Ultrazvočna obdelava nanodelcev za farmacevtske izdelke

Sonikatorji s sondo imajo ključno vlogo pri farmacevtskih raziskavah in proizvodnji, saj omogočajo zmogljivo in nadzorovano zmanjševanje velikosti delcev, razgradnjo celic in homogenizacijo. Sonikatorji uporabljajo ultrazvočne valove za ustvarjanje kavitacije, pri čemer nastajajo in se sesedajo mikroskopski mehurčki. Ta pojav ustvarja intenzivne strižne sile in udarne valove, ki učinkovito drobijo delce ali razgrajujejo celice.

V nadaljevanju je predstavljenih nekaj ključnih vidikov uporabe sonikatorjev s sondo v farmacevtskih aplikacijah:

• Zmanjševanje velikosti delcev: Sonikatorji s sondo se uporabljajo za zmanjševanje velikosti delcev učinkovin (APIs) ali drugih spojin. Majhna in enakomerna velikost delcev je bistvena za izboljšanje biološke uporabnosti, hitrosti raztapljanja in splošne učinkovitosti farmacevtskih formulacij.
• Razgradnja celic: Pri biofarmacevtskih raziskavah se sonikatorji s sondo uporabljajo za razgradnjo celic, da se sprostijo znotrajcelične sestavine. To je posebej pomembno za ekstrakcijo beljakovin, encimov in drugih biomolekul iz mikrobnih celic ali gojenih celic sesalcev.
• Homogenizacija: Homogenizacija farmacevtskih formulacij je bistvena za zagotavljanje enakomerne porazdelitve sestavin. Sonikatorji s sondo pomagajo doseči homogenost z razbijanjem aglomeratov in enakomernim dispergiranjem sestavin.
• Tvorba nanoemulzij in liposomov: Sonikacija se uporablja za ustvarjanje stabilnih nanoemulzij in liposomov v farmacevtskih formulacijah. Ti dostavni sistemi nanometrskih velikosti se uporabljajo za dostavo zdravil, da se izboljšata topnost in biološka uporabnost.
• Nadzor kakovosti in optimizacija procesov: Sonikacija je dragoceno orodje za nadzor kakovosti v farmacevtski proizvodnji. Pomaga pri optimizaciji procesov z zagotavljanjem dosledne porazdelitve velikosti delcev in homogenosti ter tako prispeva k ponovljivosti med serijami.
• Formuliranje in razvoj zdravil: Med formuliranjem in razvojem zdravil se sonikatorji s sondo uporabljajo za pripravo stabilnih suspenzij, emulzij ali disperzij. To je ključno za zasnovo farmacevtskih izdelkov z želenimi fizikalnimi in kemijskimi lastnostmi.

Nanomateriali v farmacevtskih izdelkih

Ultrazvočne tehnologije imajo osrednjo vlogo pri pripravi, obdelavi in funkcionalizaciji nanomaterialov v farmacevtskih raziskavah in proizvodnji. Intenzivni učinki ultrazvoka visoke moči, vključno z akustično kavitacijo, prispevajo k razbijanju aglomeratov, dispergiranju delcev in emulgiranju nanokapljic. Visokozmogljivi sonikatorji Hielscher zagotavljajo zanesljivo in učinkovito rešitev za izpolnjevanje farmacevtskih standardov, zagotavljajo varno proizvodnjo in olajšujejo povečanje obsega brez dodatnih prizadevanj za optimizacijo.

Obdelava nanomaterialov

Nanomateriali, zlasti nanodelci, so korenito spremenili dostavo zdravil v farmaciji, saj ponujajo dokazano metodo za dajanje učinkovin peroralno ali z injiciranjem. Ta tehnologija povečuje učinkovitost odmerjanja in dostave zdravil ter odpira nove možnosti za zdravljenje. Možnost dostave zdravil, toplote ali drugih aktivnih snovi neposredno do določenih celic, zlasti obolelih, pomeni pomemben napredek.

Pri zdravljenju raka so zdravila v nanoformulacijah pokazala obetavne rezultate, saj izkoriščajo prednost delcev nanometrskih velikosti za dostavo visokih odmerkov zdravil neposredno do tumorskih celic, s čimer povečajo terapevtske učinke in hkrati zmanjšajo neželene učinke na druge organe. Nanometrska velikost omogoča tem delcem prehajanje skozi celične stene in membrane ter sproščanje učinkovin natančno pri ciljnih celicah.

Obdelava nanomaterialov, opredeljenih kot delci z merami, manjšimi od 100nm, prinaša izzive, ki zahtevajo več prizadevanj. Ultrazvočna kavitacija se uveljavlja kot dobro uveljavljena tehnologija za deaglomeracijo in dispergiranje nanomaterialov. Ogljikove nanocevke (CNTs), zlasti večstenske ogljikove nanocevke (MWCNTs) in enostenske ogljikove nanocevke (SWCNTs), imajo edinstvene lastnosti, saj ponujajo veliko notranjo prostornino za enkapsulacijo molekul zdravil in posebne površine za funkcionalizacijo.
 

Sonokemijska proizvodnja SWCNTs. Prah silicijevega dioksida v raztopini mešanice ferocena in ksilena je bil sonikiran 20 min. pri sobni temperaturi in atmosferskem tlaku. Sonikacija na površini prahu silicijevega dioksida ustvari SWCNTS visoke čistosti. (Jeong et al. 2004)

Funkcionalizirane ogljikove nanocevke (f-CNTs) imajo ključno vlogo pri izboljšanju topnosti, omogočanju učinkovitega ciljanja tumorjev in preprečevanju citotoksičnosti. Ultrazvočne tehnike olajšujejo njihovo proizvodnjo in funkcionalizacijo, na primer s sonokemijsko metodo za SWCNTs visoke čistosti. Poleg tega lahko f-CNTs služijo kot sistemi za dostavo cepiv, pri čemer se antigeni povežejo z ogljikovimi nanocevkami, da sprožijo specifične protitelesne odzive.
Keramični nanodelci, pridobljeni iz silicijevega dioksida, titanovega dioksida ali aluminijevega oksida, imajo porozne površine, zaradi česar so idealni nosilci zdravil. Ultrazvočna sinteza in obarjanje nanodelcev z uporabo sonokemije omogočata pristop od spodaj navzgor za pripravo spojin nanometrskih velikosti. Proces izboljša prenos snovi, kar vodi do manjših delcev in večje enakomernosti

Ultrazvočna sinteza in obarjanje nanodelcev

Ultrazvočna obdelava ima bistveno vlogo pri funkcionalizaciji nanodelcev. Tehnika učinkovito razbije mejne plasti okoli delcev in omogoči novim funkcionalnim skupinam, da dosežejo površino delcev. Ultrazvočna funkcionalizacija enostenskih ogljikovih nanocevk (SWCNTs) s fragmenti PL-PEG na primer ovira nespecifični privzem v celice, hkrati pa spodbuja specifični celični privzem za ciljne aplikacije.

Za pridobitev nanodelcev s posebnimi lastnostmi in funkcijami je treba spremeniti površino delcev. Različne nanosisteme, kot so polimerni nanodelci, liposomi, dendrimeri, ogljikove nanocevke, kvantne pike itd., je mogoče uspešno funkcionalizirati za učinkovito uporabo v farmaciji.

Praktični primer ultrazvočne funkcionalizacije delcev:

Ultrazvočna funkcionalizacija SWCNTs s PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) so pokazali, da dispergiranje enostenskih ogljikovih nanocevk (SWNTs) z ultrazvočno obdelavo s fosfolipid-polietilen glikolom (PL-PEG) povzroči njegovo fragmentacijo, s čimer ovira njegovo zmožnost preprečevanja nespecifičnega privzema v celice. Vendar nefragmentirani PL-PEG spodbuja specifični celični privzem ciljnih SWNTs prek dveh različnih razredov receptorjev, ki jih izražajo rakave celice. Ultrazvočna obdelava v prisotnosti PL-PEG je običajna metoda za dispergiranje ali funkcionalizacijo ogljikovih nanocevk, celovitost PEG pa je pomembna za spodbujanje specifičnega celičnega privzema nanocevk, funkcionaliziranih z ligandi. Ker je fragmentacija verjetna posledica ultrazvočne obdelave, tehnike, ki se pogosto uporablja za dispergiranje SWNTs, bi to lahko bilo problematično za nekatere aplikacije, kot je dostava zdravil.
 

Ultrazvočno dispergiranje SWCNTs s PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ultrazvočna tvorba liposomov

Druga uspešna uporaba ultrazvoka je priprava liposomov in nanoliposomov. Sistemi za dostavo zdravil in genov na osnovi liposomov imajo pomembno vlogo pri raznovrstnih terapijah, pa tudi v kozmetiki in prehrani. Liposomi so dobri nosilci, saj je mogoče vodotopne učinkovine umestiti v njihovo vodno jedro ali, če je učinkovina topna v maščobah, v lipidno plast. Liposome je mogoče tvoriti z uporabo ultrazvoka. Osnovni material za pripravo liposomov so molekule amphilic, pridobljene iz lipidov bioloških membran ali zasnovane na njihovi osnovi. Za tvorbo majhnih unilamelarnih veziklov (SUV) se lipidna disperzija nežno sonikira – npr. z ročno ultrazvočno napravo UP50H (50W, 30kHz), napravo VialTweeter ali ultrazvočno skodeličasto sonotrodo. Takšna ultrazvočna obdelava traja približno 5 – 15 minut. Druga metoda za izdelavo majhnih unilamelarnih veziklov je sonikacija liposomov v obliki multilamelarnih veziklov.
Dinu-Pirvu et al. (2010) poročajo o pridobivanju transferosomov s sonikacijo MLV pri sobni temperaturi.
Hielscher Ultrasonics ponuja različne ultrazvočne naprave, sonotrode in dodatno opremo za izpolnjevanje zahtev vseh vrst procesov.
Preberite več o ultrazvočno ekstrahiranem in enkapsuliranem izvlečku Aloe vera!

Ultrazvočna enkapsulacija učinkovin v liposome

Liposomi delujejo kot nosilci učinkovin. Ultrazvok je učinkovito orodje za pripravo in tvorbo liposomov za ujetje učinkovin. Pred enkapsulacijo liposomi zaradi površinske interakcije med naboji polarnih glav fosfolipidov težijo k tvorbi skupkov (Míckova et al. 2008), poleg tega pa jih je treba odpreti. Zhu et al. (2003) na primer opisujejo enkapsulacijo biotina v prahu v liposome z ultrazvočno obdelavo. Ko je bil biotin v prahu dodan v raztopino suspenzije veziklov, je bila raztopina sonikirana približno 1 uro. Po tej obdelavi je bil biotin ujet v liposome.

Liposomske emulzije

Za izboljšanje negovalnega učinka vlažilnih krem ali krem proti staranju, losjonov, gelov in drugih kozmecevtskih formulacij se liposomskim disperzijam dodajajo emulgatorji za stabilizacijo večjih količin lipidov. Vendar so raziskave pokazale, da je zmogljivost liposomov na splošno omejena. Z dodatkom emulgatorjev se ta učinek pojavi prej, dodatni emulgatorji pa povzročijo zmanjšanje afinitete fosfatidilholina do bariere. Nanodelci – sestavljeni iz fosfatidilholina in lipidov – so odgovor na to težavo. Te nanodelce tvori oljna kapljica, prekrita z enojno plastjo fosfatidilholina. Uporaba nanodelcev omogoča formulacije, ki lahko absorbirajo več lipidov in ostanejo stabilne, zato dodatni emulgatorji niso potrebni.
Ultrazvočna obdelava je dokazana metoda za proizvodnjo nanoemulzij in nanodisperzij. Ultrazvok visoke intenzivnosti zagotavlja moč, potrebno za dispergiranje tekoče faze (dispergirane faze) v obliki majhnih kapljic v drugi fazi (kontinuirni fazi). V območju dispergiranja implodirajoči kavitacijski mehurčki povzročajo intenzivne udarne valove v okoliški tekočini in nastanek tekočinskih curkov z veliko hitrostjo tekočine. Za stabilizacijo novonastalih kapljic dispergirane faze pred koalescenco se emulziji dodajo emulgatorji (površinsko aktivne snovi, surfaktanti) in stabilizatorji. Ker koalescenca kapljic po njihovem razbitju vpliva na končno porazdelitev velikosti kapljic, se uporabljajo emulgatorji z učinkovitim stabilizacijskim delovanjem, da se končna porazdelitev velikosti kapljic ohrani na ravni, enaki porazdelitvi neposredno po razbitju kapljic v ultrazvočnem območju dispergiranja.

Liposomske disperzije

Liposomske disperzije, ki temeljijo na nenasičeni spojini phosphatidylchlorine, niso dovolj stabilne proti oksidaciji. Stabilizacijo disperzije je mogoče doseči z antioksidanti, na primer s kompleksom vitaminov C in E.
Ortan et al. (2002) so v svoji študiji ultrazvočne priprave eteričnega olja Anethum graveolens v liposomih dosegli dobre rezultate. Po sonikaciji so bile velikosti liposomov med 70–150 nm, pri MLV pa med 230–475 nm; te vrednosti so bile približno nespremenjene tudi po 2 mesecih, vendar so se po 12 mesecih povečale, zlasti v disperziji SUV (glejte spodnje histograme). Merjenje stabilnosti glede izgube eteričnega olja in porazdelitve velikosti je prav tako pokazalo, da so liposomske disperzije ohranile vsebnost hlapnega olja. To nakazuje, da je ujetje eteričnega olja v liposome povečalo stabilnost olja.
 

Stabilnost disperzij MLV in SUV po 1 letu. Liposomske formulacije so bile shranjene pri 4±1 ºC.
(Študija in grafični prikaz: ©Ortan et al., 2009):

 
Kliknite tukaj in preberite več o ultrazvočni pripravi liposomov!

Visokozmogljivi sonikatorji za farmacevtske raziskave in proizvodnjo

Hielscher Ultrasonics je vaš vodilni dobavitelj visokokakovostnih in visokozmogljivih sonikatorjev za raziskave in proizvodnjo farmacevtskih izdelkov. Naprave v razponu od 50 vatov do 16.000 vatov omogočajo izbiro ustreznega ultrazvočnega procesorja za vsako prostornino in vsak proces. Zaradi visoke zmogljivosti, zanesljivosti, robustnosti in preprostega upravljanja je ultrazvočna obdelava bistvena tehnika za pripravo in obdelavo nanomaterialov. Sonikatorji Hielscher, opremljeni s CIP (čiščenje na mestu) in SIP (sterilizacija na mestu), zagotavljajo varno in učinkovito proizvodnjo v skladu s farmacevtskimi standardi. Vse specifične ultrazvočne procese je mogoče preprosto preizkusiti v laboratorijskem merilu ali na namiznih napravah. Rezultati teh preizkusov so popolnoma ponovljivi, zato je nadaljnje povečanje obsega linearno in ga je mogoče preprosto izvesti brez dodatnih prizadevanj za optimizacijo procesa.

Sonikatorji Hielscher: zasnova, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Literatura/viri

• 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.

 

Ultrazvok je inovativna tehnologija, ki se uspešno uporablja za sonokemijsko sintezo, deaglomeracijo, dispergiranje, emulgiranje, funkcionalizacijo in aktivacijo delcev. Zlasti v nanotehnologiji je ultrazvočna obdelava bistvena tehnika za sintezo in obdelavo materialov nanometrskih velikosti. Ker je nanotehnologija vzbudila tako izjemno znanstveno zanimanje, se delci nanometrskih velikosti uporabljajo na izredno številnih znanstvenih in industrijskih področjih. Tudi farmacevtska industrija je odkrila velik potencial tega prilagodljivega in spremenljivega materiala. Zato so nanodelci vključeni v različne funkcionalne aplikacije v farmacevtski industriji, med katere spadajo:

• dostava zdravil (nosilec)
• diagnostični izdelki
• embalaža izdelkov
• odkrivanje bioloških označevalcev