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)


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


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).


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).


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).


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).


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.


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


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.


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.


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).


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).


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


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


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


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.


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.


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.

Documents

izdelava nanodelcev