Produktion av biologiskt nedbrytbara nanosfärer
Biologiskt nedbrytbara mikro- och nanosfärer kan produceras i en kontinuerlig, kontakt- och kontamineringsfri process som lätt kan köras under sterila förhållanden.
Införandet
Biologiskt nedbrytbara mikro- och nanosfärer (MS, NS) tillverkade av poly(laktid-koglykolid) (PLGA) eller andra material är mycket potenta system för leverans av läkemedel och antigener med inneboende potential för målinriktning av läkemedel och antigener. Nuvarande metoder för att producera PLGA NS är typiska batchprocesser och lider av svårigheter att skala upp under sterila förhållanden. Här presenterar vi en ny och elegant metod för att producera PLGA NS i en kontinuerlig, kontakt- och Kontamineringsfri process som lätt kan köras under sterila förhållanden. Under hela tillverkningsprocessen är produkten endast i direkt kontakt med sterilt glas och teflonrör®. Processen kan köras i ett slutet system för att förhindra miljöförorening.
metoder
PLGA50:50-nanopartiklar (Resomer® RG503H, Boehringer Ingelheim) producerades med hjälp av en modifierad lösningsmedelsextraktions-/indunstningsprocess [1]. PLGA löst i diklormetan (2 eller 5 %) dispergerades i vattenhaltig 0,5 % (vikt/vikt) PVA-lösning med hjälp av den nya experimentella uppställningen med kontaktfritt genomflöde ultraljud cell. Den grova O/W-dispersionen förblandades först av en magnetomrörare och homogeniserades sedan i Ultraljud genomströmningscell (flödeshastigheterna för O- och W-faserna var vid 1:8). De ursprungligen bildade PLGA-lösningsmedelsnanodropparna stelnade gradvis under passagen i rören för att bli PLGA-nanopartiklar. Slutlig härdning av partiklarna uppnåddes i en större volym av 0,5 % PVA-lösning.
Fig. 1: Experimentell uppställning för produktion av PLGA-nanosfärer
Fig. 2: Utformning av Ultraljud genomströmningscell
Resultat
Nanopartiklar med en genomsnittlig diameter på 485 nm framställdes lätt från en 2% PLGA-lösning i DCM vid 32W ultraljudsbehandling effekt (Tab. 1). Storleksfördelningen var monomodal med en liten svansning (fig. 3A). Nanopartikelstorlekarna ökade från 175 till 755 nm enligt percentilerna 10 och 90 %. Repeterbarheten i produktionsprocessen var genomgående god, vilket återspeglades av endast en liten variation i den genomsnittliga partikeldiametern. Sänkning av emulsioner Uppehållstiden i ljudfältet från 14 till 7 sekunder hade endast en mindre inverkan på nanopartikelstorleken. En minskning av ultraljudsbehandling effekt från 32 till 25W, emellertid, resulterade i en betydande ökning av den genomsnittliga partikelstorleken från 485 till 700nm, orsakad av en mer uttalad svansning av storleksfördelningskurvan (Fig. 3A). En mindre framträdande, men signifikant ökning av den genomsnittliga partikelstorleken från 485 till 600 nm sågs vid användning av en 5 % istället för en 2 % PLGA-lösning.
Slutligen byttes den mer hydrofila PLGA ut mot den mer hydrofoba och lägre molekylvikten PLA utan märkbara förändringar i partiklarnas medelstorlek och storleksfördelning. Inga skillnader observerades i morfologin hos de olika satserna av partiklar framställda av 2% polymerlösningar. De uppvisade alla perfekt sfäriska former och släta ytor (fig. 3B). Partiklarna som tillverkades från 5% PLGA-lösningen var dock mindre sfäriska, uppvisade något skrynkliga ytor och sammansmältningar av två eller ibland fler partiklar (fig. 3C).
Tabell 1. Medeldiameter för PLGA50:50 nanosfärer preparerade under olika förhållanden. Medelvärdet av två satser ± absolut avvikelse.
Fig. 3: PLGA nanopartiklar. (A): Storleksfördelning av partiklar beredda vid polymerkoncentration / ultraljudsbehandling effekt på 2% / 32W, 5% / 32W och 2% / 25W%; uppehållstid = 14 s. (B),(C): SEM-bilder av partiklar framställda av 2 respektive 5% polymerlösningar. Uppehållstid = 14s; ultraljudsbehandling effekt = 32W. Staplar representerar 1 mikron.
Diskussion och slutsatser
Den Ultraljud genomströmningscell visade sig vara väl lämpad för extraktion/avdunstningsbaserad produktion av emulsionslösningsmedel och bionedbrytbara polymera nanosfärer. Framtida forskning kommer att inriktas på att skala upp processen och öka effekttillförseln för att få ännu finare emulsioner. Dessutom är cellens lämplighet för framställning av vatten-i-olja Emulsioner, t.ex. för vidare bearbetning till läkemedelsladdade mikrosfärer, kommer att studeras.
Litteratur
Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.:En snabb och enkel metod för att producera biologiskt nedbrytbara nanosfärer, i: European Cells and Materials Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (sida 28)
Denna information presenterades vid Swiss Society of Biomaterials
Fig. 2: Formgivning einer Ultraschall-Durchflusszelle
Ergebnisse
Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 485nm könnten vollständig aus einer 2% PLGA-Lösung in DCM bei 32W Beschallungsleistung gewonnen werden (Tab. 1). Die Größenverteilung zeigt sich monomodal mit einem leicht verzögertem Auslaufen der Kurve (Fig. 3A). Entsprechend des Perzentilwertes von 10 und 90% erstreckte sich die Nanopartikelgröße von 175 bis 755nm. Die Wiederholbarkeit des Produktionsprozesses war durchwegs gut, was auf die nur geringe Variabilität des durchschnittlichen Partikeldurchmessers zurückzuführen ist. Eine Verringerung der Beschallungszeit, bei der die emulsion statt 14 nur noch 7 Sekunden dem Ultraschallfeld ausgesetzt wird, hat nur wenig Auswirkung auf die Größe der Nanopartikel. Ein Herabsetzen der Beschallungsleistung von 32 auf 25W bewirkt hingegen einen beträchtlichen Anstieg des durchschnittlichen Partikeldurchmessers von 485 auf 700nm, der durch ein deutlicheres Verschieben der Größenverteilungskurve hervorgerufen wird (Fig. 3A). Ein nicht so markanter, aber trotzdem beachtenswerter Anstieg der durchschnittlichen Partikelgröße von 485 auf 600nm könnte festgestellt werden, wenn anstatt einer 2% eine 5% PLGA-Lösung verwendet wurde. Abschließend wurde das hydrophile PLGA gegen das hydrophobe PLA, welches zudem ein niedrigereres Molekulergewicht aufweist, ausgetauscht, wobei allerdings keine bemerkenswerten Veränderungen bezüglich der durchschnittlichen Partikelgröße und der Größenverteilung beobachtet werden können. In ihrer Morphologie zeigten die verschiedenen Batches, die eine 2% Polymerlösung enthielten, keine Unterschiede. Alle zeigten perfekte Kugelformen und glatte Oberflächen (Fig. 3B). Die Partikel aus einer 5% PLGA-Lösung zeigen hingegen weniger perfekte Kugelformen, wiesen leicht faltige Oberflächen und Fusionen zwei oder mehrerer Partikel auf (Fig. 3C).
Tabell 1. Durchschnittlicher Durchmesse von PLGA50:50 Nanosphären, unter variierenden Bedingungen aufbereitet. Durchschnitt zweier Batches ± der absoluten Abweichung.
Fig. 3: PLGA Nanopartikel. (A): Größenverteilung bei Partikeln, die bei einer Polymerkonzentration/Beschallungsintensität von 2%/ 32W, 5%/ 32W und 2%/ 25W%; Verweilzeit = 14 s. (B),(C): SEM Bilder der Partikel, die aus 2% bzw. 5% Polymerlösungen vorbereitet wurden. Verweilzeit = 14s; Beschallungsintensität = 32W. Die Balken zeigen jeweils den Maßstab von 1 Mikrometer an.
Diskussion und Schlussfolgerung
dö Ultraschall-Durchflusszelle wurde speziell für die Emulsion-Lösungsmittel-Extraktion / Evaporation basierte Herstellung von biologisch abbaubaren Polymer-Nanosphären entworfen. Die zukünftige Forschung auf diesem Gebiet wird auf ein Scale-up des Prozesses ausgerichtet sein, ebenso wie auf eine Steigerung des Leistungseintrages, um noch feinere Emulsionen zu erhalten. Zudem wird Zelle auf ihre Tauglichkeit bei der Herstellung von Wasser-in-Öl-Emulsionen Untersucht, Z. B. für die weiteren Entwicklungen von mit Wirkstoff angereicherten Mikrosphären (z.B für Depotarzneimittel).
Literatur
Freitas, S.; Hielscher, G.; Merkle, H. P.; Gander, B.:En snabb och enkel metod för att producera biologiskt nedbrytbara nanosfärer, i: European Cells and Materials Vol. 7. Suppl. 2, 2004 (sida 28)
Dieser Artikel wurde von der Swiss Society of Biomaterials veröffentlich.