Ултразвучна обрада наночестица за фармацеутске примене

Соникатори са сондом имају кључну улогу у фармацеутским истраживањима и производњи јер пружају моћно и контролисано средство за смањење величине честица, разарање ћелија и хомогенизацију. Соникатори користе ултразвучне таласе за стварање кавитације, која доводи до настанка и колапса микроскопских мехурића. Ова појава ствара интензивне силе смицања и ударне таласе, који ефикасно уситњавају честице или разарају ћелије.

Ево неких кључних аспеката употребе соникатора са сондом у фармацеутским применама:

• Смањење величине честица: Соникатори са сондом користе се за смањење величине честица активних фармацеутских састојака (API) или других једињења. Мала и уједначена величина честица од пресудног је значаја за повећање биорасположивости, брзине растварања и укупне ефикасности фармацеутских формулација.
• Разарање ћелија: У биофармацеутским истраживањима соникатори са сондом користе се за разарање ћелија ради ослобађања унутарћелијских компоненти. Ово је посебно важно за екстракцију протеина, ензима и других биомолекула из микробних ћелија или ћелија сисара гајених у култури.
• Хомогенизација: Хомогенизација фармацеутских формулација неопходна је за обезбеђивање равномерне расподеле састојака. Соникатори са сондом помажу у постизању хомогености разбијањем агломерата и равномерним дисперговањем компоненти.
• Формирање наноемулзија и липозома: Соникација се користи за стварање стабилних наноемулзија и липозома у фармацеутским формулацијама. Ови системи за испоруку нанометарских димензија користе се за испоруку лекова ради побољшања растворљивости и биорасположивости.
• Контрола квалитета и оптимизација процеса: Соникација је драгоцено средство за контролу квалитета у фармацеутској производњи. Она помаже у оптимизацији процеса обезбеђивањем доследне расподеле величине честица и хомогености, чиме доприноси поновљивости резултата између производних серија.
• Формулисање и развој лекова: Током формулисања и развоја лекова соникатори са сондом користе се за припрему стабилних суспензија, емулзија или дисперзија. Ово је од пресудног значаја за осмишљавање фармацеутских производа са жељеним физичким и хемијским својствима.

Наноматеријали у фармацији

Ултразвучне технологије имају пресудну улогу у припреми, обради и функционализацији наноматеријала у фармацеутским истраживањима и производњи. Интензивни ефекти ултразвука велике снаге, укључујући акустичну кавитацију, доприносе разбијању агломерата, дисперговању честица и емулговању нанокапљица. Соникатори високих перформанси компаније Hielscher пружају поуздано и ефикасно решење за испуњавање фармацеутских стандарда, обезбеђујући безбедну производњу и олакшавајући повећање обима производње без додатних напора за оптимизацију.

Обрада наноматеријала

Наноматеријали, нарочито наночестице, револуционисали су испоруку лекова у фармацији, пружајући проверен метод за оралну примену активних супстанци или њихову примену инјекцијом. Ова технологија повећава ефикасност дозирања и испоруке лекова, отварајући нове могућности за медицинско лечење. Могућност испоруке лекова, топлоте или других активних супстанци директно одређеним ћелијама, нарочито оболелим ћелијама, представља значајан напредак.

У терапији рака, лекови формулисани у нанооблику показали су обећавајуће резултате, користећи предности честица нанометарских димензија за испоруку високих доза лека директно туморским ћелијама, уз максимално повећање терапијских ефеката и минимално испољавање нежељених ефеката на друге органе. Нанометарске димензије омогућавају овим честицама да прођу кроз ћелијске зидове и мембране, ослобађајући активне супстанце тачно код циљаних ћелија.

Обрада наноматеријала, дефинисаних као честице димензија мањих од 100nm, доноси изазове који захтевају веће напоре. Ултразвучна кавитација представља добро утврђену технологију за деагломерацију и дисперговање наноматеријала. Угљеничне наноцеви (CNTs), нарочито вишезидне угљеничне наноцеви (MWCNTs) и једнозидне угљеничне наноцеви (SWCNTs), показују јединствена својства, пружајући велику унутрашњу запремину за инкапсулацију молекула лекова и специфичне површине за функционализацију.
 

Сонохемијска производња SWCNTs. Прах силицијум-диоксида у раствору смеше фероцена и ксилена сонициран је 20 мин. на собној температури и при амбијенталном притиску. Соникацијом настају SWCNTS високе чистоће на површини праха силицијум-диоксида. (Jeong et al. 2004)

Функционализоване угљеничне наноцеви (f-CNTs) имају кључну улогу у повећању растворљивости, омогућавању ефикасног циљања тумора и избегавању цитотоксичности. Ултразвучне технике олакшавају њихову производњу и функционализацију, попут сонохемијског метода за добијање SWCNTs високе чистоће. Поред тога, f-CNTs могу служити као системи за испоруку вакцина, повезивањем антигена са угљеничним наноцевима ради изазивања специфичних одговора антитела.
Керамичке наночестице добијене од силицијум-диоксида, титанијум-диоксида или алуминијум-оксида имају порозне површине, што их чини идеалним носачима лекова. Ултразвучна синтеза и таложење наночестица уз примену сонохемије пружају приступ одоздо нагоре за припрему једињења нанометарских димензија. Овај процес побољшава пренос масе, што доводи до мањих величина честица и веће уједначености

Ултразвучна синтеза и таложење наночестица

Ултразвучна обрада има суштинску улогу у функционализацији наночестица. Ова техника ефикасно разбија граничне слојеве око честица, омогућавајући новим функционалним групама да допру до површине честица. На пример, ултразвучна функционализација једнозидних угљеничних наноцеви (SWCNTs) фрагментима PL-PEG омета неспецифично ћелијско преузимање, истовремено подстичући специфично ћелијско преузимање за циљане примене.

Да би се добиле наночестице са одређеним карактеристикама и функцијама, површина честица мора бити модификована. Различити наносистеми, као што су полимерне наночестице, липозоми, дендримери, угљеничне наноцеви, квантне тачке итд., могу се успешно функционализовати ради ефикасне примене у фармацији.

Практичан пример ултразвучне функционализације честица:

Ултразвучна функционализација SWCNTs помоћу PL-PEG: Zeineldin и сар. (2009) показали су да дисперговање једнозидних угљеничних наноцеви (SWNTs) ултразвучним третманом са фосфолипид-полиетиленгликолом (PL-PEG) доводи до фрагментације PL-PEG, чиме се омета његова способност да блокира неспецифично преузимање од стране ћелија. Међутим, нефрагментисани PL-PEG подстиче специфично ћелијско преузимање циљано усмерених SWNTs посредством две различите класе рецептора које експримирају ћелије рака. Ултразвучни третман у присуству PL-PEG уобичајена је метода за дисперговање или функционализацију угљеничних наноцеви, а очуваност PEG важна је за подстицање специфичног ћелијског преузимања наноцеви функционализованих лигандима. Пошто је фрагментација вероватна последица ултразвучног третмана, технике која се често користи за дисперговање SWNTs, то може представљати проблем у одређеним применама, као што је испорука лекова.
 

Ултразвучно дисперговање SWCNTs са PL-PEG (Zeineldin и сар., 2009)

Ултразвучно формирање липозома

Још једна успешна примена ултразвука јесте припрема липозома и нанолипозома. Системи за испоруку лекова и гена засновани на липозомима имају значајну улогу у бројним терапијама, али и у козметици и исхрани. Липозоми су добри носачи, јер се активне супстанце растворљиве у води могу сместити у водено језгро липозома, а супстанце растворљиве у мастима у липидни слој. Липозоми се могу формирати применом ултразвука. Основни материјал за припрему липозома чине амфифилни молекули добијени из липида биолошких мембрана или засновани на њима. За формирање малих униламеларних везикула (SUV), липидна дисперзија се благо третира ултразвуком – нпр. ручним ултразвучним уређајем UP50H (50W, 30kHz), уређајем VialTweeter или ултразвучном чашастом сонотродом. Такав ултразвучни третман траје приближно 5 – 15 минута. Друга метода за добијање малих униламеларних везикула јесте ултразвучни третман липозома у облику мултиламеларних везикула.
Dinu-Pirvu и сар. (2010) извештавају о добијању трансферозома ултразвучним третманом MLV на собној температури.
Hielscher Ultrasonics нуди различите ултразвучне уређаје, сонотроде и додатну опрему како би се задовољили захтеви свих врста процеса.
Прочитајте више о екстракту алое вере добијеном ултразвучном екстракцијом и инкапсулацијом!

Ултразвучна инкапсулација супстанци у липозоме

Липозоми служе као носачи активних супстанци. Ултразвук је ефикасно средство за припрему и формирање липозома за заробљавање активних супстанци. Пре инкапсулације, липозоми имају тенденцију да формирају кластере услед површинске интеракције наелектрисања поларних глава фосфолипида (Míckova и сар. 2008), а поред тога морају да се отворе. На пример, Zhu и сар. (2003) описују инкапсулацију биотина у праху у липозоме ултразвучним третманом. Након додавања биотина у праху у раствор суспензије везикула, раствор је третиран ултразвуком приближно 1 сат. После овог третмана, биотин је био заробљен у липозомима.

Липозомалне емулзије

Да би се појачао негујући ефекат хидратантних крема или крема против старења, лосиона, гелова и других козмецеутских формулација, липозомским дисперзијама додају се емулгатори ради стабилизације већих количина липида. Међутим, истраживања су показала да је капацитет липозома генерално ограничен. Уз додатак емулгатора, овај ефекат ће се јавити раније, а додатни емулгатори смањују афинитет фосфатидилхолина према баријери. Наночестице – састављене од фосфатидилхолина и липида – представљају решење овог проблема. Ове наночестице чини капљица уља прекривена монослојем фосфатидилхолина. Употреба наночестица омогућава добијање формулација које могу да апсорбују више липида и остану стабилне, тако да додатни емулгатори нису потребни.
Ултразвучна обрада је доказана метода за производњу наноемулзија и нанодисперзија. Ултразвук веома високог интензитета обезбеђује снагу потребну да се течна фаза (диспергована фаза) распрши у ситне капљице у другој фази (континуалној фази). У зони дисперговања, кавитациони мехурићи који имплодирају изазивају интензивне ударне таласе у околној течности и доводе до стварања млазева течности велике брзине. Да би се новонастале капљице дисперговане фазе стабилизовале и спречила њихова коалесценција, емулзији се додају емулгатори (површински активне супстанце, сурфактанти) и стабилизатори. Пошто коалесценција капљица након уситњавања утиче на коначну расподелу величина капљица, користе се емулгатори који ефикасно стабилизују емулзију како би коначна расподела величина капљица остала једнака расподели непосредно након уситњавања капљица у ултразвучној зони дисперговања.

Липозомске дисперзије

Липозомске дисперзије на бази незасићеног фосфатидилхлорина недовољно су стабилне према оксидацији. Стабилизација дисперзије може се постићи антиоксидансима, као што је комплекс витамина C и E.
Ortan et al. (2002) постигли су добре резултате у својој студији ултразвучне припреме етарског уља Anethum graveolens у липозомима. Након ултразвучне обраде, величине липозома биле су између 70–150 nm, а за MLV између 230–475 nm; ове вредности су остале приближно константне и након 2 месеца, али су се повећале након 12 месеци, нарочито у SUV дисперзији (видети хистограме испод). Мерење стабилности у погледу губитка етарског уља и расподеле величина такође је показало да су липозомске дисперзије задржале садржај испарљивог уља. То указује на то да је инкапсулација етарског уља у липозоме повећала стабилност уља.
 

Стабилност MLV и SUV дисперзија након 1 године. Липозомске формулације чуване су на 4±1 ºC.
(Студија и графикон: ©Ortan et al., 2009):

 
Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучној припреми липозома!

Соникатори високих перформанси за фармацеутска истраживања и производњу

Hielscher Ultrasonics је ваш водећи добављач висококвалитетних соникатора високих перформанси за истраживања и производњу фармацеутских производа. Уређаји у распону од 50 вати па све до 16.000 вати омогућавају проналажење одговарајућег ултразвучног процесора за сваку запремину и сваки процес. Захваљујући високим перформансама, поузданости, робусности и једноставном руковању овим уређајима, ултразвучна обрада представља незаменљиву технику за припрему и обраду наноматеријала. Опремљени системима CIP (чишћење на месту) и SIP (стерилизација на месту), Hielscher соникатори гарантују безбедну и ефикасну производњу у складу са фармацеутским стандардима. Сви специфични ултразвучни процеси могу се лако испитати у лабораторијским размерама или на стоним уређајима. Резултати ових испитивања потпуно су поновљиви, тако да је накнадно повећање размера процеса линеарно и може се лако спровести без додатних напора у погледу оптимизације процеса.

Соникатори Hielscher: пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher познати су по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако подносе тешке услове и захтевна радна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу употребе. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Литература/Референце

• 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.

 

Ултразвук је иновативна технологија која се успешно користи за сонохемијску синтезу, деагломерацију, дисперговање, емулговање, функционализацију и активацију честица. Посебно у нанотехнологији, ултразвучна обрада је неопходна техника за синтезу и обраду материјала нанометарских димензија. Будући да је нанотехнологија привукла тако изузетно научно интересовање, честице нанометарских димензија користе се у изузетно великом броју научних и индустријских области. Фармацеутска индустрија такође је открила велики потенцијал овог прилагодљивог и разноврсног материјала. Сходно томе, наночестице се користе у различитим функционалним применама у фармацеутској индустрији, које обухватају:

• испоруку лекова (носач)
• дијагностичке производе
• паковање производа
• откривање биомаркера