Ultrazvukové spracovanie nanočastíc pre liečivá

Sonikátory sondy zohrávajú kľúčovú úlohu vo farmaceutickom výskume a výrobe tým, že poskytujú výkonné a kontrolované prostriedky na dosiahnutie redukcie veľkosti častíc, narušenia buniek a homogenizácie. Sonikátory využívajú ultrazvukové vlny na generovanie kavitácie, čo vedie k tvorbe a kolapsu mikroskopických bublín. Tento jav vytvára intenzívne šmykové sily a rázové vlny, ktoré účinne rozkladajú častice alebo narúšajú bunky.

Tu je niekoľko kľúčových aspektov použitia sondových sonikátorov vo farmaceutických aplikáciách:

• Zmenšenie veľkosti častíc: Sonikátory sondy sa používajú na zníženie veľkosti častíc aktívnych farmaceutických zložiek (API) alebo iných zlúčenín. Malá a rovnomerná veľkosť častíc je životne dôležitá pre zvýšenie biologickej dostupnosti, rýchlosti rozpúšťania a celkovej účinnosti farmaceutických formulácií.
• Narušenie buniek: V biofarmaceutickom výskume sa sondy používajú na narušenie buniek na uvoľnenie intracelulárnych zložiek. To je obzvlášť dôležité pre extrakciu proteínov, enzýmov a iných biomolekúl z mikrobiálnych buniek alebo kultivovaných buniek cicavcov.
• Homogenizácia: Homogenizácia farmaceutických formulácií je nevyhnutná na zabezpečenie rovnomerného rozloženia zložiek. Sonikátory sondy pomáhajú dosiahnuť homogenitu rozkladom aglomerátov a rovnomerným rozptýlením komponentov.
• Tvorba nanoemulzií a lipozómov: Sonikácia sa používa na vytvorenie stabilných nanoemulzií a lipozómov vo farmaceutických formuláciách. Tieto nanosystémy sa používajú na podávanie liekov na zvýšenie rozpustnosti a biologickej dostupnosti.
• Kontrola kvality a optimalizácia procesov: Sonikácia je cenným nástrojom na kontrolu kvality vo farmaceutickej výrobe. Pomáha pri optimalizácii procesov tým, že zabezpečuje konzistentnú distribúciu veľkosti častíc a homogenitu, čím prispieva k reprodukovateľnosti medzi jednotlivými šaržami.
• Formulácia a vývoj liekov: Počas formulácie a vývoja lieku sa sondy používajú sondy na prípravu stabilných suspenzií, emulzií alebo disperzií. To je rozhodujúce pre navrhovanie farmaceutických výrobkov s požadovanými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami.

Nanomateriály vo farmaceutických výrobkoch

Ultrazvukové technológie zohrávajú kľúčovú úlohu pri príprave, spracovaní a funkcionalizácii nanomateriálov vo farmaceutickom výskume a výrobe. Intenzívne účinky vysokovýkonného ultrazvuku, vrátane akustické kavitácie, prispievajú k rozbíjaniu aglomerátov, rozptyľovaniu častíc a emulgácii nanokvapôčok. Vysokovýkonné sonikátory Hielscher poskytujú spoľahlivé a efektívne riešenie pre farmaceutické normy, zaisťujú bezpečnú výrobu a uľahčujú škálovanie bez ďalšieho optimalizačného úsilia.

Spracovanie nanomateriálov

Nanomateriály, najmä nanočastice, spôsobili revolúciu v podávaní liekov vo farmaceutických výrobkoch a ponúkajú osvedčenú metódu podávania účinných látok perorálne alebo injekčne. Táto technológia zvyšuje efektivitu dávkovania a podávania liekov a otvára nové cesty pre lekárske ošetrenie. Schopnosť dodávať lieky, teplo alebo iné účinné látky priamo do konkrétnych buniek, najmä chorých buniek, znamená významný pokrok.

V liečbe rakoviny preukázali nanoformulované lieky sľubné výsledky, ktoré využívajú výhodu nanočastíc na dodávanie vysokých dávok liekov priamo do nádorových buniek, maximalizujú terapeutické účinky a zároveň minimalizujú vedľajšie účinky na iné orgány. Veľkosť nanomierky umožňuje týmto časticiam prechádzať cez bunkové steny a membrány a uvoľňovať účinné látky presne v cieľových bunkách.

Spracovanie nanomateriálov, definovaných ako častice s rozmermi menšími ako 100 nm, predstavuje výzvy, ktoré si vyžadujú väčšie úsilie. Ultrazvuková kavitácia sa javí ako osvedčená technológia na deaglomeráciu a dispergáciu nanomateriálov. Uhlíkové nanotrubice (CNT), najmä viacstenné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) a jednostenné uhlíkové nanotrubice (SWCNT), vykazujú jedinečné vlastnosti a ponúkajú veľký vnútorný objem na zapuzdrenie molekúl liečiva a odlišné povrchy na funkcionalizáciu.
 

Sonochemická výroba SWCNT. Kremičitý prášok v roztoku zmesi ferocén-xylénu bol sonikovaný 20 minút pri izbovej teplote a pod okolitým tlakom. Sonikácia vytvára vysoko čisté SWCNTS na povrchu kremičitého prášku. (Jeong et al. 2004)

Funkcionalizované uhlíkové nanotrubice (f-CNT) zohrávajú kľúčovú úlohu pri zvyšovaní rozpustnosti, umožňujú efektívne zacielenie nádoru a vyhýbajú sa cytotoxicite. Ultrazvukové techniky uľahčujú ich výrobu a funkcionalizáciu, ako napríklad sonochemická metóda pre vysoko čisté SWCNT. Okrem toho môžu f-CNT slúžiť ako systémy podávania vakcín, ktoré spájajú antigény s uhlíkovými nanotrubicami na vyvolanie špecifických protilátkových reakcií.
Keramické nanočastice odvodené od oxidu kremičitého, titánu alebo oxidu hlinitého predstavujú pórovité povrchy, čo z nich robí ideálne nosiče liečiv. Ultrazvuková syntéza a zrážanie nanočastíc s využitím sonochémie poskytujú prístup zdola nahor k príprave nanozlúčenín. Tento proces zvyšuje prenos hmoty, čo vedie k menším veľkostiam častíc a vyššej rovnomernosti

Ultrazvuková syntéza a zrážanie nanočastíc

Ultrazvuk hrá dôležitú úlohu pri funkcionalizácii nanočastíc. Táto technika efektívne rozbíja hraničné vrstvy okolo častíc, čo umožňuje novým funkčným skupinám dostať sa na povrch častíc. Napríklad ultrazvuková funkcionalizácia jednostenných uhlíkových nanotrubíc (SWCNT) s fragmentmi PL-PEG narúša absorpciu nešpecifických buniek a zároveň podporuje špecifický bunkový príjem pre cielené aplikácie.

Na získanie nanočastíc so špecifickými vlastnosťami a funkciami je potrebné upraviť povrch častíc. Rôzne nanosystémy, ako sú polymérne nanočastice, lipozómy, dendriméry, uhlíkové nanotrubice, kvantové bodky atď., môžu byť úspešne funkcionalizované pre efektívne využitie vo farmácii.

Praktický príklad ultrazvukovej fikcionalizácie častíc:

Ultrazvuková funkcionalizácia SWCNT pomocou PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) preukázali, že disperzia jednostenných uhlíkových nanotrubíc (SWNT) ultrazvukom s fosfolipid-polyetylénglykolom (PL-PEG) ich fragmentuje, čím narúša jeho schopnosť blokovať nešpecifické vychytávanie bunkami. Nefragmentovaný PL-PEG však podporuje špecifické bunkové vychytávanie cielených SWNT do dvoch odlišných tried receptorov exprimovaných rakovinovými bunkami. Ultrazvukové ošetrenie v prítomnosti PL-PEG je bežná metóda používaná na dispergáciu alebo funkcionalizáciu uhlíkových nanotrubíc a integrita PEG je dôležitá na podporu špecifického bunkového vychytávania ligandom funkcionalizovaných nanotrubíc. Keďže fragmentácia je pravdepodobným dôsledkom ultrazvuku, techniky bežne používanej na rozptýlenie SWNT, môže to byť problém pre určité aplikácie, ako je podávanie liekov.
 

Ultrazvuková disperzia SWCNT s PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Tvorba ultrazvukových lipozómov

Ďalšou úspešnou aplikáciou ultrazvuku je príprava lipozómov a nanolipozómov. Systémy dodávania liekov a génov na báze lipozómov zohrávajú významnú úlohu v rôznych terapiách, ale aj v kozmetike a výžive. Lipozómy sú dobrými nosičmi, pretože vo vode rozpustné účinné látky môžu byť umiestnené do vodného stredu lipozómov alebo, ak je činidlo rozpustné v tukoch, do lipidovej vrstvy. Lipozómy môžu byť vytvorené použitím ultrazvuku. Základným materiálom na prípravu lipozómov sú amfitické molekuly odvodené alebo založené na biologických membránových lipidoch. Na tvorbu malých jednolamelárnych vezikúl (SUV) sa lipidová disperzia jemne sonikuje – napr. s ručným ultrazvukom UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter alebo ultrazvukovým pohárom. Trvanie takéhoto ultrazvukového ošetrenia trvá cca. 5 – 15 minút. Ďalšou metódou na výrobu malých jednolamelárnych vezikúl je sonikácia lipozómov multilamelárnych vezikúl.
Dinu-Pirvu a kol. (2010) uvádzajú získavanie transferozómov sonikáciou MLV pri izbovej teplote.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne ultrazvukové prístroje, sonotródy a príslušenstvo, ktoré spĺňajú požiadavky všetkých druhov procesov.
Prečítajte si viac o ultrazvukovo extrahovanom a zapuzdrenom extrakte z aloe vera!

Ultrazvuková enkapsulácia činidiel do lipozómov

Lipozómy fungujú ako nosiče účinných látok. Ultrazvuk je účinným nástrojom na prípravu a formovanie lipozómov na zachytávanie účinných látok. Pred zapuzdrením majú lipozómy tendenciu vytvárať zhluky v dôsledku interakcie povrchového náboja a náboja fosfolipidových polárnych hláv (Míckova et al. 2008), navyše sa musia otvoriť. Ako príklad Zhu et al. (2003) popisujú zapuzdrenie biotínového prášku v lipozómoch ultrazvukom. Keď sa biotínový prášok pridal do suspenzného roztoku vezikúl, roztok bol sonikovaný cca. 1 hodinu. Po tejto liečbe bol biotín zachytený v lipozómoch.

Lipozomálne emulzie

Na zvýšenie ošetrujúceho účinku hydratačných alebo anti-aging krémov, pleťových vôd, gélov a iných kozmeceutických prípravkov sa do lipozomálnych disperzií pridáva emulgátor na stabilizáciu vyššieho množstva lipidov. Výskumy však ukázali, že schopnosť lipozómov je vo všeobecnosti obmedzená. Po pridaní emulgátorov sa tento účinok prejaví skôr a ďalšie emulgátory spôsobia oslabenie bariérovej afinity fosfatidylcholínu. Nanočastice – zložené z fosfatidylcholínu a lipidov – sú odpoveďou na tento problém. Tieto nanočastice sú tvorené kvapôčkou oleja, ktorá je pokrytá monovrstvou fosfatidylcholínu. Použitie nanočastíc umožňuje formulácie, ktoré sú schopné absorbovať viac lipidov a zostať stabilné, takže nie sú potrebné ďalšie emulgátory.
Ultrazvuk je osvedčená metóda výroby nanoemulzií a nanodisperzií. Vysoko intenzívny ultrazvuk dodáva energiu potrebnú na rozptýlenie kvapalnej fázy (dispergovaná fáza) v malých kvapôčkach v druhej fáze (kontinuálna fáza). V dispergačnej zóne spôsobujú implodujúce kavitačné bubliny intenzívne rázové vlny v okolitej kvapaline a vedú k tvorbe kvapalných prúdov s vysokou rýchlosťou kvapaliny. Na stabilizáciu novovytvorených kvapôčok disperznej fázy proti koalescencii sa do emulzie pridávajú emulgátory (povrchovo aktívne látky, povrchovo aktívne látky) a stabilizátory. Keďže koalescencia kvapiek po narušení ovplyvňuje konečnú distribúciu veľkosti kvapiek, používajú sa účinne stabilizačné emulgátory na udržanie konečnej distribúcie veľkosti kvapiek na úrovni, ktorá sa rovná distribúcii bezprostredne po narušení kvapiek v ultrazvukovej disperzujúcej zóne.

lipozomálne disperzie

Lipozomálne disperzie, ktoré sú založené na nenasýtenom fosfatidylchlóre, nemajú stabilitu proti oxidácii. Stabilizáciu disperzie je možné dosiahnuť pomocou antioxidantov, napríklad komplexom vitamínov C a E.
Ortan et al. (2002) dosiahli vo svojej štúdii týkajúcej sa ultrazvukovej prípravy éterického oleja Anethum graveolens v lipozómoch dobré výsledky. Po sonikácii bol rozmer lipozómov medzi 70-150 nm a pre MLV medzi 230-475 nm; tieto hodnoty boli približne konštantné aj po 2 mesiacoch, ale zanikli po 12 mesiacoch, najmä pri disperzii SUV (pozri histogramy nižšie). Meranie stability týkajúce sa straty esenciálneho oleja a distribúcie veľkosti tiež ukázalo, že lipozomálne disperzie udržiavajú obsah prchavého oleja. To naznačuje, že zachytenie éterického oleja v lipozómoch zvýšilo stabilitu oleja.
 

Stabilita disperzií MLV a SUV po 1 roku. Lipozomálne formulácie sa uchovávali pri teplote 4±1 °C.
(Štúdia a grafika: ©Ortan et al., 2009):

 
Kliknite sem a prečítajte si viac o príprave ultrazvukových lipozómov!

Vysokovýkonné sonikátory pre farmaceutický výskum a výrobu

Hielscher Ultrasonics je váš špičkový dodávateľ vysokokvalitných a vysoko výkonných sonikátorov pre výskum a výrobu liečiv. Zariadenia v rozsahu od 50 wattov do 16 000 wattov umožňujú nájsť ten správny ultrazvukový procesor pre každý objem a každý proces. Vďaka vysokému výkonu, spoľahlivosti, robustnosti a ľahkej obsluhe je ultrazvukové ošetrenie základnou technikou na prípravu a spracovanie nanomateriálov. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú vybavené CIP (clean-in-place) a SIP (sterilizácia na mieste) a zaručujú bezpečnú a efektívnu výrobu podľa farmaceutických noriem. Všetky špecifické ultrazvukové procesy je možné ľahko otestovať v laboratórnom alebo stolovom meradle. Výsledky týchto skúšok sú úplne reprodukovateľné, takže nasledujúce škálovanie je lineárne a dá sa ľahko vykonať bez ďalšieho úsilia týkajúceho sa optimalizácie procesov.

Hielscher Sonicators: Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Literatúra/Referencie