Ультразвуковая обработка наночастиц для фармацевтики

Ультразвуковые аппараты зондового типа играют важнейшую роль в фармацевтических исследованиях и производстве, обеспечивая мощное и контролируемое средство уменьшения размера частиц, разрушения клеток и гомогенизации. Ультразвуковые аппараты используют ультразвуковые волны для создания кавитации, при которой образуются и схлопываются микроскопические пузырьки. Это явление создает интенсивные силы сдвига и ударные волны, эффективно измельчая частицы или разрушая клетки.

Ниже приведены некоторые ключевые аспекты применения ультразвуковых аппаратов зондового типа в фармацевтике:

• Уменьшение размера частиц: Ультразвуковые аппараты зондового типа применяют для уменьшения размера частиц активных фармацевтических ингредиентов (API) или других соединений. Малый и однородный размер частиц крайне важен для повышения биодоступности, скорости растворения и общей эффективности фармацевтических составов.
• Разрушение клеток: В биофармацевтических исследованиях ультразвуковые аппараты зондового типа используют для разрушения клеток с целью высвобождения внутриклеточных компонентов. Это особенно важно для извлечения белков, ферментов и других биомолекул из микробных клеток или культивируемых клеток млекопитающих.
• Гомогенизация: Гомогенизация фармацевтических составов необходима для обеспечения равномерного распределения ингредиентов. Ультразвуковые аппараты зондового типа помогают добиться однородности, разрушая агломераты и равномерно диспергируя компоненты.
• Получение наноэмульсий и липосом: Обработку ультразвуком используют для создания стабильных наноэмульсий и липосом в фармацевтических составах. Эти наноразмерные системы доставки применяют для доставки лекарственных веществ с целью повышения растворимости и биодоступности.
• Контроль качества и оптимизация процессов: Обработка ультразвуком является ценным инструментом контроля качества в фармацевтическом производстве. Она помогает оптимизировать процессы, обеспечивая стабильное распределение частиц по размерам и однородность, что способствует воспроизводимости от партии к партии.
• Разработка лекарственных препаратов и их составов: При разработке лекарственных препаратов и их составов ультразвуковые аппараты зондового типа используют для приготовления стабильных суспензий, эмульсий или дисперсий. Это крайне важно для создания фармацевтических продуктов с требуемыми физическими и химическими свойствами.

Наноматериалы в фармацевтике

Ультразвуковые технологии играют ключевую роль в получении, обработке и функционализации наноматериалов в фармацевтических исследованиях и производстве. Интенсивное воздействие ультразвука высокой мощности, включая акустическую кавитацию, способствует разрушению агломератов, диспергированию частиц и эмульгированию нанокапель. Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают надежное и эффективное решение, соответствующее фармацевтическим стандартам, гарантируя безопасное производство и облегчая масштабирование без дополнительных усилий по оптимизации.

Обработка наноматериалов

Наноматериалы, особенно наночастицы, произвели революцию в доставке лекарственных веществ в фармацевтике, предложив проверенный метод введения действующих веществ перорально или посредством инъекций. Эта технология повышает эффективность дозирования и доставки лекарственных веществ, открывая новые возможности для лечения. Возможность доставлять лекарства, тепло или другие активные вещества непосредственно к определенным клеткам, особенно пораженным, представляет собой значительный шаг вперед.

В терапии рака препараты в наноразмерной форме продемонстрировали многообещающие результаты, используя преимущество наноразмерных частиц для доставки высоких доз лекарственных веществ непосредственно к опухолевым клеткам, максимизируя терапевтический эффект и одновременно минимизируя побочные эффекты в других органах. Наноразмер позволяет этим частицам проходить через клеточные стенки и мембраны, высвобождая действующие вещества точно у целевых клеток.

Обработка наноматериалов, определяемых как частицы с размерами менее 100nm, сопряжена с трудностями, требующими повышенных усилий. Ультразвуковая кавитация представляет собой хорошо зарекомендовавшую себя технологию деагломерации и диспергирования наноматериалов. Углеродные нанотрубки (CNTs), особенно многостенные углеродные нанотрубки (MWCNTs) и одностенные углеродные нанотрубки (SWCNTs), обладают уникальными свойствами, обеспечивая большой внутренний объем для инкапсуляции молекул лекарственных веществ и особые поверхности для функционализации.
 

Сонохимическое получение SWCNTs. Порошок диоксида кремния в растворе смеси ферроцена и ксилола обрабатывали ультразвуком в течение 20 мин. при комнатной температуре и атмосферном давлении. Обработка ультразвуком позволяет получать SWCNTS высокой чистоты на поверхности порошка диоксида кремния. (Jeong et al. 2004)

Функционализированные углеродные нанотрубки (f-CNTs) играют важнейшую роль в повышении растворимости, обеспечении эффективного нацеливания на опухоль и предотвращении цитотоксичности. Ультразвуковые методы облегчают их получение и функционализацию, например сонохимический метод получения SWCNTs высокой чистоты. Кроме того, f-CNTs могут служить системами доставки вакцин, связывая антигены с углеродными нанотрубками для индукции специфических антительных ответов.
Керамические наночастицы, получаемые из диоксида кремния, диоксида титана или оксида алюминия, имеют пористую поверхность, что делает их идеальными носителями лекарственных веществ. Ультразвуковой синтез и осаждение наночастиц с использованием сонохимии обеспечивают подход «снизу вверх» к получению наноразмерных соединений. Этот процесс усиливает массоперенос, обеспечивая меньшие размеры частиц и более высокую однородность

Ультразвуковой синтез и осаждение наночастиц

Обработка ультразвуком играет важную роль в функционализации наночастиц. Этот метод эффективно разрушает пограничные слои вокруг частиц, позволяя новым функциональным группам достигать поверхности частиц. Например, ультразвуковая функционализация одностенных углеродных нанотрубок (SWCNTs) фрагментами PL-PEG препятствует неспецифическому поглощению клетками, одновременно способствуя специфическому клеточному поглощению для целевых применений.

Для получения наночастиц с определенными характеристиками и функциями необходимо модифицировать их поверхность. Различные наносистемы, такие как полимерные наночастицы, липосомы, дендримеры, углеродные нанотрубки, квантовые точки и т. д., могут быть успешно функционализированы для эффективного применения в фармацевтике.

Практический пример ультразвуковой Fuctionalization частиц:

Ультразвуковая функционализация SWCNTs с помощью PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) продемонстрировали, что диспергирование одностенных углеродных нанотрубок (SWNTs) посредством обработки ультразвуком с фосфолипидом–полиэтиленгликолем (PL-PEG) вызывает его фрагментацию, тем самым препятствуя его способности блокировать неспецифическое поглощение клетками. Однако нефрагментированный PL-PEG способствует специфическому клеточному поглощению SWNTs, нацеленных на два разных класса рецепторов, экспрессируемых раковыми клетками. Обработка ультразвуком в присутствии PL-PEG является распространенным методом диспергирования или функционализации углеродных нанотрубок, а целостность PEG важна для содействия специфическому клеточному поглощению нанотрубок, функционализированных лигандами. Поскольку фрагментация является вероятным следствием обработки ультразвуком, метода, широко используемого для диспергирования SWNTs, это может вызывать опасения при определенных применениях, таких как доставка лекарственных веществ.
 

Ультразвуковое диспергирование SWCNTs с PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ультразвуковое получение липосом

Еще одним успешным применением ультразвука является получение липосом и нанолипосом. Системы доставки лекарственных веществ и генов на основе липосом играют значительную роль в разнообразных видах терапии, а также в косметике и питании. Липосомы являются хорошими носителями, поскольку водорастворимые действующие вещества можно помещать в водную центральную область липосом, а жирорастворимые – в липидный слой. Липосомы можно получать с помощью ультразвука. Основным материалом для получения липосом служат молекулы amphilic, производные липидов биологических мембран или созданные на их основе. Для получения малых однослойных везикул (SUV) липидную дисперсию подвергают мягкой обработке ультразвуком – например, с помощью ручного ультразвукового аппарата UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter или ультразвукового чашечного излучателя. Продолжительность такой обработки ультразвуком составляет примерно 5 – 15 минут. Другой метод получения малых однослойных везикул – обработка ультразвуком липосом в форме многослойных везикул.
Dinu-Pirvu et al. (2010) сообщают о получении трансферосом путем обработки MLVs ультразвуком при комнатной температуре.
Hielscher Ultrasonics предлагает различные ультразвуковые устройства, сонотроды и принадлежности для удовлетворения требований любых процессов.
Узнайте больше об экстракте Aloe vera, полученном и инкапсулированном с помощью ультразвука!

Ультразвуковая инкапсуляция действующих веществ в липосомы

Липосомы служат носителями действующих веществ. Ультразвук является эффективным инструментом получения и формирования липосом для включения действующих веществ. Перед инкапсуляцией липосомы склонны образовывать скопления из-за взаимодействия поверхностных зарядов полярных головок фосфолипидов (Míckova et al. 2008); кроме того, их необходимо раскрыть. Например, Zhu et al. (2003) описывают инкапсуляцию порошка биотина в липосомы посредством обработки ультразвуком. После добавления порошка биотина в раствор с суспензией везикул раствор обрабатывали ультразвуком в течение примерно 1 часа. После этой обработки биотин был включен в липосомы.

Липосомальные эмульсии

Для усиления ухаживающего действия увлажняющих или антивозрастных кремов, лосьонов, гелей и других космецевтических составов в липосомальные дисперсии добавляют эмульгаторы, чтобы стабилизировать большее количество липидов. Однако исследования показали, что возможности липосом в целом ограничены. При добавлении эмульгаторов этот эффект проявляется раньше, а дополнительные эмульгаторы ослабляют сродство фосфатидилхолина к барьеру. Наночастицы – состоящие из фосфатидилхолина и липидов – являются решением этой проблемы. Эти наночастицы образованы каплей масла, покрытой монослоем фосфатидилхолина. Применение наночастиц позволяет создавать составы, способные поглощать больше липидов и сохранять стабильность, благодаря чему дополнительные эмульгаторы не требуются.
Обработка ультразвуком является проверенным методом получения наноэмульсий и нанодисперсий. Ультразвук высокой интенсивности обеспечивает мощность, необходимую для диспергирования жидкой фазы (дисперсной фазы) в виде мелких капель во второй фазе (непрерывной фазе). В зоне диспергирования схлопывающиеся кавитационные пузырьки вызывают интенсивные ударные волны в окружающей жидкости и приводят к образованию жидкостных струй с высокой скоростью движения жидкости. Для стабилизации вновь образованных капель дисперсной фазы и предотвращения их коалесценции в эмульсию добавляют эмульгаторы (поверхностно-активные вещества, ПАВ) и стабилизаторы. Поскольку коалесценция капель после дробления влияет на конечное распределение капель по размерам, используют эмульгаторы с эффективным стабилизирующим действием, чтобы поддерживать конечное распределение капель по размерам на уровне, соответствующем распределению непосредственно после дробления капель в зоне ультразвукового диспергирования.

Липосомальные дисперсии

Липосомальные дисперсии на основе ненасыщенного phosphatidylchlorine недостаточно устойчивы к окислению. Стабилизации дисперсии можно добиться с помощью антиоксидантов, например комплекса витаминов C и E.
Ortan et al. (2002) получили хорошие результаты в своем исследовании ультразвукового приготовления эфирного масла Anethum graveolens в липосомах. После обработки ультразвуком размеры липосом составляли 70–150 nm, а MLV – 230–475 nm; эти значения оставались приблизительно постоянными и через 2 месяца, но увеличились через 12 месяцев, особенно в дисперсии SUV (см. гистограммы ниже). Измерение стабильности с точки зрения потери эфирного масла и распределения по размерам также показало, что липосомальные дисперсии сохраняли содержание летучего масла. Это указывает на то, что включение эфирного масла в липосомы повысило стабильность масла.
 

Стабильность дисперсий MLV и SUV через 1 год. Липосомальные составы хранили при 4±1 ºC.
(Исследование и график: ©Ortan et al., 2009):

 
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом получении липосом!

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для фармацевтических исследований и производства

Hielscher Ultrasonics – ваш ведущий поставщик высококачественных, высокопроизводительных ультразвуковых аппаратов для исследований и производства лекарственных препаратов. Устройства в диапазоне от 50 ватт до 16 000 ватт позволяют подобрать подходящий ультразвуковой процессор для любого объема и любого процесса. Благодаря высокой производительности, надежности, прочности и простоте эксплуатации обработка ультразвуком является необходимым методом получения и обработки наноматериалов. Оснащенные CIP (очисткой на месте) и SIP (стерилизацией на месте), ультразвуковые аппараты Hielscher гарантируют безопасное и эффективное производство в соответствии с фармацевтическими стандартами. Все конкретные ультразвуковые процессы можно легко испытать в лабораторном или настольном масштабе. Результаты этих испытаний полностью воспроизводимы, поэтому последующее масштабирование является линейным и легко выполняется без дополнительных усилий по оптимизации процесса.

Ультразвуковые аппараты Hielscher: проектирование, производство и консультации – качество, произведенное в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные предприятия. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и сложными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют нормам CE и требованиям UL, CSA и RoHs.

Приведенная ниже таблица дает представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Литература/Источники

• 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.

 

Ультразвук – инновационная технология, успешно применяемая для сонохимического синтеза, деагломерации, диспергирования, эмульгирования, функционализации и активации частиц. Особенно в нанотехнологии обработка ультразвуком является необходимым методом синтеза и обработки наноразмерных материалов. Поскольку нанотехнология привлекла столь значительный научный интерес, наноразмерные частицы используются в чрезвычайно большом числе научных и промышленных областей. Фармацевтическая промышленность также обнаружила высокий потенциал этого гибкого и вариативного материала. Поэтому наночастицы используются в различных функциональных применениях в фармацевтической промышленности, включая:

• доставку лекарственных веществ (носитель)
• диагностические продукты
• упаковку продукции
• выявление биомаркеров