Siêu âm là một công nghệ tiên tiến được sử dụng thành công cho sonochemical Tổng hợp, sự phóng đại, Phân tán, Nhũ hóa, functionalization và kích hoạt các hạt. Đặc biệt trong công nghệ nano, ultrasonication là một kỹ thuật cần thiết cho các mục đích tổng hợp và chế biến các vật liệu kích thước nano. Vì công nghệ Nano đã đạt được sự quan tâm khoa học xuất sắc, các hạt nano có kích thước rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Chi nhánh dược phẩm đã phát hiện ra tiềm năng cao của vật liệu linh hoạt và biến này, quá. Do đó, các hạt nano được tham gia vào các ứng dụng chức năng khác nhau trong ngành dược phẩm, bao gồm:

• phân phối thuốc (Carrier)
• Các sản phẩm chẩn đoán
• bao bì sản phẩm
• khám phá biomarker

Vật liệu nano trong dược phẩm

Đặc biệt, phân phối thuốc qua các hạt nano đã là một phương pháp đã được chứng minh để cung cấp các tác nhân hoạt động đã được quản lý trước khi uống hoặc bằng cách tiêm. (Bawa 2008) Các loại thuốc có công thức Nano có thể được định lượng và phân phối hiệu quả hơn nhiều khi các kỹ thuật mới mở hoàn toàn các cách điều trị y tế. Công nghệ tiềm năng cao này giúp cung cấp thuốc, nhiệt, hoặc các hoạt chất khác cho các tế bào cụ thể, tức là các tế bào bị bệnh. Bằng việc phân phối thuốc trực tiếp này, các tế bào khỏe mạnh là không gặp rắc rối do tác dụng ma túy. Một lĩnh vực, trong đó các loại thuốc có công thức Nano đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn của họ là liệu pháp ung thư. Trong điều trị ung thư, nó là lợi thế lớn của các chất kích thước nano mà liều cao của các phân tử thuốc có thể được gửi trực tiếp đến các tế bào khối u cho các hiệu ứng tối đa trong khi giảm thiểu tác dụng phụ cho các cơ quan khác. (Liu et al. 2008) Lợi thế này kết quả trong kích thước nano bởi rằng các hạt có thể vượt qua các bức tường tế bào và màng và giải phóng các tác nhân hoạt động của thuốc trực tiếp tại các tế bào được nhắm mục tiêu.

Xử lý vật liệu nano

Khi vật liệu nano được định nghĩa là các hạt có kích thước nhỏ hơn 100nm, điều này có nghĩa là việc sản xuất và chế biến các chất này đòi hỏi những nỗ lực cao hơn.
Để hình thành và xử lý các hạt nano, các khối kết tụ phải được phá vỡ và các lực liên kết phải được khắc phục. cavitation siêu âm là một công nghệ nổi tiếng để deagglomerate và phân tán vật liệu nano. Sự đa dạng của vật liệu nano và các hình thức mở ra thay đổi khác nhau cho nghiên cứu dược phẩm. ống nano carbon (CNTs) có một khối lượng lớn bên trong cho phép nhiều phân tử ma túy được đóng gói, và họ có bề mặt bên trong và bên ngoài riêng biệt cho functionalization. (Hilder et al. 2008) Bởi đó, CNTs có thể thực hiện các phân tử khác nhau như các tác nhân hoạt động, DNA, protein, peptide, nhắm mục tiêu ligand vv vào các tế bào. CNTs đã được công nhận là vật liệu nano tinh túy và đã mua lại tình trạng của một trong những lĩnh vực hoạt động nhất của Nanoscience và công nghệ nano. MWCNT bao gồm 2 – 30 lớp graphitic đồng tâm, đường kính trong khoảng từ 10 đến 50 nm và chiều dài hơn 10 μm. Mặt khác, SWCNT là mỏng hơn nhiều, với đường kính khác nhau, từ 1,0 đến 1,4 nm. (Srinivasan 2008) Hạt nano cũng như ống nano có thể nhập các tế bào và có thể được đưa lên bởi chúng hoàn toàn. Đặc biệt là các ống nano cacbon được funtionalized (f-CNTs) biết là tăng cường độ hòa tan và cho phép nhắm mục tiêu khối u hiệu quả. Bởi đó, f-CNTs, SWNTs và MWNTs được ngăn chặn từ độc tế bào (= độc hại cho các tế bào) và thay đổi chức năng của hệ thống miễn dịch. Ví dụ, Ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs) của độ tinh khiết cao có thể được sản xuất trên cách sonochemical: SWCNTs tinh khiết cao có thể thu được trong một dung dịch lỏng bằng bột silica sonicating trong 20 phút. ở nhiệt độ phòng và áp suất môi trường xung quanh. (Srinivasan 2005)

Fig. 1: sản xuất Sonochemical của SWCNTs. silica bột trong một giải pháp hỗn hợp ferrocene-xylene đã được sonicated trong 20 phút. ở nhiệt độ phòng và dưới áp suất môi trường xung quanh. Sonication tạo ra độ tinh khiết cao SWCNTS trên bề mặt của bột silica. (Jeong et al. 2004)

Các ống nano cacbon functionalized (f-CNTs) cũng có thể hoạt động như hệ thống phân phối vắc xin. Khái niệm cơ bản là liên kết kháng nguyên với ống nano cacbon trong khi giữ lại sự phù hợp của nó, do đó, gây ra phản ứng kháng thể với đặc trưng phù hợp.
Các hạt nano gốm, tức là có nguồn gốc từ silica, Titania hoặc alumina, tính năng một bề mặt hạt xốp mà làm cho họ một nhà cung cấp thuốc lý tưởng.

Tổng hợp siêu âm và lượng mưa của các hạt nano

Các hạt nano có thể được tạo ra từ dưới lên bằng cách tổng hợp hoặc lượng mưa. Sonochemistry là một trong những kỹ thuật đầu tiên được sử dụng để chuẩn bị các hợp chất nanosize. Suslick trong tác phẩm gốc của mình, sonicated Fe (CO) 5 hoặc là một chất lỏng gọn gàng hoặc trong một giải pháp deaclin và thu được 10-20nm kích thước hạt nano sắt vô định hình. Nói chung, hỗn hợp siêu bão hòa bắt đầu tạo thành các hạt rắn ra khỏi vật liệu tập trung cao độ. Ultrasonication cải thiện sự pha trộn của Pre-con trỏ và làm tăng khối lượng chuyển giao ở bề mặt hạt. Điều này dẫn đến kích thước hạt nhỏ hơn và tính đồng nhất cao hơn.

Siêu âm Functionalization của hạt nano

Để có được các hạt nano với các đặc tính và chức năng cụ thể, bề mặt của các hạt đã bị sửa đổi. Các hệ thống Nano khác nhau như các hạt nano polymer, liposome, dendrimers, ống nano cacbon, chấm lượng tử, vv có thể được ngành hạt thành công để sử dụng hiệu quả trong dược phẩm.
Để functionalize bề mặt hoàn toàn của mỗi hạt riêng lẻ, một phương pháp phân tán tốt là cần thiết. Khi phân tán, các hạt thường được bao quanh bởi một lớp ranh giới của các phân tử thu hút vào bề mặt hạt. Để các nhóm chức năng mới để có được bề mặt hạt, lớp ranh giới này cần phải được chia nhỏ hoặc loại bỏ. Các máy bay phản lực chất lỏng kết quả từ siêu âm cavitation có thể đạt tốc độ lên đến 1000km/giờ. Căng thẳng này giúp khắc phục các lực lượng thu hút và mang các phân tử chức năng cho bề mặt hạt. Trong sonochemistry, hiệu ứng này được sử dụng để cải thiện hiệu suất của các chất xúc tác phân tán.

Ví dụ thực tế:

Chức năng siêu âm của SWCNTs bởi PL-PEG: Zeineldin et al. (2009) chứng minh rằng sự phân tán của các ống nano cacbon đơn tường (SWNTs) bằng ultrasonication với phospholipid-polyethylene glycol (PL-PEG) mảnh vỡ nó, do đó can thiệp vào khả năng ngăn chặn sự hấp thu không đặc hiệu của tế bào. Tuy nhiên, PL-PEG unfragmented khuyến khích sự hấp thu tế bào cụ thể của các Swnt nhắm mục tiêu đến hai lớp khác nhau của các thụ thể được biểu hiện bởi các tế bào ung thư. Điều trị bằng siêu âm với sự hiện diện của PL-PEG là một phương pháp phổ biến được sử dụng để phân tán hoặc functionalize các ống nano cacbon và tính toàn vẹn của PEG là quan trọng để thúc đẩy sự hấp thu tế bào cụ thể của các ống nano ligand-functionalized. Kể từ khi phân mảnh là một hệ quả có khả năng ultrasonication, một kỹ thuật thường được sử dụng để giải tán SWNTs, điều này có thể là một mối quan tâm cho các ứng dụng nhất định như cung cấp thuốc.

Hình 2: siêu âm phân tán của SWCNTs với PL-PEG (Zeineldin et al. 2009)

Siêu âm Liposome hình thành

Một ứng dụng thành công của siêu âm là việc chuẩn bị liposome và Nano-liposome. Các hệ thống phân phối gen và thuốc dựa trên liposome đóng một vai trò quan trọng trong các liệu pháp đa dạng, mà còn trong Mỹ phẩm và dinh dưỡng. Liposome là các hãng vận chuyển tốt, như các tác nhân hoạt động hòa tan trong nước có thể được đặt vào Trung tâm dung dịch của liposomes hoặc, nếu chất béo hòa tan trong lớp lipid. Liposome có thể được hình thành bằng cách sử dụng Ultrasonics. Các vật liệu cơ bản cho quá chuẩn bị liposome là phân tử amphilic có nguồn gốc hoặc dựa trên chất béo màng sinh học. Đối với sự hình thành các túi nhỏ đơn bào (SUV), sự phân tán lipid được sonicated nhẹ nhàng – Ví dụ như với thiết bị siêu âm cầm tay UP50H (50W, 30kHz), VialTweeter hoặc lò phản ứng siêu âm UTR200 – trong bồn tắm nước đá. Thời gian điều trị bằng siêu âm kéo dài khoảng 5 – 15 phút. Một phương pháp khác để sản xuất các túi đơn bào nhỏ là sonication của các túi đa lamellar liposome.
Dinu-pirvu et al. (2010) báo cáo việc thu thập các bằng bằng cách sonicating mlvs ở nhiệt độ phòng.
Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị siêu âm khác nhau, sonotrodes và phụ kiện để đáp các yêu cầu của tất cả các loại quy trình.

Siêu âm đóng gói của các đại lý vào liposome

Liposome hoạt động như các tàu sân bay cho các đại lý hoạt động. Siêu âm là một công cụ hiệu quả để chuẩn bị và hình thành các liposome cho bẫy của các tác nhân hoạt động. Trước khi đóng gói, các liposome có xu hướng hình thành các cụm do sự tương tác tính phí bề mặt của đầu cực phospholipid (Míckova et al. 2008), hơn nữa họ phải được mở ra. Bằng cách ví dụ, Zhu et al. (2003) Mô tả sự đóng gói bột biotin trong liposome bằng ultrasonication. Khi bột biotin đã được thêm vào các giải pháp đình chỉ túi, giải pháp đã được sonicated trong khoảng 1 giờ. Sau khi điều trị này, biotin đã được entrapped trong liposome.

Nhũ tương liposome

Để tăng cường tác dụng nuôi dưỡng của dưỡng ẩm hoặc chống lão hóa Cremes, kem, gel và các công thức dược, chất nhũ hoá được thêm vào các phân tán liposome để ổn định số tiền cao hơn của lipid. Nhưng điều tra đã chỉ ra rằng khả năng của liposome nói chung là hạn chế. Với việc bổ sung các chất nhũ hóa, hiệu ứng này sẽ xuất hiện sớm hơn và các chất nhũ hóa bổ sung gây ra sự suy yếu trên mối quan hệ rào cản của phosphatidylcholine. Hạt nano – bao gồm phosphatidylcholine và lipid – là câu trả lời cho vấn đề này. Các hạt nano này được hình thành bởi một giọt dầu được bao phủ bởi một lớp đơn của phosphatidylcholine. Việc sử dụng các hạt nano cho phép các công thức có khả năng hấp thụ nhiều lipid hơn và vẫn ổn định, do đó không cần thêm chất nhũ hoá.
Ultrasonication là một phương pháp đã được chứng minh để sản xuất nanonhũ tương và nanodispersions. Siêu âm chuyên sâu cao cung cấp năng lượng cần thiết để phân tán một pha lỏng (pha phân tán) trong các giọt nhỏ trong giai đoạn thứ hai (pha liên tục). Trong khu vực phân tán, bong bóng cavitation imploding gây ra sóng sốc chuyên sâu trong chất lỏng xung quanh và kết quả trong sự hình thành của các máy bay phản lực chất lỏng của vận tốc chất lỏng cao. Để ổn định các giọt mới được hình thành của pha phân tán chống lại sự kết dính, chất nhũ hoá (các hoạt tính bề mặt, thuốc tăng cường) và độ ổn định được thêm vào nhũ tương. Khi kết hợp các giọt sau khi gián đoạn ảnh hưởng đến sự phân bố kích thước giọt cuối cùng, chất nhũ hóa ổn định hiệu quả được sử dụng để duy trì sự phân bố kích thước giọt cuối cùng ở mức tương đương với phân phối ngay sau khi sự gián đoạn giọt trong khu vực phân tán siêu âm.

Phân tán liposome

Phân tán liposome, dựa trên phosphatidylclo không bão hòa, thiếu sự ổn định chống lại quá trình oxy hóa. Sự ổn định của sự phân tán có thể đạt được bằng chất chống oxy hóa, chẳng hạn như bởi một phức hợp các vitamin C và E.
Ortan et al. (2002) đạt được trong nghiên cứu của họ liên quan đến việc chuẩn bị siêu âm anethum graveolens tinh dầu trong liposome kết quả tốt. Sau khi sonication, kích thước của liposome là giữa 70-150 nm, và cho MLV giữa 230-475 nm; Các giá trị này là khoảng liên tục cũng sau 2 tháng, nhưng không ngừng sau 12 tháng, đặc biệt là trong phân tán SUV (xem histograms dưới đây). Việc đo lường sự ổn định, liên quan đến tinh dầu mất mát và kích thước phân phối, cũng cho thấy rằng phát tán liposome duy trì các nội dung của dầu dễ bay hơi. Điều này cho thấy rằng các bẫy của tinh dầu trong liposome tăng sự ổn định dầu.

Hình 3: Ortan et al. (2009): sự ổn định của MLV và phân tán SUV sau 1 năm. Công thức liposome được lưu trữ ở 4 ± 1 º C.

Nhấn vào đây để đọc thêm về chuẩn bị siêu âm liposome!

Hiệu ứng siêu âm

Bên cạnh sản xuất siêu âm của các hạt nano, việc xử lý các chất này là một lĩnh vực rộng cho các ứng dụng của ultrasonication. Các agglomerates phải được phá vỡ, các hạt phải được detangled và/hoặc phân tán, các bề mặt phải được kích hoạt hoặc functionalized, và Nano-giọt phải được emulsified. Đối với tất cả các bước xử lý, siêu âm là một phương pháp thiết yếu đã được chứng minh. Siêu âm công suất cao tạo ra hiệu ứng mạnh. Khi sonicating chất lỏng ở cường độ cao, các sóng âm thanh Lan truyền vào các phương tiện thông khí chất lỏng dẫn đến xen kẽ áp lực cao (nén) và áp suất thấp (rarefaction) chu kỳ, với mức giá tùy thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt được một khối lượng mà tại đó họ không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là Cavitation.
Sự nổ của bong bóng cavitation kết quả trong vi hỗn loạn và máy bay phản lực vi mô lên đến 1000km/giờ. các hạt lớn có thể xói mòn bề mặt (thông qua sự sụp đổ cavitation trong chất lỏng xung quanh) hoặc giảm kích thước hạt (do phân hạch qua va chạm giữa các hạt hoặc sự sụp đổ của bong bóng cavitation hình thành trên bề mặt). Điều này dẫn đến tăng tốc mạnh của sự khuếch tán, quá trình chuyển khối lượng và các phản ứng pha rắn do kích thước tinh tinh và thay đổi cấu trúc. (Suslick 1998)

Thiết bị xử lý siêu âm

Hielscher là nhà cung cấp hàng đầu về chất lượng cao và bộ vi xử lý siêu âm hiệu suất cao cho phòng thí nghiệm và ứng dụng công nghiệp. Các thiết bị trong phạm vi từ 50 watt lên đến 16.000 watt cho phép tìm bộ xử lý siêu âm phù ngay cho mỗi khối lượng và mọi quy trình. Bởi hiệu suất cao, độ tin cậy, mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng, điều trị bằng siêu âm là một kỹ thuật cần thiết để chuẩn bị và xử lý vật liệu nano. Được trang bị CIP (làm sạch tại chỗ) và SIP (khử trùng tại chỗ), thiết bị siêu âm của Hielscher đảm bảo sản xuất an toàn và hiệu quả theo tiêu chuẩn dược phẩm. Tất cả các quy trình siêu âm cụ thể có thể dễ dàng được kiểm tra trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô trên băng ghế dự bị. Kết quả của những thử nghiệm này là hoàn toàn tái sản xuất, do đó, quy mô sau đây là tuyến tính và có thể dễ dàng thực hiện mà không cần nỗ lực bổ sung liên quan đến quá trình tối ưu hóa.