Download - izdelava nanodelcev
Podiplomski študij Biomedicine, smer Farmacija
Fakulteta za farmacijo
Ljubljana
marec, 2007
seminar pri predmetu
Farmacevtske tehnološke operacije in farmacevtske oblike
IZDELAVA NANODELCEV Z METODO
ELEKTRORAZPRŠEVANJA
IN DRUGE UPORABNE METODE
Karmen Teskač
MENTOR: prof.dr. Julijana Kristl
seminar-FTOFO Karmen Teskač
2
Slika1: Primer nanosfere
(zgoraj) in nanokapsule
(spodaj).
11 .. UU VV OO DD
Današnji hiter napredek najrazličnejših tehnik omogoča eksponentno odkrivanje novih potencialnih
zdravilnih učinkovin (v nadaljevanju ZU). Le 5-10 od 3 000-10 000 kandidatnih učinkovin nato preide v I.
fazo kliničnih študij in včasih katera od njih celo dočaka tržišče. Zaradi teh številnih dodatnih in dolgotrajnih
korakov na poti do nove, bolnikom dostopne, ZU je zelo uporabna natančna študija formuliranja farmacevtske
oblike(1).
Razvoj novih formulacijskih tehnik in oblikovanje naprednejših dostavnih sistemov omogoča, da na želeno
mesto dostavimo ZU, ki izkazuje še tako problematične kemijske in fizikalne lastnosti.
NANOFORMULACIJE so oblike, v katerih je učinkovitost pripisana prisotnemu koloidnemu nosilnemu
sistemu z velikostjo od 1 do 1000 nm. Znotraj te skupine so nanodelci (ND) zaradi trdnega agregatnega
stanja (pri temperaturi shranjevanja in fiziološki temperaturi) fizikalno najstabilnejši. Prav tako je v trdnem
nosilcu počasnejše izhajanje ZU, saj je mobilnost le-te omejena. Ogrodje nanodelcev je sestavljeno iz
fiziološko sprejemljivih polimernih makromolekul, ki omogočajo nastanek polimernih nanodelcev, ali iz
trdnih lipidov, iz katerih pripravimo trdne lipidne nanodelce (SLN). Učinkovine, ki jih vgrajujemo, so lahko v
različnem agregatnem stanju, v ogrodju pa so lahko raztopljene, suspendirane ali adsorbirane. Odvisno od
parametrov proizvodnje, fizikalno-kemijskih lastnosti učinkovine ter narave nosilnega materiala dobimo sicer
različne oblike nanodelcev, ki pa imajo v osnovi podobno zgradbo (Slika 1):
- nanosfere imajo dispergirano ali raztopljeno učinkovino po
celotnem nosilnem ogrodju
- nanokapsule imajo rezervoar učinkovine v notranjosti (2)
Trenutno so nanodelci predmet številnih raziskav, saj kažejo na precej obetavno
prihodnost. Temu so vzrok predvsem številne prednosti, ki jih omogoča uporaba nanodelcev. Če naštejem le
nekaj od teh prednosti:
- dostava različnih zdravilnih učinkovin
- relativno netopni ZU lahko povečamo hitrost raztapljanja, biološko uporabnost in hitrost absorpcije
- vgrajevanje višjih odmerkov ZU v manjše dozirne volumne
- spreminjanje površine ND lahko vodi v bolj učinkovito in inteligentno dostavo (prirejeno sproščanje, ciljana
dostava)
seminar-FTOFO Karmen Teskač
3
TEŽAVNOST IZDELAVE NANODELCEV
Znano je, da se z zmanjševanjem velikosti delcev povečuje Gibbsova prosta energija. Obvladovanje le-te je
ena največjih težav pri izdelavi ND. Poglejmo, kaj se skriva v ozadju:
Najosnovnejša enačba termodinamike opisuje spremembo energije (dE) kot vsoto med toploto (TdS) in
opravljenim delom (-pdV) :
(1) dE=TdS-pdV
Ta enačba velja samo za makroskopski sistem, ki je v ravnotežju. Ker pa običajno sistem sestavljajo
najrazličnejše komponente, je Gibbs nadgradil najosnovnejšo enačbo z upoštevanjem raznolikosti nekega
sistema in števila molekul (Ni) v njem. Izpopolnjena enačba se torej glasi:
(2) dE=TdS-pdV+ΣΣΣΣiµidNi
, kjer je µ i je kemijski potencial komponente i. Vendar pa ta enačba še vedno ne opiše dovolj dobro majhnega
sistema, katerega površinska energija ni zanemarljiva. Ker N ekvivalentnih, med sabo neinteragirajočih,
majhnih sistemov skupaj predstavlja makroskopski sistem, lahko enačbe za majhne sisteme izpeljemo iz
najosnovnejše Gibbsove enačbe:
(3) dEt=TdSt-pdVt+Σiµ idNit
, kjer s t označujemo total (celoto), torej N majhnih sistemov, in velja:
Et= NE
St= NS
Vt= NV
Nit= NNi
Vsak tak majhen sistem zase izkazuje energijo, zato k zgornji enačbi dodamo EdN:
(4) dEt=TdSt-pdVt+Σiµ idNit + EdN
, kjer E označuje vrsto kemijskega potenciala, imenovanega tudi »delitveni« potencial. Znotraj njega se
skrivajo površinski in robni učinki ter rotacija ali translacija sistema.
Ti procesi se najbolj izrazito izkažejo ravno pri majhnih sistemih. Medtem ko se Nt in Vt ohranijo, se s
povečevanjem števila majhnih sistemov volumen posameznega precej spreminja in vse to povečuje delitveni
potencial.
Z integriranjem enačbe (4) od N=0 do N=N dobimo:
(5) Et=TSt-pVt+Σiµ iNit + EN
seminar-FTOFO Karmen Teskač
4
Če to enačbo delimo z N, dobimo enačbo, ki velja za en sam majhen sistem:
(6) E=TS-pV+ΣΣΣΣiµiNi + E
Če v enačbi (4) upoštevamo, da je Et= NE , St= NS , Vt= NV in Nit= NNi , dobimo:
(7) d (NE) =Td (NS) -pd (NV) +Σiµ id (NEi )+ EdN
(8) EdN + NdE=TSdN + TNdS – pVdN – pNdV + Σiµ iNidN + Σiµ iNdNi + EdN
Za en sam majhen sistem N=1 oz. dN=0, torej sledi:
(9) dE= TdS– pdV + ΣΣΣΣiµidNi
dobljena enačba je popolnoma identična enačbi (2), ki velja za makroskopski sistem. Da pa resnično obstaja
razlika med »makro in mikrosistemom«, bomo dokazali na sledeč način:
1. diferencial enačbe (6):
(10) d(E)=d(TS)-d(pV)+d(Σiµ iNi )+ d(E)
(11) dE=TdS + SdT-Vdp- pdV+ΣΣΣΣiµidNi + ΣΣΣΣiNidµi + dE
2. Razlika med enačbama 11 in enačbo 9:
(12) dE= -SdT + Vdp + ΣΣΣΣiNidµi
Enačba 12 opredeljuje delitveni potencial E, ki je posebnost mikrosistema, in je v makroskopskem sistemu
enak nič.
Iz enačbe 12 je prav tako lepo razvidno, da je delitveni potencial E funkcija temperature (T), tlaka (p)
in kemijskega potenciala (µ). To so torej bistveni parametri, ki jih moramo upoštevati pri izdelavi
majhnih sistemov, kakršni so nanodelci (3).
Tako za izdelavo stabilnih ND uporabljamo dva splošna pristopa, s pomočjo katerih kompenziramo
naraslo Gibbsovo prosto energijo:
Kinetični pristop izkorišča vnos zunanje energije, ki je lahko v obliki mehanske energije, kot je uporaba
ultrazvoka oz. homogenizatorja, ali uporaba električnega polja.
S termodinamičnim pristopom skušamo znižati medfazno energijo z uporabo različnih polimerov in
surfaktantov. Ti stabilizatorji uspešno prekrijejo površino nanodelcev in tako preprečijo
termodinamično nestabilnost sveže nastale površine med nanodelcem in tekočim medijem.
Dejansko se pri izdelavi ND večinoma poslužujemo obeh pristopov, tako kinetičnega kot tudi
termodinamičnega. Običajno le kombinacija teh dveh vodi v ustrezno kakovosten in učinkovit sistem (4).
seminar-FTOFO Karmen Teskač
5
Slika2: Primer rotor-stator
homogenizatorja
22 .. NN AA JJ PP OO GG OO SS TT EE JJ ŠŠ EE TT EE HH NN OO LL OO GG II JJ EE II ZZ DD EE LL AA VV EE NN AA NN OO DD EE LL CC EE VV
2.A. HOMOGENIZACIJA
Z običajnimi postopki drobljenja lahko zdrobimo snov samo do neke meje, ki je običajno okrog
mikrometrskega velikostnega razreda. Pod to mejo lahko pridemo le s posebnimi načini drobljenja (predvsem
vlažnimi postopki):
2.A.1. IZDELAVA NANODELCEV Z ROTOR-STATOR HOMOGENIZATORJEM
BISTVO: Emulgiranje taline lipida v vodno raztopino steričnega stabilizatorja z rotor-stator homogenizatorjem.
Z ohlajanjem nastale O/V emulzije taline lipida omogočimo otrditev lipidnih kapljic in nastanek SLN.
NAPRAVA (Slika2), ki jo uporabimo pri tem procesu je rotor-stator homogenizator, katerega glavni del je glava
za dispergiranje. Zunanji del te glave je stator (mirujoči del), znotraj statorja pa je rotor (vrteči se del).
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV: Lipidno fazo segrejemo na optimalno temperaturo,
ki jo določimo glede na temperaturo tališča lipidov ter je približno 10°C nad tališčem le-tega.
V talini lipidov raztopimo ali suspendiramo učinkovino in ji dodamo na enako temperaturo segreto vodno
raztopino steričnega stabilizatorja. Zmes homogeniziramo z rotor-stator homogenizatorjem pri visokih obratih
(npr. 20.000 obratov/min) in konstantni temperaturi.
Pri preprostem homogenizatorju (Ultra-Turrax) se emulzija (združeni lipidna in
vodna faza) zaradi velike vrtilne frekvence rotorja posesa v glavo za
dispergiranje. Centrifugalna sila je tista, ki nato poganja emulzijo skozi reže
med rotorjem in statorjem.
Razbitje kapljic dosežemo s tem, ko le-te močno udarjajo v steno statorja ter
tudi zaradi velikih strižnih sil v režah med statorjem in rotorjem.
Delci otrdijo šele po ohladitvi vzorca na sobno temperaturo.
PARAMETRI, ki jih je potrebno upoštevati v procesu dispergiranja so širina reže
in količina dovedene energije. Optimizirati je potrebno predvsem čas in hitrost
mešanja. Dosežemo lahko optimalno velikost kapljic, ki je z nadaljnjim
dovajanjem energije bistveno ne moremo spremeniti, saj pri večjih hitrostih
hkrati z dispergiranjem poteka tudi koalescenca (5).
seminar-FTOFO Karmen Teskač
6
Slika 3: shematski prikaz homogenizacijskega
procesa.
A=neobdelana disperzija; B=rezervoar; C=ohlajeno
ali ogreto področje razbijanja delcev; D=cev za
izmenjavo toplote; E=iztočna cev
2.A.2. HOMOGENIZIRANJE POD VISOKIM TLAKOM
vroča visokotlačna homogenizacija
BISTVO: Tehnološki postopek poteka v dveh stopnjah. Prva stopnja je izdelava predemulzije s pomočjo rotor-
stator homogenizatorja (npr. Ultra turrax), sledi pa homogenizacija pod visokim tlakom z vzdrževanjem stalne
temperature.
NAPRAVI, ki omogočata izdelavo ND s to metodo sta
rotor-stator ter visokotlačni homogenizator (Slika3).
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA
NANODELCEV: Prva stopnja je popolnoma identična
zgoraj opisanemu postopku izdelave emulzije z
uporabo rotor-stator homogenizatorja. Vendar pa nam
nastala emulzija sedaj predstavlja le predemulzijo, ki
jo uporabimo v sledeči stopnji.
Pri drugi stopnji potiskamo predemulzijo skozi ozko
režo ali šobo pod visokim tlakom (100-2000 bar) pri
temperaturi, ki je višja od temperature tališča lipida.
Ker se premer šobe precej zmanjša, se hitrost toka
disperzije močno poveča in doseže tudi 1000 km/h (6).
V skladu z Bernulijevo enačbo se dinamični tlak (ρρρρv2/2) poveča, torej se sočasno zmanjša statični tlak (ps):
ps + ρρρρv2/2 = konstanta
Ker se statični tlak zniža pod tlak vrelišča vode pri sobni temperaturi, začne voda vreti. Nastajajo mehurčki
vodne pare, ki implodirajo, ko disperzija zapusti špranjo in pride v območje normalnega zračnega tlaka. Ta
pojav imenujemo kavitacija. Sila kavitacije je dovolj velika, da zdrobi mikrokapljice v nanokapljice. Dodaten
drobilni učinek nastopi zaradi visoke strižne napetosti v reži in zaradi trkov delcev.
Trdni delci nastanejo šele po ohladitvi vzorca na sobno temperaturo.
Pomembnejši PARAMETRI, ki jih moramo optimizirati za vsako disperzijo posebej, so tlak, število
homogenizacijskih ciklov in temperatura homogeniziranja. V splošnem velja, da višja temperatura omogoči
nastanek manjših delcev zaradi manjše viskoznosti notranje faze, vendar pa lahko višja temperatura poveča
hitrost razpada učinkovine v nosilnem sistemu, zato je potrebno izbrati ustrezen kompromis. Potrebno je še
upoštevati, da homogenizacija tudi že sama po sebi poveča temperaturo vzorca. Prav tako lahko previsok tlak
in preveliko število ciklov prispevata k povečani kinetični energiji delcev, kar vodi v koalescenco. Za
izdelavo SLN večinoma zadostuje 3-5 ciklov pri tlaku 500-1500 bar (7).
seminar-FTOFO Karmen Teskač
7
Slika4: Shematski
prikaz zmanjšanja
delcev.
hladna visokotlačna homogenizacija
BISTVO: Hladna homogenizacija je princip mletja suspenzije pod visokim tlakom, saj poteka homogenizacija
lipidov, ki so v trdnem agregatnem stanju.
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV: Učinkovino dispergiramo
v talino lipida, zmes ohladimo v tekočem dušiku ali v suhem ledu in jo zmeljemo.
Hitrost ohlajanja mora biti čim večja, saj favorizira homogeno distribucijo
učinkovine v lipidnem matriksu. Hlajenje poveča krhkost in omogoča nastanek
lipidnega praška z velikostjo delcev v mikrometrskem območju.
Trdne lipidne mikrodelce, velikosti 50-100 µm, dispergiramo v hladni vodni
raztopini stabilizatorja pri temperaturi, ki je nižja od temperature tališča lipidov.
Dobljeno predsuspenzijo nato homogeniziramo pod visokim tlakom pri sobni ali nižji temperaturi.
Mikrodelci se zmanjšajo na nanometrsko velikost po principu, kot je opisan pri vroči visokotlačni
homogenizaciji (Slika4).
Trdni delci so zaradi samega procesa pri nižjih temperaturah že prisotni v nastalem produktu.
PARAMETRI, ki vplivajo na kakovost končnega izdelka, so povezani predvsem z vneseno količino energije, ki
je pri tej metodi precej višja. To pomeni, da je potrebno več ciklov in višji tlak za doseganje enake velikosti
nanodelcev kot pri metodah s povišano temperaturo.
Ena od PREDNOSTI te metode je možnost vključevanja hidrofilnih učinkovin v lipidni matriks, saj pri vroči
homogenizaciji hidrofilne učinkovine hitro preidejo v vodno fazo. Prav tako je prednost te metode manjša
izpostavljenost visokim temperaturam, kar omogoča uporabo termolabilnih ZU (6).
2.B. ZAMRZOVANJE Z RAZPRŠEVANJEM V TEKOČINO (SPRAY FREEZING INTO
LIQUID (SFL))
OSNOVA: Raztopino notranje faze razpršujemo direktno v kriogeno tekočino (npr. tekoči dušik).
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV : Med tem procesom, organsko topilo, v katerem je
raztopljen polimer in ZU, razpršujemo pod površino tekočega dušika. Zaradi visoke pretočne hitrosti in padca
temperature majhne kapljice z visoko zunanjo površino hitro zamrznejo.
Suspenzijo zamrznjenih kapljic liofiliziramo, da odstranimo topilo. Nastali produkt je amorfen, mikroniziran
prašek, v katerem je ZU molekularno dispergirana po polimernem poroznem matriksu (4).
seminar-FTOFO Karmen Teskač
8
2.C. OBARJALNE TEHNIKE
Opomba: Pri opisu posameznih tehnik so zaradi poenostavitve opisani postopki izdelave polimernih ND.
Vendar se moramo zavedati, da so te tehnike primerne tudi za izdelavo trdnih lipidnih ND (SLN).
V splošnem je princip teh tehnik sledeč:
najprej raztopimo polimer v določenem (organskem) topilu, sledi pa obarjanje polimera po dveh možnih
poteh:
a.) odparevanje (organskega) topila
b.) dodatek protitopila, ki je običajno vodni medij s stabilizatorjem in v katerem polimer ni topen
Proizvodni procesi se med seboj razlikujejo glede na tip topila / protitopila in glede na temperaturo ter
tlak, pri katerih se proces izvaja:
2.C.1. OBARJANJE Z ORGANSKIMI TOPILI
Metoda difuzije topila
BISTVO: Pri tem procesu uporabimo dve med seboj dobro mešajoči se topili ((organsko) topilo je topno v
protitopilu).
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV: Polimer (in ZU) raztopimo v topilu in nato nastalo
raztopino kapljamo v protitopilo. Topilo hitro oddifundira v protitopilo in nastopi desolvatacija polimera.
Polimer se obori, vanj pa se ujame tudi učinkovina.
Nastalo mešanico topil odstranjujemo z:
- metodo razprševanja z odparevanjem (spray-drying), kjer topilo odpareva, ko razpršujemo disperzijo
v tok vročega zraka
- liofilizacijo, kjer odstranjujemo topilo s sublimacijo po zamrznitvi vzorca (8, 9)
Odparevanje organskega topila
BISTVO: Nanoobarjanje poteče v protitopilu, ki se ne meša s hlapnim organskim topilom.
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV: Polimer (in ZU) raztopimo v hlapnem organskem
topilu in raztopino združimo s protitopilom (zunanja vodna faza). Hlapno organsko topilo nato odparimo pri
povišani temperaturi. Pri tem nastopi desolvatacija polimera, ki v zunanji vodni fazi ni topen, zato se obori in
tvori nanodelce.
seminar-FTOFO Karmen Teskač
9
Slika5: Graf odvisnosti
temperature od tlaka čiste
Ekstrakcija organskega topila
BISTVO: Uporabljeni topili (organsko topilo in protitopilo) se le delno mešata med sabo.
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV: Polimer (in ZU) raztopimo v organskem topilu in
nastalo raztopino združimo s protitopilom (zunanja vodna faza). Ekstrakcijo organskega topila dosežemo
tako, da povečamo njegovo topnost v protitopilu (zunanji vodni fazi), in sicer lahko:
- dodamo druga organska topila, ki se mešajo s protitopilom (vodo) in izbranim organskim topilom
(npr. izopropanol)
- povečamo volumen protitopila (zunanje vodne faze)
Tako povzročimo difuzijo organskega topila v protitopilo (zunanjo fazo), polimer pa se obori v obliki
nanodelcev.
Obarjanje v antitopilu (vodna raztopina) ob hkratnem izparevanju topila (EPAS =
Evaporative Precipitation into aqueous solution)
BISTVO: Raztopino polimera (in ZU) v organskem topilu razpršujemo v ogreto protitopilo (vodni medij).
Nastopi odparevanje organskega topila in nastanka nanodelcev.
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV: Polimer raztopimo v (organskem) topilu, raztopino
pogrejemo in jo pod pritiskom z uporabo inertnega plina razpršujemo skozi iglo v ogreto protitopilo (vodno
kopel).
Visok padec pritiska in povišana temperatura raztopin (organskega topila in protitopila (vodna raztopina))
povzročijo hitro odparevanje organskega topila. V protitopilu slabo topen polimer se obori v obliki
nanodelcev.
2.C.2. OBARJANJE S POMOČJO SUPERKRITIČNIH TEKOČIN (SCF)
Uporaba superkritičnih tekočin (SCF) v procesu obarjanja se je izkazala kot
dobra alternativa običajnim tehnikam obarjanja, saj se izognemo uporabi
toksičnih organskih topil. Prav tako lahko dosežemo boljše lastnosti delcev
(ozka porazdelitev velikosti, majhni delci in signifikantno hitrejše
raztapljanje le-teh).
»SUPERKRITIČEN« pomeni stanje snovi, kjer sta T in p tekočine nad
kritično točko (Slika5). Temperatura in tlak v kritični točki sta definirana kot
Tc (kritična temperatura) in pc (kritični tlak).
SCF izkazuje lastnosti tako plinov kot tudi tekočin. Ima namreč tekočini
podobno gostoto (visoka moč raztapljanja) ter plinu podobno difuzibilnost in viskoznost (visoka moč prenosa
seminar-FTOFO Karmen Teskač
10
4
2
5
6
7 8
91
izstop zraka
34
2
5
6
7 8
91
izstop zraka
3
Slika6: Shematski prikaz RESS postopka.
1=valj s CO2, 2= črpalka CO2, 3= ogrevalni plašč, 4=
posoda pod pritiskom (ekstraktor), 5= mešala, 6= kontrola
pritiska, 7= igla, 8= filter, 9= zbiralnik (precipitator)
mase, dobre lastnosti mešanja). Površinska napetost je blizu 0, kar omogoča SCF, da z lahkoto prehaja v
različne mikrostrukture.
Eden najpogosteje uporabljenih SCF je SC-CO2, katerega glavna prednost je nizka Tc (31,1 °C) in je zato
uporaben tudi za termolabilne snovi. Prav tako ima dobro sposobnost raztapljanja, je netoksičen, nevnetljiv in
relativno poceni (1,4).
Glede na princip obarjanja s pomočjo SCF ločimo različne metode, s katerimi lahko izdelamo nanodelce:
RESS (rapid expansion of supercritical solution) (hitra ekspanzija superkritične raztopine)
BISTVO: Izkoriščanje lastnosti snovi, ki jo želimo oborit, da je topna v SCF.
NAPRAVO (Slika6), ki omogoča izdelavo nanodelcev po metodi REES, sestavljajo črpalka, ekstraktor, igla in
precipitator.
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA
NANODELCEV: Stisnjena SCF prehaja skozi
raztopino polimera, ki je v ekstraktorju, in jo
prenese naprej do precipitatorja. Raztopina kaplja
skozi kapilaro v precipitator, kjer je tlak veliko nižji.
Rezultirajoči padec tlaka v raztopini povzroči hitro
odparevanje SCF. Moč raztapljanja SCF pade, kar
vodi v visoko stopnjo homogenega nasičenja in
nastajanja majhnih delcev.
IZBOLJŠANA VARIANTA REES: rapid expansion from supercritical into aqueous solutions (RESAS), kjer
atomiziramo raztopino polimera s SCF tik pod površino vodne raztopine, ki vsebuje stabilizatorje in
solubilizatorje.
SAS (supercritical antisolvent) (SCF kot protitopilo)
BISTVO: Obarjanje snovi, ki v SCF ni topna.
POSTOPEK in MEHANIZEM NASTANKA NANODELCEV: Raztopino polimera pršimo skozi iglo od zgoraj v
precipitator. Tukaj se raztopina sreča s tokom SCF, ki deluje kot protitopilo in povzroči nastajanje delcev.
Pri visoki hitrosti se odvijata dva mehanizma obarjanja delcev:
1. difuzija SCF v kapljice raztopine, kar povzroči razbitje kapljic in nastajanje manjših delcev
2. izhlapevanje topila iz raztopine v SCF, kar vodi v aglomeracijo delcev
Ko dobimo zadostno količino delcev, zaustavimo črpanje raztopine in s čistim SCF odstranimo zaostalo
topilo iz delcev.
seminar-FTOFO Karmen Teskač
11
Fg
Fp
2.D. ELEKTRORAZPRŠEVANJE
Napredek v tehnikah razprševanja pri visoki jakosti električnega polja je odprl novo poglavje nanoformulacij.
Tako so do danes s pomočjo elektrorazprševanja uspeli izdelati raznovrstne monodisperzne nanodelce,
primerne tudi za farmacevtsko uporabo.
ELEKTRIČNI POTENCIAL IN MEDFAZNA NAPETOST
Električni naboj ima pomemben učinek na površinsko energijo trdne snovi ali tekočine. Istovrstni naboj
delcev vodi k večji stabilnosti sistema, saj se delci med seboj odbijajo. Najpogosteje dosežemo električni
naboj z adsorpcijo ionov.
Pri procesu elektrorazprševanja pa dosežemo nastajanje nanodelcev pri ustrezni jakosti električnega polja. Ko
je mejna površina med raztopino in zrakom nabita, je površinska napetost raztopine znižana zaradi povečanih
interakcij znotraj raztopine. Ta pojav je veliko manj izrazit, če je prisotna manj prevodna raztopina, npr. oljna
raztopina (11).
POSTOPEK ELEKTRORAZPRŠEVANJA
Slika na desni nam prikazuje najpreprostejši način elektrorazprševanja.
Električno prevodno tekočino črpamo (A) skozi cev (B) v kapilaro (C)
in počasi razpršujemo raztopino proti zbiralniku (E). S pomočjo
elektrod ustvarimo med kapilaro in zbiralnikom nekaj 1000 V razlike v
električnem potencialu (F). Na konici kapilare nastane Taylorjev
stožec, ki mu sledijo nabite kapljice (D). Natančno reguliranje
parametrov in prilagajanje opreme omogoča nastanek najrazličnejših
nanodelcev (12).
PRINCIP ZMANJŠEVANJA KAPLJIC
Ko je pri razprševanju skozi odprtino kapilare prisotno električno polje med kapilaro in zbiralnikom, se
velikost kapljic zmanjša v odvisnosti od jakosti električnega polja oz. od količine naboja na teh kapljicah.
A. Ko ni električnega polja, prehaja tekočina skozi kapilaro v obliki kapljanja. Končna velikost kapljic (r) je
odvisna od sile površinske napetosti (Fp) in sile teže (Fg)kapljice:
Fp = Fg
γ 2πr = g m
γ 2πr = (g ρ 4πr3)/3
(1D) r2 = (3 γ) γ) γ) γ) / (2gρρρρ)
, kjer je γ površinsko napetost, g gravitacijski pospešek in ρ gostota raztopine.
seminar-FTOFO Karmen Teskač
12
Fp
Fe
Fp
Fe
B. Z dodatkom in naraščanjem jakosti električnega polja se velikost kapljic zmanjšuje preko različnih
stopenj.
Sprva nastane na konici kapilare Taylorjev stožec (fenomen stožčastega curka je prvi
razložil Taylor leta 1964). Sledi kratek curek in razpršitev le-tega v majhne kapljice.
Nastanek nabitega curka s premerom rj je prvi opisal Rayleigh z enačbo:
(2D) rj = (9εγ εγ εγ εγ / 2ππππ2)1/3 (F / I)2/3
, kjer je ε dielektričnost raztopine, γ površinska napetost, F hitrost pretoka raztopine in I električni tok pri
procesu elektrorazprševanja.
Z zmanjševanjem velikosti kapljic se površina le-teh povečuje, zato topilo izredno hitro odpareva in električni
naboj se precej zgosti. Na površini kapljice je zraven tlaka površinske napetosti (pp) prisoten tudi tlak zaradi
električnega naboja (pe):
(3D) pp = Fp / S = (γ 2πr) / (πr2) = (2γ) / r
(4D) pe = Fe / S = (qE) / (4πr2)
Iz Gaussovega teorema: q/ε = E4πr2 lahko izrazimo jakost električnega polja E:
(5D) E = q / (ε4πr2)
Če vstavimo enačbo (5D) v enačbo (4D), dobimo drugačen zapis za pe, ki ga
bomo uporabili v nadaljevanju:
(6D) pe = (q2) / (ε(4πr2)2)
Površina kapljice ne zmore v nedogled vzdrževati svoje integritete. Ko se tlaka površinske napetosti in
električnega naboja izenačita, je dosežen kritični naboj na površini kapljice (qk):
pp = pe
(2γ) / r = (q2) / (ε(4πr2)2)
(7D) qk = 4π (π (π (π (2γ ε γ ε γ ε γ ε r3)1/2
V tem trenutku se inducira popolni
razpad v zelo majhne kapljice, ki
običajno s prostim očesom niso vidne
(nanometrska velikost). To je t.i.
Coulombova eksplozija (13).
seminar-FTOFO Karmen Teskač
13
Naraščanje napetosti A�DNaraščanje napetosti A�DNaraščanje napetosti A�D
Oddaljenost igla-zbiralnik
Naraščanje hitrosti pretoka A�D
Oddaljenost igla-zbiralnikOddaljenost igla-zbiralnikOddaljenost igla-zbiralnik
Naraščanje hitrosti pretoka A�DNaraščanje hitrosti pretoka A�D
PARAMETRI
Za doseganje specifičnih oblik pri elektrorazprševanju moramo kontrolirati številne parametre. Ugotovljeno je
bilo, da je za nastajanje ustreznih kapljic potrebno upoštevati lastnosti razprševane tekočine. Tako si lahko
glede na te lastnosti pomagamo pri prilagajanju električnega toka (I) in hitrosti pretoka (F) s spodnjima
enačbama:
(8D) F= (εγ) / (ρK)
(9D) I= ((εγ2) / ρ)1/2
, kjer je ε dielektričnost raztopine, γ površinska napetost
raztopine, ρ gostota raztopine in K prevodnost (14).
Če ponovno zapišemo Rayleigh-ovo enačbo (2D), sliki na
desni strani nista presenečenje:
(2D) rj = (9εγ / 2π2)1/3 (F / I)2/3
Z naraščanjem napetosti premosorazmerno narašča tudi
električni tok (U=RI) in v skladu z Rayleigh-ovo enačbo pada
premer nastalega curka. Nasprotno pa z naraščanjem hitrosti
pretoka raste tudi velikost nastalih delcev.
Preoblikovano Rayleigh-ovo enačbo, ki bi nazorneje kazala povezanost med premerom nastajajočega
produkta in lastnostmi razprševane raztopine, dobimo, če v osnovno Rayleigh-ovo enačbo vstavimo zgornji
enačbi (8D) in (9D):
(10D) rj = ( (9 εεεε γγγγ εεεεo2 ) ) ) ) / ( 2 ππππ2
ρρρρ K) ) 1/3
Iz dobljene zveze lahko opredelimo vpliv lastnosti raztopine in nekatere od teh lahko razložimo na sledeč
način:
- dielektrična konstanta (ε) nam pove, koliko naboja lahko zadrži raztopina. Tako raztopine z visoko
dielektričnostjo vodijo v nastanek manjših kapljic.
- površinska napetost (γ) je indikator količine potrebnega naboja, da nastanejo drobne kapljice. Le-te so
dosegljive, ko je površinska napetost nizka.
- viskoznost raztopine (η) kaže na sposobnost polimernega curka, da se zlomi. Nižja viskoznost omogoči lažje
nastajanje kapljic, ki so torej manjše velikosti.
- parni tlak topila (p) nam pove, kolikšen delež molekul neke snovi je v plinski fazi. Topilo z višjim parnim
tlakom pri določeni konstantni temperaturi hitreje odpareva in vodi v nastanek manjših kapljic (15).
seminar-FTOFO Karmen Teskač
14
etilacetatetilacetat
acetonaceton
Za lažje razumevanje, kako posamezne lastnosti topila vplivajo na velikost
nastajajočih kapljic, si oglejmo primer razprševanja 5% raztopine PLG pri konstantni
hitrost pretoka 1mL/h in napetosti 10 kV. S slike na desni je razvidno, da raztopina
PLG v etilacetatu vodi v nastanek zlitih večjih delcev, medtem ko raztopina PLG v
acetonu omogoči nastanek dokaj sferičnih enakomernih in predvsem manjših kapljic.
S pomočjo spodnje preglednice karakteristik posameznega topila (etilacetata in
acetona) se lahko prepričamo o vplivu posameznega parametra na produkt
elektrorazprševanja.
Zaključimo lahko, da so višja dielektričnost, nižja površinska napetost, nižja viskoznost ter višji parni tlak
zagotovo karakteristike topila, ki omogočajo nastanek manjših delcev (17).
PREDNOSTI RAZPRŠEVANJA V ELEKTRIČNEM POLJU:
A. MONODISPERZNOST
Monodisperznost je zlahka dosegljiva,
ker je velikost kapljic določena z
gostoto električnega naboja na
površini. Tako lahko nadzorujemo
velikost nastajajočih nanodelcev.
B. NEAGLOMERACIJA NASTALIH DELCEV ZARADI ISTOVRSTNEGA NABOJA
C. IZDELAVA PRI SOBNI TEMPERATURI IN ATMOSFERSKEM ZRAČNEM TLAKU
Pogoji izdelave so neobremenjujoči za uporabljene snovi, predvsem velikokrat občutljive ZU.
D. OHRANITEV PROTEINSKE AKTIVNOSTI
Znano je, da se aktivnost proteinov pri elektrorazprševanju ohrani. To dognanje želijo izkoristiti tudi v
diagnostične namene:
Nastajanje proteinov v celici se med posamezniki razlikuje tako v kvaliteti kot tudi kvantiteti. Velikokrat je ta
raznolikost povezana z določeno boleznijo. Sposobnost podrobne analize izraženih celičnih proteinov bi odprl
TOPILO dielektrična
konstanta
površinska
napetost
(10 -3
N/m)
viskoznost
(10-3
Pas)
parni tlak
(kPa)
etilacetat 6.0 23.8 0.45 9.7
aceton 20.7 23.3 0.36 24.6
seminar-FTOFO Karmen Teskač
15
notranja tekočina
zunanja tekočina
visoka napetost
ozemljena elektroda
notranja tekočina
zunanja tekočina
visoka napetost
ozemljena elektroda
vpogled v celično dogajanje in odgovoril na nerešena medicinska vprašanja. Ideja, kako se približati temu
cilju, je s pomočjo elektrorazprševanja oblikovati 2D mreže z različnimi, vendar za posamezne celične
proteine specifičnimi, protitelesi. Spodnja slika prikazuje imunski test na IgG iz različnih vrst. Protitelesa so
na ploščice pozicionirali s pomočjo elektrorazprševanja. Rezultat vezave IgG v določeno kolono kaže na
ohranitev proteinske aktivnosti tudi po elektrorazprševanju (17).
E. NANOKAPSULE
Nanodelci tega tipa so izredno uporabni kot
dostavni sistemi zdravilnih učinkovin. Eden
od postopkov izdelave je tudi
elektrorazprševanje skozi koaksialni kapilari.
Pri tej metodi razpršujemo v električno polje
istočasno dve tekočini. Elektroda je povezana
z zunanjo kapilaro, torej je električni potencial
notranje kapilare odvisen od električne
prevodnosti »zunanje« tekočine (18).
F. FARMACEVTSKE OBLIKE ZA INHALACIJO
Battelle Mystic™ elektrohidrodinamska tehnologija
Farmacevtska družba Battelle se je osredotočila na novejše tehnologije izdelave inhalacijskih izdelkov, ki bi
dostavili ZU tako lokalno v respiratorni trakt kot tudi sistemsko. Delovanje takšnih izdelkov je osnovano na
elektrohidrodinamiki, torej brez uporabe dodatnih potisnih sistemov. Gre za razprševanje raztopine oz.
suspenzije skozi naelektreno kapilaro v prostor, kjer je locirana nasproti nabita elektroda. Ta omogoči, da se
kapljice aerosola razelektrijo. Iz inhalacijske naprave tako prihaja meglica, ki jo bolniki preprosto inhalirajo.
Dokazali so, da kar 80% produkta doseže prava (predvsem globlja) mesta delovanja v respiratornem traktu.
Spremljali so funkcije pljuč po zdravljenju z albuterolom, apliciranega s komercialnih odmernim inhalatorjem
seminar-FTOFO Karmen Teskač
16
in napravo na osnovi Mystic tehnologije. Graf na
desni nam prikazuje, da lahko z napravo na osnovi
Mystic tehnologije (EHD) dosežemo v primerjavi s
komercialnim pripravkom (MDI) precej podoben
učinek že s 5-10 x manjšim odmerkom ZU.
Spodnja slika prikazuje 3 vrste Mystic inhalacijskih
naprav, in sicer je levo majhna ročna naprava, na
sredini za otroke in na desni za uporabo v
bolnišnicah ali na domu (19).
DRUGI PRIMERI UPORABNOSTI ELEKTRORAZPRŠEVANJA:
1. v splošni uporabi:
- masna spektroskopija, v ozadju katere je nastajanje posameznih ionov (2002 Nobelova nagrada)
2. inženirstvo:
- oblaganje (barvanje avtomobilov s elektrorazprševalno pištolo, razprševanje insekticidov v
kmetijstvu)
- ohlajanje z razprševanjem
- izgorevanje z razprševanjem
- predelava materialov
3. biološki sistemi:
- ohlajevanje z razprševanjem med laserskim zdravljenjem
- izdelava farmacevtskih pripravkov
- lokalna aplikacija tankega filma
seminar-FTOFO Karmen Teskač
17
33 .. ZZ AA KK LL JJ UUČČEE KK
21. stoletje bi lahko označili za »nanostoletje«, saj se številne tako farmacevtske kot nefarmacevtske
raziskave odvijajo na tematiko »nano«. Nanodelci za farmacevtsko uporabo izkazujejo številne prednosti,
katerih zasluge gre pripisati predvsem majhnosti sistema. Doseganje prave velikosti sistema in nenazadnje
vgraditi v tak koloidni sistem ZU predstavlja velik izziv farmacevtskim družbam.
Prav tako je trend današnjega apliciranja ZU uporaba dostavnih sistemov, ki čim bolj specifično dosežejo
mesto delovanja. Vedno večji pomen pridobiva zdravljenje s proteinskimi ZU, ki pa jo je potrebno zaščititi
pred destruktivnim okoljem v organizmu. Z napredkom na področju izdelave majhnih in zapletenih sistemov
se vse bolj bližamo želenemu cilju.
Med novejšimi postopki izdelave nanodelcev je elektrorazprševanje. Metoda je široko uporabna tudi na
drugih področjih. Ena od njenih velikih prednosti je ohranitev aktivnosti bioloških molekul (proteinov). Le-te
zahtevajo preudaren način vgrajevanja v nosilne sisteme ter tudi postopek vnosa takšne FO v telo. Eden od
načinov je enkapsulacija proteina v biodegradibilen polimer.
Poznanih je več načinov enkapsulacije, od katerih pa npr. dvojno emulzijska metoda s sledečim
odstranjevanjem topila velikokrat zahteva še homogeniziranje delcev. Tak postopek izdelave pogosto uniči
učinkovitost proteina. Elektrorazprševanje pa je metoda, ki se izkaže za prijaznejšo tako proteinom kot tudi
drugim »biološkim« ZU.
Razvoj na področju nanotehnologije zagotovo eksponentno raste in teži predvsem k čim bolj enostavnejšemu
izdelovanju nanodelcev z želenimi lastnostmi.
seminar-FTOFO Karmen Teskač
18
44 .. LL II TT EE RR AA TT UU RR AA
1. Williams RO, Vaughn JM. Nanoparticle Engineering. In: Swarbrick J. Encyclopedia of
pharmaceutical technology. Informa Healthcare USA, Inc. 2007: 2384-2398
2. Kreuter J. Nanoparticles. In: Swarbrick J, Boylan JC. Encyclopedia of pharmaceutical techology.
New York-Basel-Hong-Kong: Marcel Dekker. 1994; 165-190.
3. Hill T L. A different approach to nanotermodynamics. Nano Lett. 2001; 1: 273-275.
4. Lee J, Lim G, Chung H. Methods of preparation of drug nanoparticles. In: Kumar C. Biological and
pharmaceutical nanomaterials. Nanotechnologies for the life sciences Vol. 2. WILEY-VCH Verlag GmbH &
Co. KGaA, Weinheim 2006; 255-286.
5. Ahlin P, Kristl J, Šmid-Korbar J. Optimization of procedure parameters and physical stability of solid
lipid nanoparticles in dispersions. Acta Pharm 1998; 48: 257-267.
6. Menhert W, Mäder K. Solid lipid nanoparticles. Production, characterization and applications. Adv
Drug Del Rev 2001; 47:165-196.
7. Müller RH, Jacobs C, Kayser O. Nanosuspensions as particulate drug formulations in therapy.
Rationale for what we can expect for the future. Adv Drug Del Rev 2001; 47: 3-19.
8. Bilati U, Allémann E, Doelker E. Developement of a nanoprecipitation method intended for the
entrapment of hydrophilic drugs into nanoparticles. Pharm Sci 2005; 25: 67-75.
9. Piñón-Segundo E, Ganem-Quintanar A, Garibay-Bermúdez JR, Escobar-Chávez JJ, López-
Cervantes M, Quintanar-Guerrero D. Preparation of nanoparticles by solvent displacement using a novel
recirculation system. Pharmaceutical Development and Technology 2006; 11:493–501.
10. Marengo E, Cavalli R, Caputo O, Rodriguez L, Gasco MR. Scale-up of the preparation process of
solid lipid nanospheres. Part I. International Journal of Pharmaceutics 2000; 205: 3–13.
11. Salata VO. Tools of Nanotechology: Electrospray. Current Nanoscience, 2005; 1: 25-33.
12. Xu Y, Skotak M, Hanna M. Electrospray encapsulation of water-soluble protein with
polylactide.I.Effect of formulations and process on morphology and particle size. Journal of
Microencapsulation, 2006; 1: 69-78.
13. Gañán-Calvo A M. Cone-Jet Analytical Extension of Taylor’s Electrostatic Solution and the
Asymptotic Universal Scaling Laws in Electrospraying. Physical review letters 1997; 79: 217-220.
14. Lopez-Herrera JM, Barrero A, Boucard A, Loscartes IG, Marquez M. An experimental study of the
electrospraying of water in air at atmospheric pressure. J Am Soc Mass Spectrom, 2004; 15: 253-259.
15. Antonio Speranza A, Ghadiri M, Newman M, Osseo L S, Ferrari G. Electro-spraying of a highly
conductive and viscous liquid. Journal of Electrostatics 2001; 51-52: 494-501.
seminar-FTOFO Karmen Teskač
19
16. Berkland C, Packa D W, Kimb K. Controlling surface nano-structure using flow-limited field-
injection electrostatic spraying (FFESS) of poly(d,l-lactide-co-glycolide). Biomaterials 2004; 25: 5649–5658.
17. Avseenko NV, Morozova TY, Ataullakhanov FI, Morozov VN. Immobilization of proteins in
immunochemical microarrays fabricated by electrospray deposition. Anal Chem 2001; 73: 6047-6052.
18. Loscertales I G, et al. Micro/Nano Encapsulation via Electrified Coaxial Liquid Jets. Science 2002;
295: 1695-1698.
19. Placke ME, Zimlich WC. Developing An Advanced Pulmonary Delivery Technology: Leveraging
Engineering Challenges Into Clinical Opportunities.