționat livrarea medicamentelor în industria farmaceutică, oferind o metodă dovedită de administrare a agenților activi pe cale orală sau prin injecție. Această tehnologie crește eficiența dozării și livrării medicamentelor, deschizând noi căi pentru tratamentele medicale. Capacitatea de a livra medicamente, căldură sau alte substanțe active direct către anumite celule, în special către celulele bolnave, marchează un progres semnificativ.

În terapia cancerului, medicamentele nanoformulate au demonstrat rezultate promițătoare, valorificând avantajul particulelor de dimensiuni nanometrice de a livra doze mari de medicament direct în celulele tumorale, maximizând efectele terapeutice și minimizând totodată efectele secundare asupra altor organe. Dimensiunea nanometrică permite acestor particule să treacă prin pereții și membranele celulare, eliberând agenții activi exact la nivelul celulelor țintă.

Procesarea nanomaterialelor, definite ca particule cu dimensiuni mai mici de 100nm, ridică provocări care necesită eforturi mai mari. Cavitația ultrasonică se impune ca o tehnologie bine consacrată pentru dezaglomerarea și dispersarea nanomaterialelor. Nanotuburile de carbon (CNTs), în special nanotuburile de carbon cu pereți multipli (MWCNTs) și nanotuburile de carbon cu perete simplu (SWCNTs), prezintă proprietăți unice, oferind un volum interior mare pentru încapsularea moleculelor de medicament și suprafețe distincte pentru funcționalizare.

Producția sonochimică de SWCNTs. Pulberea de silice dintr-o soluție de amestec ferocen-xilen a fost sonicată timp de 20 min. la temperatura camerei și la presiune ambientală. Sonicarea produce SWCNTS de înaltă puritate pe suprafața pulberii de silice. (Jeong et al. 2004)

Nanotuburile de carbon funcționalizate (f-CNTs) joacă un rol crucial în creșterea solubilității, în asigurarea unei țintiri eficiente a tumorilor și în evitarea citotoxicității. Tehnicile cu ultrasunete facilitează producerea și funcționalizarea lor, cum ar fi metoda sonochimică pentru SWCNTs de înaltă puritate. În plus, f-CNTs pot servi drept sisteme de livrare a vaccinurilor, legând antigene de nanotuburile de carbon pentru a induce răspunsuri specifice de anticorpi.
Nanoparticulele ceramice derivate din silice, dioxid de titan sau alumină prezintă suprafețe poroase, ceea ce le face purtători ideali de medicamente. Sinteza și precipitarea nanoparticulelor cu ultrasunete, utilizând sonochimia, oferă o abordare de tip bottom-up (de jos în sus) pentru prepararea compușilor de dimensiuni nanometrice. Procesul îmbunătățește transferul de masă, rezultând particule de dimensiuni mai mici și o uniformitate mai mare

Sinteza și precipitarea nanoparticulelor cu ultrasunete

Ultrasonicarea joacă un rol vital în funcționalizarea nanoparticulelor. Tehnica fragmentează eficient straturile limită din jurul particulelor, permițând noilor grupări funcționale să ajungă la suprafața particulelor. De exemplu, funcționalizarea cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon cu perete simplu (SWCNTs) cu fragmente de PL-PEG interferează cu preluarea celulară nespecifică, promovând în același timp preluarea celulară specifică pentru aplicații țintite.

Pentru a obține nanoparticule cu caracteristici și funcții specifice, suprafața particulelor trebuie modificată. Diverse nanosisteme, precum nanoparticulele polimerice, lipozomii, dendrimerii, nanotuburile de carbon, punctele cuantice etc., pot fi funcționalizate cu succes pentru o utilizare eficientă în farmaceutică.

Exemplu practic de funcționalizare a particulelor cu ultrasunete:

Funcționalizarea cu ultrasunete a SWCNTs cu PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) au demonstrat că dispersarea nanotuburilor de carbon cu perete simplu (SWNTs) prin ultrasonicare cu fosfolipid-polietilenglicol (PL-PEG) fragmentează PL-PEG-ul, interferând astfel cu capacitatea acestuia de a bloca preluarea nespecifică de către celule. Cu toate acestea, PL-PEG nefragmentat promovează preluarea celulară specifică a SWNTs țintite către două clase distincte de receptori exprimați de celulele canceroase. Tratamentul cu ultrasunete în prezența PL-PEG este o metodă frecvent utilizată pentru dispersarea sau funcționalizarea nanotuburilor de carbon, iar integritatea PEG este importantă pentru promovarea preluării celulare specifice a nanotuburilor funcționalizate cu liganzi. Deoarece fragmentarea este o consecință probabilă a ultrasonicării, o tehnică utilizată frecvent pentru dispersarea SWNTs, acest lucru poate reprezenta o problemă pentru anumite aplicații, cum ar fi livrarea medicamentelor.

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

Formarea lipozomilor cu ultrasunete

O altă aplicație de succes a ultrasunetelor este prepararea lipozomilor și a nanolipozomilor. Sistemele de livrare a medicamentelor și a genelor bazate pe lipozomi joacă un rol semnificativ în numeroase terapii, 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 liposolubil, în stratul lipidic. Lipozomii pot fi formați prin utilizarea ultrasunetelor. Materialul de bază pentru prepararea lipozomilor îl constituie moleculele amfilice derivate din lipidele membranelor biologice sau bazate pe acestea. Pentru formarea veziculelor unilamelare mici (SUV), dispersia lipidică este sonicată delicat – de ex. cu ultrasonicatorul UP50H ținut în mână (50W, 30kHz), cu VialTweeter sau cu un CupHorn ultrasonic. Durata unui astfel de tratament cu ultrasunete este de aprox. 5 – 15 minute. O altă metodă de producere a veziculelor unilamelare mici este sonicarea lipozomilor de tip vezicule multilamelare.
Dinu-Pirvu et al. (2010) raportează obținerea transferozomilor prin sonicarea MLVs la temperatura camerei.
Hielscher Ultrasonics oferă diverse dispozitive cu ultrasunete, sonotrode și accesorii pentru a răspunde cerințelor tuturor tipurilor de procese.
Citiți mai multe despre extractul de Aloe vera extras și încapsulat cu ultrasunete!

Încapsularea agenților în lipozomi cu ultrasunete

Lipozomii funcționează ca purtători pentru agenții activi. Ultrasunetele sunt un instrument eficient pentru prepararea și formarea lipozomilor în vederea înglobării agenților activi. Înainte de încapsulare, lipozomii tind să formeze clustere din cauza interacțiunii sarcină-sarcină de suprafață a capetelor polare ale fosfolipidelor (Míckova et al. 2008); în plus, aceștia trebuie deschiși. De exemplu, Zhu et al. (2003) descriu încapsularea pulberii de biotină în lipozomi prin ultrasonicare. După ce pulberea de biotină a fost adăugată în soluția de suspensie de vezicule, soluția a fost sonicată timp de aprox. 1 oră. După acest tratament, biotina a fost înglobată în lipozomi.

Emulsii lipozomale

Pentru a spori efectul nutritiv al cremelor hidratante sau anti-îmbătrânire, al loțiunilor, gelurilor și al altor formulări cosmeceutice, se adaugă emulgatori în dispersiile lipozomale pentru a stabiliza cantități mai mari de lipide. Însă investigațiile au arătat că capacitatea lipozomilor este în general limitată. Prin adăugarea de emulgatori, acest efect va apărea mai devreme, iar emulgatorii suplimentari provoacă o slăbire a afinității pentru barieră a fosfatidilcolinei. Nanoparticulele – compuse din fosfatidilcolină și lipide – reprezintă soluția acestei probleme. Aceste nanoparticule sunt formate dintr-o picătură de ulei acoperită de un monostrat de fosfatidilcolină. Utilizarea nanoparticulelor permite obținerea unor formulări capabile să absoarbă mai multe lipide și să rămână stabile, astfel încât emulgatorii suplimentari nu mai sunt necesari.
Ultrasonicarea este o metodă dovedită pentru producerea nanoemulsiilor și a nanodispersiilor. Ultrasunetele de mare intensitate furnizează puterea necesară pentru a dispersa o fază lichidă (faza dispersată) sub formă de picături mici într-o a doua fază (faza continuă). În zona de dispersare, bulele de cavitație care implodează provoacă unde de șoc intense în lichidul înconjurător și duc la formarea unor jeturi de lichid cu viteză mare a lichidului. Pentru a stabiliza picăturile nou formate ale fazei dispersate împotriva coalescenței, se adaugă în emulsie emulgatori (substanțe tensioactive, surfactanți) și stabilizatori. Deoarece coalescența picăturilor după fragmentare influențează distribuția finală a dimensiunii picăturilor, se utilizează emulgatori cu efect stabilizator eficient pentru a menține distribuția finală a dimensiunii picăturilor la un nivel egal cu distribuția imediat după fragmentarea picăturilor în zona de dispersare ultrasonică.

Dispersii lipozomale

Dispersiile lipozomale, care au la bază phosphatidylchlorine nesaturată, au o stabilitate insuficientă față de oxidare. Stabilizarea dispersiei poate fi realizată cu antioxidanți, de exemplu cu un complex de vitamine C și E.
Ortan et al. (2002) au obținut rezultate bune în studiul lor privind prepararea cu ultrasunete a uleiului esențial de Anethum graveolens în lipozomi. După sonicare, dimensiunea lipozomilor a fost cuprinsă între 70–150 nm, iar pentru MLV între 230–475 nm; aceste valori au rămas aproximativ constante și după 2 luni, dar au crescut după 12 luni, în special în dispersia SUV (consultați histogramele de mai jos). Măsurarea stabilității, privind pierderea de ulei esențial și distribuția dimensiunilor, a arătat de asemenea că dispersiile lipozomale au menținut conținutul de ulei volatil. Acest lucru sugerează că înglobarea uleiului esențial în lipozomi a crescut stabilitatea uleiului.

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

 
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre prepararea lipozomilor cu ultrasunete!

Sonicatoare de înaltă performanță pentru cercetarea și producția farmaceutică

Hielscher Ultrasonics este furnizorul dumneavoastră de top de sonicatoare de înaltă calitate și înaltă performanță pentru cercetarea și producția de produse farmaceutice. Dispozitivele din gama de la 50 de wați până la 16.000 de wați permit găsirea procesorului ultrasonic potrivit pentru fiecare volum și fiecare proces. Datorită performanței ridicate, fiabilității, robusteții și ușurinței în utilizare, tratamentul cu ultrasunete este o tehnică esențială pentru prepararea și procesarea nanomaterialelor. Echipate cu CIP (clean-in-place – curățare la fața locului) și SIP (sterilize-in-place – sterilizare la fața locului), sonicatoarele Hielscher garantează o producție sigură și eficientă conform standardelor farmaceutice. Toate procesele ultrasonice specifice pot fi testate cu ușurință la scară de laborator sau de banc. Rezultatele acestor teste sunt complet reproductibile, astfel încât extinderea ulterioară la scară este liniară și poate fi realizată cu ușurință, fără eforturi suplimentare privind optimizarea procesului.

Sonicatoare Hielscher: proiectare, producție și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și ușurința în utilizare permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Literatură/Referințe

• 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.

Ultrasunetele sunt o tehnologie inovatoare, utilizată cu succes pentru sinteza sonochimică, dezaglomerarea, dispersarea, emulsionarea, funcționalizarea și activarea particulelor. În special în nanotehnologie, ultrasonicarea este o tehnică esențială pentru sinteza și procesarea materialelor de dimensiuni nanometrice. Deoarece nanotehnologia a câștigat acest interes științific remarcabil, particulele de dimensiuni nanometrice sunt utilizate într-un număr extraordinar de mare de domenii științifice și industriale. Industria farmaceutică a descoperit, de asemenea, potențialul ridicat al acestui material flexibil și variabil. În consecință, nanoparticulele sunt implicate în diverse aplicații funcționale din industria farmaceutică, printre care:

• livrarea medicamentelor (purtător)
• produse de diagnostic
• ambalarea produselor
• descoperirea biomarkerilor