Ultraljudsbehandling av nanopartiklar för läkemedel

Sonikatorer av probtyp spelar en avgörande roll inom läkemedelsforskning och läkemedelstillverkning genom att erbjuda en kraftfull och kontrollerad metod för partikelstorleksreduktion, cellsönderdelning och homogenisering. Sonikatorer använder ultraljudsvågor för att skapa kavitation, vilket leder till att mikroskopiska bubblor bildas och kollapsar. Detta fenomen genererar intensiva skjuvkrafter och stötvågor som effektivt sönderdelar partiklar eller celler.

Här är några viktiga aspekter av användningen av sonikatorer av probtyp i farmaceutiska tillämpningar:

• Partikelstorleksreduktion: Probsonikatorer används för att minska partikelstorleken hos aktiva farmaceutiska substanser (API:er) eller andra föreningar. En liten och enhetlig partikelstorlek är avgörande för att förbättra biotillgängligheten, upplösningshastigheten och den övergripande effekten hos läkemedelsberedningar.
• Cellsönderdelning: Inom biofarmaceutisk forskning används probsonikatorer för cellsönderdelning för att frigöra intracellulära komponenter. Detta är särskilt viktigt för extraktion av proteiner, enzymer och andra biomolekyler från mikrobiella celler eller odlade däggdjursceller.
• Homogenisering: Homogenisering av läkemedelsberedningar är avgörande för att säkerställa en jämn fördelning av ingredienserna. Probsonikatorer bidrar till att uppnå homogenitet genom att bryta upp agglomerat och dispergera komponenterna jämnt.
• Bildning av nanoemulsioner och liposomer: Ultraljudsbehandling används för att skapa stabila nanoemulsioner och liposomer i läkemedelsberedningar. Dessa tillförselsystem i nanoskala används för läkemedelstillförsel för att förbättra lösligheten och biotillgängligheten.
• Kvalitetskontroll och processoptimering: Ultraljudsbehandling är ett värdefullt verktyg för kvalitetskontroll vid läkemedelstillverkning. Den hjälper till att optimera processer genom att säkerställa en konsekvent partikelstorleksfördelning och homogenitet, vilket bidrar till reproducerbarhet mellan tillverkningssatser.
• Läkemedelsformulering och läkemedelsutveckling: Vid läkemedelsformulering och läkemedelsutveckling används probsonikatorer för att framställa stabila suspensioner, emulsioner eller dispersioner. Detta är avgörande för att utforma läkemedelsprodukter med önskade fysikaliska och kemiska egenskaper.

Nanomaterial i läkemedel

Ultraljudsteknik spelar en central roll vid framställning, bearbetning och funktionalisering av nanomaterial inom läkemedelsforskning och läkemedelstillverkning. De intensiva effekterna av högeffektsultraljud, inklusive akustisk kavitation, bidrar till att bryta upp agglomerat, dispergera partiklar och emulgera nanodroppar. Hielschers högpresterande sonikatorer erbjuder en tillförlitlig och effektiv lösning för läkemedelsindustrins standarder, säkerställer säker produktion och underlättar uppskalning utan ytterligare optimeringsarbete.

Bearbetning av nanomaterial

Nanomaterial, särskilt nanopartiklar, har revolutionerat läkemedelstillförseln genom att erbjuda en beprövad metod för att administrera aktiva substanser oralt eller genom injektion. Denna teknik effektiviserar dosering och tillförsel av läkemedel och öppnar nya vägar för medicinska behandlingar. Möjligheten att tillföra läkemedel, värme eller andra aktiva substanser direkt till specifika celler, särskilt sjuka celler, utgör ett betydande framsteg.

Inom cancerbehandling har nanoformulerade läkemedel visat lovande resultat genom att utnyttja fördelen med partiklar i nanostorlek för att tillföra höga läkemedelsdoser direkt till tumörceller, vilket maximerar de terapeutiska effekterna samtidigt som biverkningarna på andra organ minimeras. Storleken på nanoskalan gör att dessa partiklar kan passera genom cellväggar och membran och frisätta aktiva substanser precis vid målcellerna.

Bearbetning av nanomaterial, definierade som partiklar med dimensioner mindre än 100nm, medför utmaningar som kräver större insatser. Ultraljudskavitation framstår som en väletablerad teknik för att deagglomerera och dispergera nanomaterial. Kolnanorör (CNTs), särskilt flerväggiga kolnanorör (MWCNTs) och enkelväggiga kolnanorör (SWCNTs), uppvisar unika egenskaper och erbjuder en stor inre volym för inkapsling av läkemedelsmolekyler samt distinkta ytor för funktionalisering.
 

Sonokemisk framställning av SWCNTs. Kiseldioxidpulver i en lösning av en ferrocen–xylenblandning har ultraljudsbehandlats i 20 min. vid rumstemperatur och omgivningstryck. Ultraljudsbehandling ger SWCNTS med hög renhet på kiseldioxidpulvrets yta. (Jeong et al. 2004)

Funktionaliserade kolnanorör (f-CNTs) spelar en avgörande roll för att förbättra lösligheten, möjliggöra effektiv tumörinriktning och undvika cytotoxicitet. Ultraljudstekniker underlättar deras framställning och funktionalisering, exempelvis den sonokemiska metoden för SWCNTs med hög renhet. Dessutom kan f-CNTs fungera som system för vaccintillförsel genom att antigener kopplas till kolnanorör för att framkalla specifika antikroppssvar.
Keramiska nanopartiklar framställda från kiseldioxid, titandioxid eller aluminiumoxid har porösa ytor, vilket gör dem till idealiska läkemedelsbärare. Ultraljudssyntes och utfällning av nanopartiklar med hjälp av sonokemi erbjuder en bottom-up-metod för framställning av föreningar i nanostorlek. Processen förbättrar massöverföringen, vilket ger mindre partikelstorlekar och högre enhetlighet

Ultraljudssyntes och utfällning av nanopartiklar

Ultraljudsbehandling spelar en viktig roll vid funktionalisering av nanopartiklar. Tekniken bryter effektivt upp gränsskikt runt partiklar så att nya funktionella grupper kan nå partikelytan. Exempelvis hämmar ultraljudsfunktionalisering av enkelväggiga kolnanorör (SWCNTs) med PL-PEG-fragment ospecifikt cellupptag samtidigt som den främjar specifikt cellupptag för riktade tillämpningar.

För att erhålla nanopartiklar med specifika egenskaper och funktioner måste partiklarnas yta modifieras. Olika nanosystem som polymera nanopartiklar, liposomer, dendrimerer, kolnanorör, kvantprickar etc. kan framgångsrikt funktionaliseras för effektiv användning inom farmaci.

Praktiskt exempel på partikelfunktionalisering med ultraljud:

Ultraljudsfunktionalisering av SWCNTs med PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) visade att dispergering av enkelväggiga kolnanorör (SWNTs) genom ultraljudsbehandling med fosfolipid-polyetylenglykol (PL-PEG) fragmenterar PL-PEG, vilket stör dess förmåga att blockera ospecifikt upptag i celler. Ofragmenterat PL-PEG främjar däremot specifikt cellulärt upptag av målstyrda SWNTs via två olika klasser av receptorer som uttrycks av cancerceller. Ultraljudsbehandling i närvaro av PL-PEG är en vanlig metod för att dispergera eller funktionalisera kolnanorör, och PEG:s integritet är viktig för att främja specifikt cellulärt upptag av ligandfunktionaliserade nanorör. Eftersom fragmentering är en sannolik följd av ultraljudsbehandling, en teknik som ofta används för att dispergera SWNTs, kan detta vara ett problem för vissa tillämpningar, såsom läkemedelstillförsel.
 

Ultraljudsdispergering av SWCNTs med PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Bildning av liposomer med ultraljud

En annan framgångsrik tillämpning av ultraljud är framställning av liposomer och nanoliposomer. Liposombaserade system för läkemedels- och gentillförsel spelar en betydande roll i många olika behandlingar, men även inom kosmetik och nutrition. Liposomer är bra bärare, eftersom vattenlösliga aktiva substanser kan placeras i liposomernas vattenhaltiga inre eller, om substansen är fettlöslig, i lipidskiktet. Liposomer kan bildas med hjälp av ultraljud. Grundmaterialet för framställning av liposomer är amfifila molekyler som härrör från eller är baserade på biologiska membranlipider. För att bilda små unilamellära vesiklar (SUV) ultraljudsbehandlas lipiddispersionen varsamt – t.ex. med den handhållna ultraljudsapparaten UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter eller ett ultraljudskopphorn. En sådan ultraljudsbehandling varar i cirka 5 – 15 minuter. En annan metod för att framställa små unilamellära vesiklar är ultraljudsbehandling av liposomer i form av multilamellära vesiklar.
Dinu-Pirvu et al. (2010) rapporterar att transferosomer erhålls genom ultraljudsbehandling av MLV vid rumstemperatur.
Hielscher Ultrasonics erbjuder olika ultraljudsapparater, sonotroder och tillbehör för att uppfylla kraven för alla slags processer.
Läs mer om ultraljudsextraherat och inkapslat Aloe vera-extrakt!

Inkapsling av substanser i liposomer med ultraljud

Liposomer fungerar som bärare för aktiva substanser. Ultraljud är ett effektivt verktyg för att framställa och bilda liposomer för inneslutning av aktiva substanser. Före inkapslingen tenderar liposomerna att bilda kluster på grund av laddning–laddningsinteraktionen mellan fosfolipidernas polära huvudgrupper på ytan (Míckova et al. 2008), och de måste dessutom öppnas. Som exempel beskriver Zhu et al. (2003) inkapsling av biotinpulver i liposomer med hjälp av ultraljudsbehandling. När biotinpulvret tillsattes till vesikelsuspensionen ultraljudsbehandlades lösningen i cirka 1 timme. Efter denna behandling var biotin inneslutet i liposomerna.

Liposomala emulsioner

För att förstärka den vårdande effekten hos återfuktande eller åldersmotverkande krämer, lotioner, geler och andra kosmeceutiska formuleringar tillsätts emulgeringsmedel till de liposomala dispersionerna för att stabilisera större mängder lipider. Undersökningar har dock visat att liposomernas kapacitet generellt är begränsad. Vid tillsats av emulgeringsmedel uppträder denna effekt tidigare, och de extra emulgeringsmedlen försvagar fosfatidylkolinets barriäraffinitet. Nanopartiklar – bestående av fosfatidylkolin och lipider – är svaret på detta problem. Dessa nanopartiklar utgörs av en oljedroppe som är täckt av ett monolager av fosfatidylkolin. Användningen av nanopartiklar möjliggör formuleringar som kan ta upp mer lipider och förbli stabila, så att inga ytterligare emulgeringsmedel behövs.
Ultraljudsbehandling är en beprövad metod för framställning av nanoemulsioner och nanodispersioner. Högintensivt ultraljud tillför den effekt som behövs för att dispergera en vätskefas (dispergerad fas) som små droppar i en andra fas (kontinuerlig fas). I dispergeringszonen orsakar imploderande kavitationsbubblor intensiva stötvågor i den omgivande vätskan och ger upphov till vätskestrålar med hög hastighet. För att stabilisera de nybildade dropparna i den dispergerade fasen mot koalescens tillsätts emulgeringsmedel (ytaktiva ämnen, tensider) och stabilisatorer till emulsionen. Eftersom dropparnas koalescens efter uppbrytningen påverkar den slutliga droppstorleksfördelningen används effektivt stabiliserande emulgeringsmedel för att bibehålla en slutlig droppstorleksfördelning som motsvarar fördelningen omedelbart efter droppuppbrytningen i ultraljudets dispergeringszon.

Liposomala dispersioner

Liposomala dispersioner som är baserade på omättat fosfatidylklorin har bristande stabilitet mot oxidation. Dispersionen kan stabiliseras med antioxidanter, exempelvis med ett komplex av vitaminerna C och E.
Ortan et al. (2002) uppnådde goda resultat i sin studie av ultraljudsbaserad beredning av eterisk olja från Anethum graveolens i liposomer. Efter ultraljudsbehandlingen var liposomernas storlek mellan 70–150 nm och för MLV mellan 230–475 nm; dessa värden var ungefär konstanta även efter 2 månader, men ökade efter 12 månader, särskilt i SUV-dispersionen (se histogrammen nedan). Stabilitetsmätningen, som avsåg förlust av eterisk olja och storleksfördelning, visade också att de liposomala dispersionerna bibehöll halten av flyktig olja. Detta tyder på att inkapslingen av den eteriska oljan i liposomer ökade oljans stabilitet.
 

Stabilitet hos MLV- och SUV-dispersioner efter 1 år. Liposomala formuleringar förvarades vid 4±1 ºC.
(Studie och grafik: ©Ortan et al., 2009):

 
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsbaserad liposomberedning!

Högpresterande ultraljudsapparater för läkemedelsforskning och läkemedelstillverkning

Hielscher Ultrasonics är din främsta leverantör av högkvalitativa, högpresterande ultraljudsapparater för forskning och tillverkning av läkemedel. Apparater i intervallet från 50 watt upp till 16 000 watt gör det möjligt att hitta rätt ultraljudsprocessor för varje volym och varje process. Tack vare apparaternas höga prestanda, tillförlitlighet, robusthet och enkla handhavande är ultraljudsbehandling en oumbärlig teknik för beredning och bearbetning av nanomaterial. Utrustade med CIP (rengöring på plats) och SIP (sterilisering på plats) garanterar Hielschers ultraljudsapparater säker och effektiv produktion enligt farmaceutiska standarder. Alla specifika ultraljudsprocesser kan enkelt testas i laboratorie- eller bänkskala. Resultaten från dessa försök är fullständigt reproducerbara, så att den efterföljande uppskalningen är linjär och enkelt kan genomföras utan ytterligare insatser för processoptimering.

Hielscher ultraljudsapparater: konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för att uppfylla de allra högsta standarderna för kvalitet och konstruktion. Robusthet och enkel användning gör det möjligt att smidigt integrera våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater är naturligtvis CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Litteratur/Referenser

• 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.

 

Ultraljud är en innovativ teknik som framgångsrikt används för sonokemisk syntes, deagglomerering, dispergering, emulgering, funktionalisering och aktivering av partiklar. Särskilt inom nanoteknik är ultraljudsbehandling en oumbärlig teknik för syntes och bearbetning av material i nanostorlek. Eftersom nanoteknik har väckt detta enastående vetenskapliga intresse används partiklar i nanostorlek inom utomordentligt många vetenskapliga och industriella områden. Även läkemedelsindustrin har upptäckt den stora potentialen hos detta flexibla och varierbara material. Följaktligen används nanopartiklar i olika funktionella tillämpningar inom läkemedelsindustrin, bland annat:

• läkemedelstillförsel (bärare)
• diagnostiska produkter
• produktförpackningar
• upptäckt av biomarkörer