Ultradźwięki to innowacyjna technologia, która jest z powodzeniem stosowana w sonochemii, syntezie, deaglomeracji, emulgacji, funkcjonalizacji oraz aktywacji cząsteczek. W dziedzinie nanotechnologii ultradźwięki są techniką zasadniczą w celu syntezy i przetwarzania materiałów nano wielkości. Ponieważ nanotechnologia zyskuje wybitne naukowe zainteresowanie, cząsteczki nano wielkości są wykorzystywane w bardzo wielu dziedzinach naukowych i przemysłowych. Przemysł farmaceutyczny wykorzystuje nanocząsteczki do wielu swoich aplikacji:
- dostarczanie leku (nośnik)
- produkty diagnostyczne
- opakowania
- odkrywanie bioznaczników
Nanocząsteczki w przemyśle farmaceutycznym
Leki w postaci zastrzyków lub podane bezpośrednio do jamy ustnej przy użyciu nanocząstek są sprawdzoną metodą wykorzystywaną w przemyśle farmaceutycznym. Leki w postaci nano mogą być dawkowane i przyswajane dużo wydajniej, co zapewnia nowe sposoby leczenia. Technologia ta ma wysoki potencjał: pomaga w dostarczaniu leków, ciepła lub innych substancji czynnych do określonych, chorych komórek. Dzięki bezpośredniemu podaniu leku do zaatakowanego chorobą miejsca, zdrowe komórki pozostają wolne od wpływu działania leku. Zastosowanie nanocząsteczek daje obiecujące wyniki terapii raka. W leczeniu nowotworów substancje nano wielkości mają dużą zaletę: tam gdzie podaje się wysokie dawki leku, cząsteczki mogą być dostarczane bezpośrednio do komórek nowotworowych, przy maksymalnych efektach terapeutycznych i jednoczesnym zminimalizowaniu skutków ubocznych na inne narządy. (Liu et al.2008) Nanocząsteczki są w stanie przeniknąć przez ściany komórek i błony, tak by uwolnić substancje czynne leku bezpośrednio do komórki docelowej.
Przetwarzanie nanomateriałów
Nanomateriały są określone jako cząstki o wymiarach mniejszych niż 100 nm co oznacza to, że produkcja i przetwarzanie tych substancji wymaga większego wysiłku. Aby tworzyć i przetwarzać nanocząsteczki, aglomeraty muszą być złamane, a siły wiązań muszą zostać przezwyciężone. Kawitacja ultradźwiękowa jest dobrze znaną technologią deaglomeracji i rozpraszania nanomateriałów. Różnorodność form nanomateriałów jest bardzo pożądana w badaniach farmaceutycznych. Nanorurki węglowe (CNT) wykazują dużą objętość wewnętrzną, która pozwala na umieszczenie wielu cząsteczek w kapsułce leku, mają oddzielne wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie do funkcjonalizacji. (Hilder i in., 2008). CNT są zdolne do przenoszenia różnych cząsteczek, takich jak substancje aktywne, DNA, białka, peptydy, itp. ukierunkowanych do komórek. CNT zostały uznane jako najistotniejsze nanomateriały i uzyskały status jednego z najbardziej aktywnych obszarów nanonauki i nanotechnologii. MWCNT składa się z 2-30 koncentrycznych warstw grafitu, ze średnicą w zakresie od 10 do 50 nm i długości większej niż 10 um. Z drugiej strony, SWCNT jest znacznie cieńsza, o średnicy w zakresie od 1,0 do 1,4 nm. (Srinivasan 2008) Nanocząstki takie jak nanorurki mogą wniknąć do komórek i mogą je zajmować całkowicie. W szczególności funkcjonalizowane nanorurki węglowe (CNT) f znane są ze zwiększenia rozpuszczalności i umożliwienia skutecznej celowanej terapii nowotworów. Dzięki f CNT SWNT MWNT zapobiega się cytotoksycznemu wpływowi na komórki i zmianom funkcji układu odpornościowego. Na przykład, jednościenna nanorurka węglowa (SWCNTs) o wysokiej czystości może być produkowana w sonochemiczny sposób: SWCNTs o wysokiej czystości (w postaci ciekłego roztworu) można uzyskać przez sonikację proszku krzemionki przez 20 minut, w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem otoczenia. (Srinivasan 2005).
Nanorurki węglowe funkcjonalizowane CNT (f) mogą również działać jako systemy dostarczania szczepionki. Podstawową koncepcją jest połączenie antygenu nanorurek węglowych, przy zachowaniu jego budowy, tym samym indukując odpowiedź przeciwciał z odpowiednią specyficznością. Ceramiczne nanocząstki, czyli pochodzące z krzemionki, tlenku tytanu lub tlenku glinu, posiadają porowatą powierzchnię cząstek, która czyni je idealnym nośnikiem leków.
Ultradźwiękowa synteza i osad nanocząstek
Nanocząstki mogą być generowane w drodze syntezy lub osadów. Sonochemia jest jedną z najstarszych technik stosowanych do wytwarzania związków nanowielkości. Grupa badaczy Suslick w ich pierwotnej pracy, sonikowała Fe (CO) 5 w postaci cieczy bez dodatków lub w roztworze dekaliny i otrzymała 10-20 nm wielkości amorficznych nanocząstek żelaza. Generalnie, przesycona mieszanina zaczyna formowanie cząstek stałych spośród wysoko skoncentrowanego materiału. Ultradźwięki poprawiają mieszanie prekursorów i zwiększają przenoszenie masy na powierzchni cząstek. Prowadzi to do mniejszej wielkości cząstek i wyższej jednolitości.
Ultradźwiękowa funkcjonalizacja nanocząstek
W celu otrzymania nanocząstek o określonych cechach i funkcjach, powierzchnia cząstek musi zostać zmodyfikowana. Różne nanoukłady takie jak: nanocząstki polimerowe, liposomy, dendrymery, nanorururki węglowe, kropki kwantowe, itp można z powodzeniem wydajnie funkcjonalizować do stosowania w farmacji. W celu funkcjonalizacji całej powierzchni poszczególnych cząstek, konieczna jest dobra metoda dyspersji. Rozproszone cząstki są zwykle otoczone warstwą graniczną cząsteczek przyciąganą do powierzchni cząstek. Aby nowe grupy funkcyjne mogły dostać się do powierzchni cząstek, warstwa graniczna musi zostać uszkodzona lub usunięta. Ciekłe strumienie wynikające z ultradźwiękowej kawitacji mogą osiągnąć prędkość do 1000km / h. Naprężenia przyczyniają się do przezwyciężenia sił przyciągania i niesienia cząsteczki funkcjonalnej do powierzchni cząstek. W sonochemii, efekt ten stosowany jest do zwiększenia wydajności kataliz rozproszonych.
Praktyczny przykład:
Ultradźwiękowa funkcjonalizacja SWCNTs według PL-PEG Zeineldin et al. (2009) wykazano, że dyspersja pojedynczych nanorurek węglowych (SWNT), za pomocą ultradźwięków z glikolem polietylenowym fosfolipidów (PL-PEG), ich fragmentacja, może zakłócać zdolność do blokowania nieswoistego wychwytu przez komórki. Jednakże, w jednym kawałku. PL PEG sprzyja specyficzne pobieranie komórek celowych SWNT do dwóch różnych klas receptorów wyrażanych przez komórki nowotworowe. Obróbka ultradźwiękowa w obecności PL-PEG jest powszechną metodą stosowaną do dyspergowania lub funkcjonalizacji nanorurek węglowych, integralność PEG jest ważna dla specyficznego wychwytu komórkowego funkcjonalizowanych ligandem nanorurek. Ponieważ fragmentacja jest prawdopodobnie konsekwencją ultradźwięków, technika powszechnie stosowana w celu rozproszenia SWNT, może być zagrożeniem dla niektórych zastosowań, takich jak dostarczanie leku.
Ultradźwiękowa formacja liposomów
Kolejnym przykładem udanego zastosowania ultradźwięków jest przygotowanie liposomów i nano-liposomów. Układy dostarczania leków i genów, opierają się na liposomach, odgrywają ważną rolę w różnorodnych metodach leczenia, ale także w kosmetykach i żywieniu. Liposomy są dobrymi nośnikami, np. rozpuszczalne w wodzie środki czynne mogą być wprowadzane do wodnego roztworu lub jeżeli środek jest rozpuszczalny w tłuszczach, w warstwie lipidowej. Liposomy mogą być utworzone z wykorzystaniem ultradźwięków. Podstawowym surowcem do utworzenia liposomów są amfifilowe cząsteczki lub te pochodzące od biologicznych lipidów błonowych. Do tworzenia małych pęcherzyków jednowarstwowych (SUV), dyspersję lipidów sonifikuje się łagodnie – np z przenośnego urządzenia ultradźwiękowego UP50H (50 W, 30 kHz), VialTweeter lub ultradźwiękowych reaktorów UTR200- w łaźni lodowej. Czas trwania takiej obróbki ultradźwiękowej trwa ok. 5 – 15 minut. Innym sposobem wytwarzania małych jednowarstwowych pęcherzyków jest sonifikacja wielowarstwowych pęcherzyków liposomów. Hielscher Ultrasonics oferuje różne urządzenia ultradźwiękowe, sonotrody i akcesoria w celu spełnienia wymogu wszelkiego rodzaju procesów.
Ultradźwiękowa enkapsulacja środków do liposomów
Liposomy działają jako nośniki substancji czynnych. Ultradźwięki są skutecznym narzędziem do przygotowania i tworzenia liposomów w celu uwięzienia substancji czynnych. Przed enkapsulacją liposomy mają skłonność do tworzenia skupisk, ze względu na powierzchnie oddziaływania ładunku naładowania główek fosfolipidowych polarnych (Míckova et al., 2008), a ponadto muszą być otwarte. Dla przykładu, Zhu i in. (2003) opisuje enkapsulację w liposomach proszku biotyny przez ultradźwięki. Jako proszek biotynę dodaje się do roztworu w zawiesinie pęcherzyków, roztwór zostaje poddany działaniu ultradźwięków przez ok. 1 godzinę. Po tym zabiegu, biotyna jest zamknięta w liposomach.
Emulsje liposomowe
W celu zwiększenia efektów odżywczych kremów nawilżających lub zwalczania utraty właściwości lotionów, żeli i innych preparatów kosmetycznych, dodaje się emulgator, do dyspersji liposomów dla stabilizacji większej ilości lipidów. Jednak badania wykazały, że zdolność liposomów jest ograniczona. Z dodatkiem emulgatorów, efekt ten pojawi się wcześniej i dodatkowe emulgatory powodują osłabienie powinowactwa na barierę fosfatydylocholiny. Nanocząstki – złożone z fosfatydylocholiny i lipidów – są odpowiedzią na ten problem. Nanocząstki utworzone są przez kropelki oleju, który jest przykryty przez monowarstwy fosfatydylocholiny. Zastosowanie nanocząstek pozwala aby preparaty, były zdolne do absorbowania większej ilości lipidów i były stabilne, tak że dodatkowe emulgatory nie są potrzebne. Ultradźwięki to sprawdzona metoda produkcji nanoemulsji i nanodispersji. Intensywne ultradźwięki są potrzebne do zdyspergowania fazy ciekłej (faza rozproszona) w małe kropelki w drugiej fazie (faza ciągła). W strefie rozpraszającej, implozję pęcherzyków kawitacyjnych powodują intensywne fale uderzeniowe w otaczającej cieczy i prowadzą do powstawania płynnych strumieni o dużej szybkości przepływu cieczy. W celu stabilizacji nowo utworzonych kropel fazy rozproszonej wobec koalescencji, emulgatory (substancje powierzchniowo czynne), środki powierzchniowo czynne i stabilizatory, dodaje się do emulsji. Ponieważ koagulacja kropelek po przerwaniu wpływa na końcowy rozkład wielkości cząstek, skutecznie stabilizujących emulgatory stosuje się do utrzymania końcowego rozkładu wielkości cząstek.
Dyspersje liposomalne
Dyspersje liposomalne, są oparte na nienasyconych fosfatydylocholinach, brakuje im stabilności przed utlenianiem. Stabilizację zawiesiny można osiągnąć przez antyoksydanty, takie jak kompleks witaminy C i E. Ortan et al. (2002) uzyskuje dobre wyniki w swoich badaniach dotyczących ultradźwiękowego otrzymywania Anethum graveolens olejku liposomów. Po sonifikacji, wymiar liposomów jest pomiędzy 70-150 nm, a dla MLV pomiędzy 230-475 nm; Wartości te były w przybliżeniu stałe także po 2 miesiącach, ale wzrosły po 12 miesiącach, zwłaszcza w SUV dyspersji . Pomiar stabilności, dotyczący istotnej utraty oleju i rozkładu wielkości, wykazał również, że dyspersje liposomalne utrzymywały zawartość olejku eterycznego. Sugeruje to, że unieruchomienie olejku liposomów zwiększona stabilność oleju.
Efekty ultradźwiękowe
Obok ultradźwiękowego wytwarzania nanocząstek, przetwarzanie materiałów daje szerokie pole dla zastosowań ultradźwięków. Aglomeraty mają być podzielone, cząstki muszą być rozplątywane i / lub rozproszone, powierzchnie muszą być aktywowane lub funkcjonalizowane, nano-kropelki muszą być zemulgowane. Dla wszystkich tych etapów przetwarzania, ultradźwięki są sprawdzoną metodą. Ultradźwięki o wysokiej mocy generują intensywne efekty. Intensywna sonikacja cieczy, wykorzystuje zjawisko kawitacji polegające na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia ciśnienia.
Przetwarzanie ultradźwiękowe
Hielscher jest głównym dostawcą wysokiej jakości i wysokiej wydajności procesorów ultradźwiękowych do stosowania przemysłowego i w laboratorium. Urządzenia w zakresie od 50 W do 16.000 W pozwalają znaleźć odpowiedni ultradźwiękowy procesor do każdej wielkości i każdego procesu. Dzięki ich wysokiej wydajności, niezawodności, solidności i łatwości obsługi, obróbka ultradźwiękowa jest niezbędną techniką przygotowywania i przetwarzania nanomateriałów. Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher gwarantują bezpieczną i wydajną produkcję według standardów farmaceutycznych. Wszystkie specyficzne procesy ultradźwiękowe mogą być łatwo testowane w laboratorium. Wyniki badań są całkowicie powtarzalne.
Wpis jest tłumaczeniem artykułu firmy Hielscher Ultrasonics GmbH, którego oryginał jest dostępny pod adresem https://www.hielscher.com/ultrasonic-treatment-of-nanoparticles-for-pharmaceuticals.htm