Ультразвукова обробка наночастинок для фармацевтики

Ультразвукові гомогенізатори зондового типу відіграють вирішальну роль у фармацевтичних дослідженнях і виробництві, забезпечуючи потужний і контрольований засіб для зменшення розміру частинок, руйнування клітин та гомогенізації. Ультразвукові гомогенізатори використовують ультразвукові хвилі для створення кавітації, що призводить до утворення та колапсу мікроскопічних бульбашок. Це явище генерує інтенсивні зсувні сили та ударні хвилі, ефективно руйнуючи частинки або клітини.

Ось деякі ключові аспекти використання ультразвукових гомогенізаторів зондового типу у фармацевтичних застосуваннях:

• Зменшення розміру частинок: Ультразвукові гомогенізатори зондового типу застосовуються для зменшення розміру частинок активних фармацевтичних інгредієнтів (АФІ) або інших сполук. Малий та однорідний розмір частинок є життєво важливим для підвищення біодоступності, швидкості розчинення та загальної ефективності фармацевтичних формуляцій.
• Руйнування клітин: У біофармацевтичних дослідженнях ультразвукові гомогенізатори зондового типу використовуються для руйнування клітин з метою вивільнення внутрішньоклітинних компонентів. Це особливо важливо для екстракції білків, ферментів та інших біомолекул з мікробних клітин або культивованих клітин ссавців.
• Гомогенізація: Гомогенізація фармацевтичних формуляцій є необхідною для забезпечення однорідного розподілу інгредієнтів. Ультразвукові гомогенізатори зондового типу сприяють досягненню однорідності, руйнуючи агломерати та рівномірно диспергуючи компоненти.
• Утворення наноемульсій та ліпосом: Ультразвукова обробка використовується для створення стабільних наноемульсій та ліпосом у фармацевтичних формуляціях. Ці нанорозмірні системи доставки застосовуються для доставки ліків з метою підвищення розчинності та біодоступності.
• Контроль якості та оптимізація процесів: Ультразвукова обробка є цінним інструментом для контролю якості у фармацевтичному виробництві. Вона допомагає оптимізувати процеси, забезпечуючи стабільний розподіл розмірів частинок та однорідність, сприяючи відтворюваності між партіями.
• Формулювання та розробка ліків: Під час формулювання та розробки ліків ультразвукові гомогенізатори зондового типу використовуються для приготування стабільних суспензій, емульсій або дисперсій. Це критично важливо для проектування фармацевтичних продуктів із бажаними фізичними та хімічними властивостями.

Наноматеріали у фармацевтиці

Ультразвукові технології відіграють ключову роль у підготовці, обробці та функціоналізації наноматеріалів у фармацевтичних дослідженнях і виробництві. Інтенсивні ефекти високоефективного ультразвуку, включаючи акустичну кавітацію, сприяють руйнуванню агломератів, диспергуванню частинок та емульгуванню нанодропель. Високоефективні ультразвукові гомогенізатори Hielscher забезпечують надійне та ефективне рішення для фармацевтичних стандартів, гарантуючи безпечне виробництво та полегшуючи масштабування без додаткових зусиль з оптимізації.

Обробка наноматеріалів

Наноматеріали, зокрема наночастинки, здійснили революцію в доставці ліків у фармацевтиці, пропонуючи перевірений метод введення активних речовин перорально або через ін’єкцію. Ця технологія підвищує ефективність дозування та доставки ліків, відкриваючи нові можливості для медичного лікування. Здатність доставляти ліки, тепло або інші активні речовини безпосередньо до специфічних клітин, особливо хворих клітин, є значним прогресом.

У терапії раку нанопрепарати продемонстрували перспективні результати, використовуючи перевагу нанорозмірних частинок для доставки високих доз ліків безпосередньо до пухлинних клітин, максимізуючи терапевтичні ефекти та мінімізуючи побічні ефекти на інші органи. Нанорозмір дозволяє цим частинкам проходити через клітинні стінки та мембрани, вивільняючи активні речовини точно в цільових клітинах.

Обробка наноматеріалів, визначених як частинки з розмірами менше 100nm, створює виклики, що вимагають більших зусиль. Ультразвукова кавітація є добре встановленою технологією для деагломерації та диспергування наноматеріалів. Вуглецеві нанотрубки (CNTs), особливо багатошарові вуглецеві нанотрубки (MWCNTs) та одношарові вуглецеві нанотрубки (SWCNTs), демонструють унікальні властивості, пропонуючи великий внутрішній об’єм для інкапсуляції молекул ліків та відмінні поверхні для функціоналізації.

Сонохімічне виробництво SWCNTs. Порошок кремнезему в розчині суміші фероцену та ксилолу піддавали ультразвуковій обробці протягом 20 min. при кімнатній температурі та під атмосферним тиском. Ультразвукова обробка виробляє SWCNTS високої чистоти на поверхні порошку кремнезему. (Jeong et al. 2004)

Функціоналізовані вуглецеві нанотрубки (f-CNTs) відіграють вирішальну роль у підвищенні розчинності, забезпечуючи ефективне націлювання на пухлини та уникнення цитотоксичності. Ультразвукові техніки сприяють їх виробництву та функціоналізації, наприклад, сонохімічний метод для SWCNTs високої чистоти. Крім того, f-CNTs можуть служити системами доставки вакцин, зв’язуючи антигени з вуглецевими нанотрубками для індукування специфічних антитільних відповідей.
Керамічні наночастинки, отримані з кремнезему, титану або алюміну, мають пористі поверхні, що робить їх ідеальними носіями ліків. Ультразвуковий синтез та осадження наночастинок, що використовують сонохімію, забезпечують підхід «знизу вгору» для підготовки нанорозмірних сполук. Процес покращує масоперенесення, що призводить до менших розмірів частинок та вищої однорідності

Ультразвуковий синтез та осадження наночастинок

Ультразвукова обробка відіграє життєво важливу роль у функціоналізації наночастинок. Техніка ефективно руйнує граничні шари навколо частинок, дозволяючи новим функціональним групам досягати поверхні частинок. Наприклад, ультразвукова функціоналізація одношарових вуглецевих нанотрубок (SWCNTs) фрагментами PL-PEG перешкоджає неспецифічному захопленню клітинами, сприяючи одночасно специфічному клітинному захопленню для цільових застосувань.

Щоб отримати наночастинки зі специфічними характеристиками та функціями, поверхню частинок має бути модифіковано. Різні наноструктури, такі як полімерні наночастинки, ліпосоми, дендримери, вуглецеві нанотрубки, квантові точки тощо, можуть бути успішно функціоналізовані для ефективного використання у фармацевтиці.

Практичний приклад ультразвукової функціоналізації частинок:

Ультразвукова функціоналізація SWCNT за допомогою PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) продемонстрували, що диспергування одношарових вуглецевих нанотрубок (SWNTs) за допомогою ультразвукової обробки з фосфоліпід-поліетиленгліколем (PL-PEG) фрагментує його, тим самим порушуючи його здатність блокувати неспецифічне поглинання клітинами. Однак нефрагментований PL-PEG сприяє специфічному клітинному поглинанню цільових SWNTs двома різними класами рецепторів, що експресуються раковими клітинами. Ультразвукова обробка в присутності PL-PEG є поширеним методом, що використовується для диспергування або функціоналізації вуглецевих нанотрубок, і цілісність PEG є важливою для сприяння специфічному клітинному поглинанню ліганд-функціоналізованих нанотрубок. Оскільки фрагментація є ймовірним наслідком ультразвукової обробки, техніки, що зазвичай використовується для диспергування SWNTs, це може бути проблемою для певних застосувань, таких як доставка ліків.

Ультразвукове диспергування SWCNTs з PL-PEG (Zeineldin et al., 2009)

Ультразвукове утворення ліпосом

Ще одним успішним застосуванням ультразвуку є приготування ліпосом і наноліпосом. Ліпосомні системи доставки ліків і генів відіграють значну роль у багатьох терапіях, а також у косметиці та харчуванні. Ліпосоми є хорошими носіями, оскільки водорозчинні активні речовини можна помістити у водний центр ліпосом або, якщо речовина є жиророзчинною, у ліпідний шар. Ліпосоми можна утворювати за допомогою ультразвуку. Основним матеріалом для приготування ліпосом є амфічні молекули, похідні від або засновані на ліпідах біологічних мембран. Для утворення малих одношарових везикул (SUV) ліпідну дисперсію обробляють ультразвуком обережно – наприклад, за допомогою ручного ультразвукового гомогенізатора UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter або ультразвукового стаканного рупора . Тривалість такої ультразвукової обробки становить приблизно 5 – 15 хвилин. Іншим методом виробництва малих одношарових везикул є ультразвукова обробка багатошарових везикулярних ліпосом.
Dinu-Pirvu et al. (2010) повідомляють про отримання трансферосом шляхом ультразвукової обробки MLV при кімнатній температурі.
Hielscher Ultrasonics пропонує різноманітні ультразвукові пристрої, сонотроди та аксесуари, щоб задовольнити вимоги всіх видів процесів.
Дізнайтеся більше про екстракт алое вера, отриманий та інкапсульований за допомогою ультразвуку!

Ультразвукова інкапсуляція агентів у ліпосоми

Ліпосоми працюють як носії для активних речовин. Ультразвук є ефективним інструментом для приготування та формування ліпосом для захоплення активних речовин. Перед інкапсуляцією ліпосоми схильні утворювати кластери через взаємодію заряд-заряд полярних голівок фосфоліпідів (Míckova et al. 2008), крім того, їх потрібно відкрити. Наприклад, Zhu et al. (2003) описують інкапсуляцію порошку біотину в ліпосоми за допомогою ультразвукової обробки. Після додавання порошку біотину до розчину суспензії везикул розчин обробляли ультразвуком приблизно 1 годину. Після цієї обробки біотин був захоплений у ліпосомах.

Ліпосомні емульсії

Щоб посилити живильний ефект зволожувальних або антистарінних кремів, лосьйонів, гелів та інших космецевтичних формуляцій, до ліпосомальних дисперсій додають емульгатори для стабілізації більшої кількості ліпідів. Але дослідження показали, що здатність ліпосом загалом обмежена. З додаванням емульгаторів цей ефект з’явиться раніше, а додаткові емульгатори спричиняють ослаблення бар’єрної спорідненості фосфатидилхоліну. Наночастинки – складені з фосфатидилхоліну та ліпідів – є відповіддю на цю проблему. Ці наночастинки утворюються крапелькою олії, яка вкрита моношаром фосфатидилхоліну. Використання наночастинок дозволяє створювати формуляції, здатні поглинати більше ліпідів і залишатися стабільними, так що додаткові емульгатори не потрібні.
Ультразвукова обробка є доведеним методом для виробництва наноемульсій та нанодисперсій. Високоінтенсивний ультразвук постачає потужність, необхідну для диспергування рідкої фази (дисперсної фази) у дрібних краплях у другій фазі (суцільній фазі). У зоні диспергування імплодуючі кавітаційні бульбашки спричиняють інтенсивні ударні хвилі в навколишній рідині та призводять до утворення рідинних струменів із високою швидкістю рідини. Щоб стабілізувати щойно утворені краплі дисперсної фази проти коалесценції, до емульсії додають емульгатори (поверхнево-активні речовини, ПАР) та стабілізатори. Оскільки коалесценція крапель після руйнування впливає на кінцевий розподіл розмірів крапель, ефективно стабілізуючі емульгатори використовують для підтримання кінцевого розподілу розмірів крапель на рівні, що дорівнює розподілу безпосередньо після руйнування крапель у зоні ультразвукового диспергування.

Ліпосомальні дисперсії

Ліпосомальні дисперсії, які базуються на ненасиченому фосфатидилхлорині, мають низьку стабільність щодо окиснення. Стабілізація дисперсії може бути досягнута за допомогою антиоксидантів, таких як комплекс вітамінів C та E.
Ortan et al. (2002) досягли у своєму дослідженні щодо ультразвукового приготування ефірної олії Anethum graveolens у ліпосомах хороших результатів. Після ультразвукової обробки розмір ліпосом становив від 70-150 nm, а для MLV – від 230-475 nm; ці значення були приблизно постійними також через 2 month, але збільшилися через 12 month, особливо в дисперсії SUV (див. гістограми нижче). Вимірювання стабільності, що стосувалися втрати ефірної олії та розподілу розмірів, також показали, що ліпосомальні дисперсії зберігали вміст леткої олії. Це свідчить про те, що захоплення ефірної олії в ліпосомах підвищило стабільність олії.

Стабільність дисперсій MLV та SUV через 1 рік. Ліпосомальні формуляції зберігали при 4±1 ºC.
(Дослідження та графік: ©Ortan et al., 2009):

 
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукове приготування ліпосом!

Високопродуктивні сонікатори для фармацевтичних досліджень і виробництва

Hielscher Ultrasonics є вашим провідним постачальником високоякісних, високопродуктивних сонікаторів для досліджень і виробництва фармацевтичних препаратів. Пристрої в діапазоні від 50 watts до 16 000 watts дозволяють знайти правильний ультразвуковий процесор для будь-якого об’єму та будь-якого процесу. Завдяки своїй високій продуктивності, надійності, міцності та простоті експлуатації ультразвукова обробка є важливою технікою для приготування та обробки наноматеріалів. Оснащені CIP (очищення на місці) та SIP (стерилізація на місці), сонікатори Hielscher гарантують безпечне та ефективне виробництво відповідно до фармацевтичних стандартів. Усі специфічні ультразвукові процеси можна легко протестувати в лабораторному або настільному масштабі. Результати цих випробувань є повністю відтворюваними, так що наступне масштабування є лінійним і може бути легко здійснено без додаткових зусиль щодо оптимізації процесу.

Hielscher Sonicators: розробка, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність та простота експлуатації забезпечують легку інтеграцію наших ультразвукових гомогенізаторів у промислові об’єкти. Жорсткі умови та складне середовище легко витримуються ультразвуковими гомогенізаторами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передові технології та зручний інтерфейс користувача. Звичайно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів:

Література/Посилання

• 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.

Ультразвук – це інноваційна технологія, яка успішно використовується для сонохімічного синтезу, дезагломерації, диспергування, емульгування, функціоналізації та активації частинок. Особливо в нанотехнологіях ультразвукова обробка є необхідною технікою для синтезу та обробки нанорозмірних матеріалів. Оскільки нанотехнології викликають такий видатний науковий інтерес, нанорозмірні частинки використовуються в надзвичайно багатьох наукових і промислових сферах. Фармацевтична промисловість також виявила високий потенціал цього гнучкого та змінного матеріалу. Отже, наночастинки беруть участь у різних функціональних застосуваннях у фармацевтичній промисловості, до яких належать:

• доставка ліків (носій)
• діагностичні продукти
• упаковка продукту
• виявлення біомаркерів