Ultrazvukové spracovanie nanočastíc na farmaceutické použitie

Sondové sonikátory zohrávajú kľúčovú úlohu vo farmaceutickom výskume a výrobe tým, že poskytujú výkonný a kontrolovaný spôsob zmenšovania veľkosti častíc, rozrušovania buniek a homogenizácie. Sonikátory využívajú ultrazvukové vlny na vyvolanie kavitácie, pri ktorej vznikajú a kolabujú mikroskopické bubliny. Tento jav vytvára intenzívne šmykové sily a rázové vlny, ktoré účinne rozbíjajú častice alebo rozrušujú bunky.

Tu sú niektoré kľúčové aspekty používania sondových sonikátorov vo farmaceutických aplikáciách:

• Zmenšovanie veľkosti častíc: Sondové sonikátory sa používajú na zmenšovanie veľkosti častíc účinných farmaceutických látok (API) alebo iných zlúčenín. Malá a rovnomerná veľkosť častíc je zásadná pre zvýšenie biologickej dostupnosti, rýchlosti rozpúšťania a celkovej účinnosti liekových formulácií.
• Rozrušovanie buniek: V biofarmaceutickom výskume sa sondové sonikátory používajú na rozrušovanie buniek s cieľom uvoľniť vnútrobunkové zložky. To je obzvlášť dôležité pri extrakcii proteínov, enzýmov a iných biomolekúl z mikrobiálnych buniek alebo kultivovaných buniek cicavcov.
• Homogenizácia: Homogenizácia liekových formulácií je nevyhnutná na zabezpečenie rovnomerného rozloženia zložiek. Sondové sonikátory pomáhajú dosiahnuť homogenitu rozbíjaním aglomerátov a rovnomerným dispergovaním zložiek.
• Tvorba nanoemulzií a lipozómov: Sonikácia sa používa na vytváranie stabilných nanoemulzií a lipozómov v liekových formuláciách. Tieto transportné systémy s nanometrovými rozmermi sa používajú na dodávanie liečiv s cieľom zvýšiť rozpustnosť a biologickú dostupnosť.
• Kontrola kvality a optimalizácia procesov: Sonikácia je cenným nástrojom na kontrolu kvality vo farmaceutickej výrobe. Pomáha optimalizovať procesy zabezpečením konzistentnej distribúcie veľkosti častíc a homogenity, čím prispieva k reprodukovateľnosti medzi jednotlivými šaržami.
• Formulácia a vývoj liekov: Pri formulácii a vývoji liekov sa sondové sonikátory používajú na prípravu stabilných suspenzií, emulzií alebo disperzií. To je rozhodujúce pri navrhovaní farmaceutických produktov s požadovanými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami.

Nanomateriály vo farmácii

Ultrazvukové technológie zohrávajú zásadnú úlohu pri príprave, spracovaní a funkcionalizácii nanomateriálov vo farmaceutickom výskume a výrobe. Intenzívne účinky vysokovýkonného ultrazvuku vrátane akustickej kavitácie prispievajú k rozbíjaniu aglomerátov, dispergovaniu častíc a emulgovaniu nanokvapôčok. Vysokovýkonné sonikátory Hielscher poskytujú spoľahlivé a efektívne riešenie pre farmaceutické štandardy, zaisťujú bezpečnú výrobu a uľahčujú prechod na väčšiu výrobnú mierku bez dodatočného úsilia pri optimalizácii.

Spracovanie nanomateriálov

Nanomateriály, najmä nanočastice, priniesli revolúciu do podávania liečiv vo farmácii a ponúkajú osvedčenú metódu podávania účinných látok perorálne alebo injekčne. Táto technológia zvyšuje účinnosť dávkovania a podávania liečiv a otvára nové možnosti liečby. Schopnosť dopraviť liečivá, teplo alebo iné účinné látky priamo do konkrétnych buniek, najmä chorých buniek, predstavuje významný pokrok.

V liečbe rakoviny preukázali liečivá v nanoformuláciách sľubné výsledky, pričom využívajú výhodu častíc nanometrových rozmerov na dopravenie vysokých dávok liečiv priamo do nádorových buniek, čím maximalizujú terapeutické účinky a zároveň minimalizujú vedľajšie účinky na iné orgány. Nanometrové rozmery umožňujú týmto časticiam prechádzať cez bunkové steny a membrány a uvoľňovať účinné látky presne pri cieľových bunkách.

Spracovanie nanomateriálov, definovaných ako častice s rozmermi menšími ako 100nm, prináša výzvy, ktoré si vyžadujú väčšie úsilie. Ultrazvuková kavitácia sa uplatňuje ako osvedčená technológia na deaglomeráciu a dispergovanie nanomateriálov. Uhlíkové nanorúrky (CNTs), najmä viacstenné uhlíkové nanorúrky (MWCNTs) a jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNTs), vykazujú jedinečné vlastnosti a ponúkajú veľký vnútorný objem na enkapsuláciu molekúl liečiv a osobité povrchy na funkcionalizáciu.
 

Sonochemická výroba SWCNTs. Prášok oxidu kremičitého v roztoku zmesi ferocénu a xylénu bol sonikovaný 20 min. pri izbovej teplote a okolitom tlaku. Sonikáciou vznikajú na povrchu prášku oxidu kremičitého vysoko čisté SWCNTS. (Jeong et al. 2004)

Funkcionalizované uhlíkové nanorúrky (f-CNTs) zohrávajú kľúčovú úlohu pri zvyšovaní rozpustnosti, umožňujú účinné zacielenie na nádory a predchádzanie cytotoxicite. Ultrazvukové techniky uľahčujú ich výrobu a funkcionalizáciu, napríklad sonochemickou metódou na prípravu vysoko čistých SWCNTs. Okrem toho môžu f-CNTs slúžiť ako systémy na podávanie vakcín, pri ktorých sa antigény viažu na uhlíkové nanorúrky s cieľom vyvolať špecifické protilátkové odpovede.
Keramické nanočastice odvodené od oxidu kremičitého, oxidu titaničitého alebo oxidu hlinitého majú pórovité povrchy, vďaka čomu sú ideálnymi nosičmi liečiv. Ultrazvuková syntéza a zrážanie nanočastíc s využitím sonochémie poskytujú prístup zdola nahor na prípravu zlúčenín nanometrových rozmerov. Tento proces zlepšuje prenos hmoty, čo vedie k menším rozmerom častíc a vyššej rovnomernosti

Ultrazvuková syntéza a zrážanie nanočastíc

Sonikácia zohráva zásadnú úlohu pri funkcionalizácii nanočastíc. Táto technika účinne narúša medzné vrstvy okolo častíc, čím umožňuje novým funkčným skupinám dosiahnuť povrch častíc. Napríklad ultrazvuková funkcionalizácia jednostenných uhlíkových nanorúrok (SWCNTs) fragmentmi PL-PEG narúša nešpecifický príjem bunkami a zároveň podporuje špecifický príjem bunkami pri cielených aplikáciách.

Na získanie nanočastíc so špecifickými vlastnosťami a funkciami je potrebné upraviť povrch častíc. Rôzne nanosystémy, ako sú polymérne nanočastice, lipozómy, dendriméry, uhlíkové nanorúrky, kvantové bodky atď., možno úspešne funkcionalizovať na účinné využitie vo farmácii.

Praktický príklad ultrazvukovej funkcionalizácie častíc:

Ultrazvuková funkcionalizácia SWCNT pomocou PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) preukázali, že dispergovanie jednostenných uhlíkových nanorúrok (SWNT) ultrazvukom za prítomnosti fosfolipid-polyetylénglykolu (PL-PEG) spôsobuje fragmentáciu PL-PEG, čím narúša jeho schopnosť blokovať nešpecifický príjem bunkami. Nefragmentovaný PL-PEG však podporuje špecifický bunkový príjem cielene smerovaných SWNT prostredníctvom dvoch odlišných tried receptorov exprimovaných rakovinovými bunkami. Ultrazvukové spracovanie v prítomnosti PL-PEG je bežnou metódou dispergovania alebo funkcionalizácie uhlíkových nanorúrok a integrita PEG je dôležitá na podporu špecifického bunkového príjmu nanorúrok funkcionalizovaných ligandmi. Keďže fragmentácia je pravdepodobným dôsledkom pôsobenia ultrazvuku, ktorý sa bežne používa na dispergovanie SWNT, môže to predstavovať problém pri určitých aplikáciách, ako je podávanie liečiv.
 

Ultrazvukové dispergovanie SWCNT s PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ultrazvuková tvorba lipozómov

Ďalšou úspešnou aplikáciou ultrazvuku je príprava lipozómov a nanolipozómov. Systémy na podávanie liečiv a prenos génov založené na lipozómoch zohrávajú významnú úlohu v mnohých terapiách, ale aj v kozmetike a výžive. Lipozómy sú dobrými nosičmi, pretože účinné látky rozpustné vo vode možno umiestniť do vodného vnútra lipozómov, alebo ak je látka rozpustná v tukoch, do lipidovej vrstvy. Lipozómy možno vytvárať pomocou ultrazvuku. Základným materiálom na prípravu lipozómov sú amfifilné molekuly odvodené od lipidov biologických membrán alebo na nich založené. Na tvorbu malých unilamelárnych vezikúl (SUV) sa lipidová disperzia šetrne sonikuje – napr. pomocou ručného ultrazvukového prístroja UP50H (50W, 30kHz), zariadenia VialTweeter alebo ultrazvukovej miskovej sonotródy. Takéto ultrazvukové spracovanie trvá približne 5 – 15 minút. Ďalšou metódou výroby malých unilamelárnych vezikúl je sonikácia multilamelárnych lipozómových vezikúl.
Dinu-Pirvu et al. (2010) uvádzajú získanie transferozómov sonikáciou MLV pri izbovej teplote.
Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne ultrazvukové zariadenia, sonotródy a príslušenstvo na splnenie požiadaviek všetkých druhov procesov.
Prečítajte si viac o extrakte z Aloe vera získanom ultrazvukovou extrakciou a enkapsulovanom pomocou ultrazvuku!

Ultrazvuková enkapsulácia látok do lipozómov

Lipozómy fungujú ako nosiče účinných látok. Ultrazvuk je účinným nástrojom na prípravu a tvorbu lipozómov na zachytenie účinných látok. Pred enkapsuláciou majú lipozómy tendenciu vytvárať zhluky v dôsledku interakcie medzi povrchovými nábojmi polárnych hlavičiek fosfolipidov (Míckova et al. 2008), navyše je potrebné ich otvoriť. Napríklad Zhu et al. (2003) opisujú enkapsuláciu biotínového prášku do lipozómov pomocou ultrazvuku. Po pridaní biotínového prášku do roztoku so suspenziou vezikúl sa roztok sonikoval približne 1 hodinu. Po tomto spracovaní bol biotín zachytený v lipozómoch.

Lipozómové emulzie

Na zvýšenie ošetrujúceho účinku hydratačných krémov alebo krémov proti starnutiu, telových mliek, gélov a iných kozmeceutických prípravkov sa do lipozomálnych disperzií pridávajú emulgátory na stabilizáciu väčšieho množstva lipidov. Výskumy však ukázali, že kapacita lipozómov je vo všeobecnosti obmedzená. Po pridaní emulgátorov sa tento účinok prejaví skôr a ďalšie emulgátory spôsobujú oslabenie afinity fosfatidylcholínu k bariére. Riešením tohto problému sú nanočastice – zložené z fosfatidylcholínu a lipidov. Tieto nanočastice tvorí kvapôčka oleja pokrytá monovrstvou fosfatidylcholínu. Použitie nanočastíc umožňuje vytvárať prípravky, ktoré dokážu absorbovať viac lipidov a zostať stabilné, takže ďalšie emulgátory nie sú potrebné.
Ultrazvukové spracovanie je osvedčenou metódou výroby nanoemulzií a nanodisperzií. Vysoko intenzívny ultrazvuk dodáva výkon potrebný na dispergovanie kvapalnej fázy (dispergovanej fázy) vo forme malých kvapôčok v druhej fáze (kontinuálnej fáze). V dispergačnej zóne spôsobujú implodujúce kavitačné bubliny intenzívne rázové vlny v okolitej kvapaline a vedú k tvorbe prúdov kvapaliny s vysokou rýchlosťou. Na stabilizáciu novovytvorených kvapôčok dispergovanej fázy proti koalescencii sa do emulzie pridávajú emulgátory (povrchovo aktívne látky, tenzidy) a stabilizátory. Keďže koalescencia kvapôčok po ich rozrušení ovplyvňuje konečnú distribúciu veľkosti kvapôčok, používajú sa účinne stabilizujúce emulgátory, ktoré udržiavajú konečnú distribúciu veľkosti kvapôčok na úrovni zodpovedajúcej distribúcii bezprostredne po rozrušení kvapôčok v ultrazvukovej dispergačnej zóne.

Lipozomálne disperzie

Lipozomálne disperzie na báze nenasýteného fosfatidylchlorínu nemajú dostatočnú stabilitu voči oxidácii. Stabilizáciu disperzie možno dosiahnuť pomocou antioxidantov, napríklad komplexom vitamínov C a E.
Ortan a kol. (2002) dosiahli dobré výsledky vo svojej štúdii ultrazvukovej prípravy éterického oleja z Anethum graveolens v lipozómoch. Po sonikácii boli rozmery lipozómov v rozmedzí 70–150 nm a pri MLV v rozmedzí 230–475 nm; tieto hodnoty zostali približne konštantné aj po 2 mesiacoch, ale po 12 mesiacoch sa zvýšili, najmä v disperzii SUV (pozri histogramy nižšie). Meranie stability z hľadiska straty éterického oleja a distribúcie veľkosti tiež ukázalo, že lipozomálne disperzie si zachovali obsah prchavého oleja. To naznačuje, že zachytenie éterického oleja v lipozómoch zvýšilo stabilitu oleja.
 

Stabilita disperzií MLV a SUV po 1 roku. Lipozomálne prípravky sa skladovali pri 4±1 ºC.
(Štúdia a grafika: ©Ortan a kol., 2009):

 
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej príprave lipozómov!

Vysokovýkonné sonikátory pre farmaceutický výskum a výrobu

Hielscher Ultrasonics je váš špičkový dodávateľ vysokokvalitných, vysokovýkonných sonikátorov na výskum a výrobu liečiv. Zariadenia s výkonom od 50 wattov až do 16 000 wattov umožňujú nájsť vhodný ultrazvukový procesor pre každý objem a každý proces. Vďaka ich vysokému výkonu, spoľahlivosti, robustnosti a jednoduchej obsluhe je ultrazvukové spracovanie nevyhnutnou technikou prípravy a spracovania nanomateriálov. Sonikátory Hielscher vybavené systémami CIP (čistenie na mieste) a SIP (sterilizácia na mieste) zaručujú bezpečnú a efektívnu výrobu podľa farmaceutických štandardov. Všetky špecifické ultrazvukové procesy možno jednoducho testovať v laboratórnej mierke alebo na stolových zariadeniach. Výsledky týchto skúšok sú úplne reprodukovateľné, takže následné zväčšovanie mierky je lineárne a možno ho jednoducho uskutočniť bez dodatočného úsilia pri optimalizácii procesu.

Sonikátory Hielscher: návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a dizajnu. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher si ľahko poradia s drsnými podmienkami a náročným prostredím.

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

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:

Literatúra/Referencie

• 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.

 

Ultrazvuk je inovatívna technológia, ktorá sa úspešne používa na sonochemickú syntézu, deaglomeráciu, dispergovanie, emulgáciu, funkcionalizáciu a aktiváciu častíc. Najmä v nanotechnológiách je ultrazvukové spracovanie nevyhnutnou technikou na syntézu a spracovanie materiálov s nanometrovými rozmermi. Keďže nanotechnológie vzbudili takýto mimoriadny vedecký záujem, častice s nanometrovými rozmermi sa využívajú v mimoriadne veľkom počte vedeckých a priemyselných oblastí. Aj farmaceutický priemysel objavil vysoký potenciál tohto flexibilného a variabilného materiálu. Nanočastice sa preto vo farmaceutickom priemysle využívajú v rôznych funkčných aplikáciách, medzi ktoré patria:

• doručovanie liečiv (nosič)
• diagnostické produkty
• balenie produktov
• objavovanie biomarkerov