Farmasötik Ürünler İçin Nanopartiküllerin Ultrasonik İşlemi

Prob tipi sonikatörler, partikül boyutunu küçültme, hücre parçalama ve homojenizasyon için güçlü ve kontrollü bir yöntem sağlayarak farmasötik araştırma ve üretimde kritik bir rol oynar. Sonikatörler, mikroskobik kabarcıkların oluşmasına ve çökmesine yol açan kavitasyonu oluşturmak için ultrasonik dalgalar kullanır. Bu olgu, yoğun kesme kuvvetleri ve şok dalgaları oluşturarak partikülleri etkili biçimde parçalar veya hücreleri parçalar.

Prob tipi sonikatörlerin farmasötik uygulamalarda kullanımının bazı temel yönleri şunlardır:

• Partikül Boyutunun Küçültülmesi: Prob sonikatörleri, etkin farmasötik bileşenlerin (API) veya diğer bileşiklerin partikül boyutunu küçültmek için kullanılır. Partiküllerin küçük ve tekdüze boyutta olması, farmasötik formülasyonların biyoyararlanımını, çözünme hızlarını ve genel etkinliğini artırmak için hayati önem taşır.
• Hücre Parçalama: Biyofarmasötik araştırmalarda prob sonikatörleri, hücre içi bileşenleri serbest bırakmak üzere hücre parçalama için kullanılır. Bu, özellikle mikrobiyal hücrelerden veya kültürlenmiş memeli hücrelerinden proteinlerin, enzimlerin ve diğer biyomoleküllerin ekstraksiyonu için önemlidir.
• Homojenizasyon: Farmasötik formülasyonların homojenizasyonu, bileşenlerin tekdüze dağılımını sağlamak için gereklidir. Prob sonikatörleri, aglomeraları parçalayarak ve bileşenleri eşit biçimde disperse ederek homojenliğin sağlanmasına yardımcı olur.
• Nanoemülsiyon ve Lipozom Oluşumu: Sonikasyon, farmasötik formülasyonlarda kararlı nanoemülsiyonlar ve lipozomlar oluşturmak için kullanılır. Bu nano ölçekli taşıma sistemleri, çözünürlüğü ve biyoyararlanımı artırmak üzere ilaç taşınmasında kullanılır.
• Kalite Kontrol ve Proses Optimizasyonu: Sonikasyon, farmasötik üretimde kalite kontrol için değerli bir araçtır. Tutarlı partikül boyutu dağılımı ve homojenlik sağlayarak proseslerin optimize edilmesine yardımcı olur ve partiler arası tekrarlanabilirliğe katkıda bulunur.
• İlaç Formülasyonu ve Geliştirme: İlaç formülasyonu ve geliştirme sırasında prob sonikatörleri, kararlı süspansiyonlar, emülsiyonlar veya dispersiyonlar hazırlamak için kullanılır. Bu, istenen fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip farmasötik ürünlerin tasarlanması için kritik önem taşır.

Farmasötik Ürünlerde Nanomalzemeler

Ultrasonik teknolojiler, farmasötik araştırma ve üretimde nanomalzemelerin hazırlanması, işlenmesi ve fonksiyonelleştirilmesinde kilit bir rol oynar. Akustik kavitasyon dahil olmak üzere yüksek güçlü ultrasonun yoğun etkileri, aglomeraların parçalanmasına, partiküllerin disperse edilmesine ve nano damlacıkların emülsifiye edilmesine katkıda bulunur. Hielscher yüksek performanslı sonikatörleri, farmasötik standartlar için güvenilir ve verimli bir çözüm sunarak güvenli üretim sağlar ve ek optimizasyon çabaları olmadan ölçek büyütmeyi kolaylaştırır.

Nanomalzemelerin İşlenmesi

Nanomalzemeler, özellikle nanopartiküller, etkin maddelerin ağız yoluyla veya enjeksiyonla uygulanması için kanıtlanmış bir yöntem sunarak farmasötik ürünlerde ilaç taşınmasında devrim yaratmıştır. Bu teknoloji, ilaç dozlama ve taşıma verimliliğini artırarak tıbbi tedaviler için yeni yollar açar. İlaçları, ısıyı veya diğer etkin maddeleri doğrudan belirli hücrelere, özellikle hastalıklı hücrelere iletebilmek önemli bir ilerlemeyi temsil eder.

Kanser tedavisinde nano formüle edilmiş ilaçlar, nano boyutlu partiküllerin avantajından yararlanarak yüksek ilaç dozlarını doğrudan tümör hücrelerine iletmek, terapötik etkileri en üst düzeye çıkarırken diğer organlardaki yan etkileri en aza indirmek açısından umut verici sonuçlar göstermiştir. Nano ölçekli boyut, bu partiküllerin hücre duvarlarından ve zarlarından geçmesini ve etkin maddeleri tam olarak hedeflenen hücrelerde serbest bırakmasını sağlar.

Boyutları 100nm’den küçük partiküller olarak tanımlanan nanomalzemelerin işlenmesi, daha fazla çaba gerektiren zorluklar içerir. Ultrasonik kavitasyon, nanomalzemelerin deaglomerasyonu ve dispersiyonu için yerleşik bir teknoloji olarak öne çıkar. Karbon Nanotüpler (CNTs), özellikle Çok Duvarlı Karbon Nanotüpler (MWCNTs) ve Tek Duvarlı Karbon Nanotüpler (SWCNTs), ilaç moleküllerinin enkapsülasyonu için geniş bir iç hacim ve fonksiyonelleştirme için farklı yüzeyler sunan benzersiz özelliklere sahiptir.
 

SWCNTs’nin sonokimyasal üretimi. Ferrosen–ksilen karışımı çözeltisindeki silika tozu, oda sıcaklığında ve ortam basıncında 20 min. boyunca sonikasyona tabi tutulmuştur. Sonikasyon, silika tozunun yüzeyinde yüksek saflıkta SWCNTS üretir. (Jeong et al. 2004)

Fonksiyonelleştirilmiş Karbon Nanotüpler (f-CNTs), çözünürlüğün artırılmasında, tümörlerin verimli biçimde hedeflenmesinde ve sitotoksisiteden kaçınılmasında kritik bir rol oynar. Ultrasonik teknikler, yüksek saflıkta SWCNTs için kullanılan sonokimyasal yöntem gibi, bunların üretimini ve fonksiyonelleştirilmesini kolaylaştırır. Ayrıca f-CNTs, spesifik antikor yanıtları oluşturmak üzere antijenleri karbon nanotüplere bağlayarak aşı taşıma sistemleri olarak kullanılabilir.
Silika, titanya veya alüminadan elde edilen seramik nanopartiküller gözenekli yüzeylere sahiptir ve bu nedenle ideal ilaç taşıyıcılarıdır. Sonokimyadan yararlanan ultrasonik nanopartikül sentezi ve çöktürme, nano boyutlu bileşiklerin hazırlanması için aşağıdan yukarıya bir yaklaşım sunar. Proses, kütle transferini artırarak daha küçük partikül boyutları ve daha yüksek tekdüzelik sağlar

Nanopartiküllerin Ultrasonik Sentezi ve Çöktürülmesi

Sonikasyon, nanopartiküllerin fonksiyonelleştirilmesinde hayati bir rol oynar. Bu teknik, partiküllerin çevresindeki sınır tabakalarını verimli biçimde parçalayarak yeni fonksiyonel grupların partikül yüzeyine ulaşmasını sağlar. Örneğin, Tek Duvarlı Karbon Nanotüplerin (SWCNTs) PL-PEG parçalarıyla ultrasonik fonksiyonelleştirilmesi, hedefli uygulamalar için spesifik hücresel alımı desteklerken spesifik olmayan hücresel alımı engeller.

Belirli özelliklere ve işlevlere sahip nanopartiküller elde etmek için partiküllerin yüzeyi değiştirilmelidir. Polimerik nanopartiküller, lipozomlar, dendrimerler, karbon nanotüpler, kuantum noktaları vb. çeşitli nanosistemler, farmasötik alanda verimli kullanım için başarıyla fonksiyonelleştirilebilir.

Ultrasonik Partikül Fuctionalization İşleminin Pratik Örneği:

SWCNTs’nin PL-PEG ile Ultrasonik Fonksiyonelleştirilmesi: Zeineldin et al. (2009), tek duvarlı karbon nanotüplerin (SWNTs) fosfolipit–polietilen glikol (PL-PEG) ile sonikasyon yoluyla disperse edilmesinin PL-PEG’yi parçaladığını ve böylece hücreler tarafından spesifik olmayan alımı engelleme yeteneğini bozduğunu göstermiştir. Buna karşılık, parçalanmamış PL-PEG, kanser hücreleri tarafından eksprese edilen iki farklı reseptör sınıfına hedeflenen SWNTs’nin spesifik hücresel alımını destekler. PL-PEG varlığında ultrasonik işlem, karbon nanotüpleri disperse etmek veya fonksiyonelleştirmek için kullanılan yaygın bir yöntemdir ve PEG’nin bütünlüğü, ligandlarla fonksiyonelleştirilmiş nanotüplerin spesifik hücresel alımını desteklemek açısından önemlidir. Parçalanma, SWNTs’yi disperse etmek için yaygın olarak kullanılan bir teknik olan sonikasyonun olası bir sonucu olduğundan, bu durum ilaç taşıma gibi belirli uygulamalar için endişe konusu olabilir.
 

SWCNTs’nin PL-PEG ile ultrasonik dispersiyonu (Zeineldin et al., 2009)

Ultrasonik Lipozom Oluşumu

Ultrasonun bir diğer başarılı uygulaması, lipozomların ve nano lipozomların hazırlanmasıdır. Lipozom temelli ilaç ve gen taşıma sistemleri, çeşitli tedavilerin yanı sıra kozmetik ve beslenme alanlarında da önemli bir rol oynar. Suda çözünen etkin maddeler lipozomların sulu merkezine veya madde yağda çözünüyorsa lipit tabakasına yerleştirilebildiğinden, lipozomlar iyi taşıyıcılardır. Lipozomlar ultrason kullanılarak oluşturulabilir. Lipozom hazırlamanın temel malzemesi, biyolojik zar lipitlerinden türetilmiş veya bunlara dayanan amphilic moleküllerdir. Küçük tek lamelli veziküllerin (SUV) oluşumu için lipit dispersiyonu hafifçe sonikasyona tabi tutulur – örneğin elde tutulan UP50H sonikatörü (50W, 30kHz), VialTweeter veya ultrasonik kap tipi horn ile. Böyle bir ultrasonik işlemin süresi yaklaşık 5 – 15 dakikadır. Küçük tek lamelli veziküller üretmenin bir başka yöntemi, çok lamelli vezikül lipozomlarının sonikasyonudur.
Dinu-Pirvu et al. (2010), oda sıcaklığında MLV’lerin sonikasyonuyla transferozomların elde edildiğini bildirmektedir.
Hielscher Ultrasonics, her türlü prosesin gereksinimini karşılamak için çeşitli ultrasonik cihazlar, sonotrotlar ve aksesuarlar sunar.
Ultrasonik olarak ekstrakte edilmiş ve enkapsüle edilmiş Aloe vera ekstraktı hakkında daha fazla bilgi edinin!

Etkin Maddelerin Lipozomlara Ultrasonik Enkapsülasyonu

Lipozomlar, etkin maddeler için taşıyıcı görevi görür. Ultrason, etkin maddeleri hapsetmek üzere lipozomların hazırlanması ve oluşturulması için etkili bir araçtır. Enkapsülasyondan önce lipozomlar, fosfolipitlerin polar baş gruplarının yüzeyindeki yük–yük etkileşimi nedeniyle kümeler oluşturma eğilimindedir (Míckova et al. 2008); ayrıca açılmaları gerekir. Örneğin, Zhu et al. (2003), biyotin tozunun sonikasyonla lipozomlara enkapsülasyonunu açıklamaktadır. Biyotin tozu vezikül süspansiyonu çözeltisine eklendiğinde, çözelti yaklaşık 1 saat sonikasyona tabi tutulmuştur. Bu işlemden sonra biyotin lipozomların içine hapsolmuştur.

Lipozomal Emülsiyonlar

Nemlendirici veya yaşlanma karşıtı kremlerin, losyonların, jellerin ve diğer kozmesötik formülasyonların besleyici etkisini artırmak için daha yüksek miktarlardaki lipitleri stabilize etmek üzere lipozomal dispersiyonlara emülgatörler eklenir. Ancak araştırmalar, lipozomların kapasitesinin genel olarak sınırlı olduğunu göstermiştir. Emülgatörlerin eklenmesiyle bu etki daha erken ortaya çıkar ve ek emülgatörler, fosfatidilkolinin bariyere afinitesinin zayıflamasına neden olur. Fosfatidilkolin ve lipitlerden oluşan nanopartiküller bu sorunun çözümüdür. Bu nanopartiküller, tek bir fosfatidilkolin tabakasıyla kaplanmış bir yağ damlacığından oluşur. Nanopartiküllerin kullanımı, daha fazla lipit absorbe edebilen ve kararlı kalan formülasyonlara olanak tanır; böylece ek emülgatörlere ihtiyaç duyulmaz.
Sonikasyon, nanoemülsiyonların ve nanodispersiyonların üretimi için kanıtlanmış bir yöntemdir. Son derece yoğun ultrason, bir sıvı fazı (disperse faz) ikinci bir fazın (sürekli faz) içinde küçük damlacıklar halinde disperse etmek için gereken gücü sağlar. Dispersiyon bölgesinde içe doğru çöken kavitasyon kabarcıkları, çevredeki sıvıda yoğun şok dalgalarına neden olur ve yüksek sıvı hızına sahip sıvı jetlerinin oluşmasıyla sonuçlanır. Disperse fazın yeni oluşan damlacıklarını birleşmeye karşı stabilize etmek için emülsiyona emülgatörler (yüzey aktif maddeler, sürfaktanlar) ve stabilizatörler eklenir. Parçalanma sonrasında damlacıkların birleşmesi nihai damlacık boyutu dağılımını etkilediğinden, nihai damlacık boyutu dağılımını ultrasonik dispersiyon bölgesindeki damlacık parçalanmasının hemen ardından oluşan dağılımla aynı düzeyde tutmak için etkili stabilizasyon sağlayan emülgatörler kullanılır.

Lipozomal Dispersiyonlar

Doymamış phosphatidylchlorine temelli lipozomal dispersiyonlar, oksidasyona karşı yeterli kararlılığa sahip değildir. Dispersiyonun stabilizasyonu, C ve E vitaminlerinden oluşan bir kompleks gibi antioksidanlarla sağlanabilir.
Ortan et al. (2002), Anethum graveolens uçucu yağının lipozomlarda ultrasonik olarak hazırlanmasına ilişkin çalışmalarında iyi sonuçlar elde etmiştir. Sonikasyondan sonra lipozomların boyutları 70–150 nm arasında, MLV için ise 230–475 nm arasında olmuştur; bu değerler 2 ay sonra da yaklaşık olarak sabit kalmış, ancak 12 ay sonra özellikle SUV dispersiyonunda artmıştır (aşağıdaki histogramlara bakın). Uçucu yağ kaybı ve boyut dağılımına ilişkin kararlılık ölçümü de lipozomal dispersiyonların uçucu yağ içeriğini koruduğunu göstermiştir. Bu, uçucu yağın lipozomlara hapsedilmesinin yağın kararlılığını artırdığını düşündürmektedir.
 

MLV ve SUV dispersiyonlarının 1 yıl sonraki kararlılığı. Lipozomal formülasyonlar 4±1 ºC’de saklanmıştır.
(Çalışma ve grafik: ©Ortan et al., 2009):

 
Ultrasonik lipozom hazırlama hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Farmasötik Araştırma ve Üretim İçin Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, farmasötik ürünlerin araştırılması ve üretimi için yüksek kaliteli, yüksek performanslı sonikatörlerde başlıca tedarikçinizdir. 50 watt ile 16.000 watt arasındaki cihazlar, her hacim ve her proses için doğru ultrasonik işlemcinin bulunmasını sağlar. Yüksek performansları, güvenilirlikleri, sağlamlıkları ve kolay kullanımları sayesinde ultrasonik işlem, nanomalzemelerin hazırlanması ve işlenmesi için temel bir tekniktir. CIP (yerinde temizleme) ve SIP (yerinde sterilizasyon) ile donatılmış Hielscher sonikatörleri, farmasötik standartlara uygun güvenli ve verimli üretimi garanti eder. Tüm spesifik ultrasonik prosesler, laboratuvar veya tezgâh üstü ölçekte kolayca test edilebilir. Bu denemelerin sonuçları tamamen tekrarlanabilirdir; böylece sonraki ölçek büyütme doğrusal olur ve proses optimizasyonuna yönelik ek çabalar olmadan kolayca gerçekleştirilebilir.

Hielscher Sonikatörleri: Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher sonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, sonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonunu sağlar. Hielscher sonikatörleri, ağır koşulların ve zorlu ortamların üstesinden kolayca gelir.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en ileri teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı sonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher sonikatörleri CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılar.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir verir:

Literatür/Kaynaklar

• 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.

 

Ultrason, partiküllerin sonokimyasal sentezi, deaglomerasyonu, dispersiyonu, emülsifikasyonu, fonksiyonelleştirilmesi ve aktivasyonu için başarıyla kullanılan yenilikçi bir teknolojidir. Özellikle nanoteknolojide sonikasyon, nano boyutlu malzemelerin sentezi ve işlenmesi için temel bir tekniktir. Nanoteknoloji bu olağanüstü bilimsel ilgiyi gördüğünden, nano boyutlu partiküller son derece çok sayıda bilimsel ve endüstriyel alanda kullanılmaktadır. Farmasötik endüstrisi de bu esnek ve değişken malzemenin yüksek potansiyelini keşfetmiştir. Sonuç olarak nanopartiküller, farmasötik endüstrisinde aşağıdakiler dahil çeşitli işlevsel uygulamalarda kullanılmaktadır:

• ilaç taşıma (taşıyıcı)
• tanı ürünleri
• ürün ambalajlama
• biyobelirteç keşfi