Инновационное процессинговое оборудование для производства нанокосметики и нанолекарств. Нанокосметика и нанолекарства в доставке биологически активных веществ (БАВ) - разработка, производство и физико-химические свойства. В основе базы современных знаний и представлений о физической сущности явлений и процессов, происходящих в области взаимодействия субстанций и биологически активных веществ, в настоящее время лежат, главным образом, представления об их взаимодействии на макроскопическом уровне.
Where can we find equipment that can produce products in nanoscale, which is to create an effective vehicle for biologically active substances in the solution of problems of regeneration and premature aging of the skin? The company "KorolyovPharmTech" began serial production of two kinds of innovative equipment designed for the production nanocosmecs –nanoemulsions and nanocreams.
 |
| Рис. 1 Наноэмульсионная установка Нэоформ 800ЛП |
На протяжении всего времени существования косметологии как научной дисциплины с различными целями биологически активные вещества применялись только в виде поверхностных (применяемых наружно) косметических средств, активные компоненты таких средств не проникали в глубокие слои кожи.
Для таких косметических средств возможно только поверхностное воздействие на кожные покровы, в результате которого все БАВ находятся на поверхности кожи, создавая определенную защитную пленку. Безусловно, потребность в такой косметике существует, ведь она защищает кожу от вредных воздействий, заставляя внутренние слои кожи работать самостоятельно. Тем не менее, возможности таких косметических средств для решения серьезных проблем кожи, в том числе и проблем преждевременного старения, весьма ограничены.
Во всех биологических системах и организмах, в том числе и в организме человека, практически все процессы жизнедеятельности являются нанопроцессами.. Примеров можно привести очень много.
|
|
|
Рис. 2 Двойная спираль молекулы ДНК |
Белки человека, размер которых находится в диапазоне от 4 до 50 нм, уже сами по себе являются наночастицами. Полипептиды, образованные белками, являются наноцепью.
Молекула ДНК (Рис. 2) современного человека обеспечивает сохранность и передачу из поколения в поколение генетической программы, которая отвечает за развитие и функционирование организма, а также обеспечивает реализацию этой генетической программы. С точки зрения современной химии, ДНК представляет собой длинную полимерную молекулу, которая состоит из повторяющихся блоков — нуклеотидных наноцепей. Нуклеотидные наноцепи спирализованы относительно друг друга с периодом 3,4 нм. Из-за своей структуры молекула ДНК называется «двойной спиралью», размер которой в диаметре составляет 2 нм.
Гемоглобин (Рис. 3 А), содержащий железо - это пигмент в крови человека. Гемоглобин выполняет функцию переноса кислорода из органов дыхания к тканям и имеет 7 нм в диаметре.
Инсулин (Рис. 3 Б) - гормон белковой природы или полипептидный гормон, структурной единицей которого является мономер с молекулярной массой около 6000 кДа, размером 2,2 нм.
Фибриноген (Рис. 3 В) представляет собой растворимый белок плазмы крови, относится к группе глобулинов, является фактор I свёртывания крови. Молекулярная масса около 350000. Фибриноген имеет глобулярную форму, диаметр которой около 22 - 50 нм и т. п.
 |
 |
 |
|
А) компьютерное изображение |
Б) компьютерное изображение |
В)Молекулярная модель |
|
Рис. 3 Фото молекулярных моделей гемоглобина, инсулина и комплекса тромбин фибриноген. |
||
|
|
|
Рис. 4 Схематическое изображение |
Исходя из вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что практически все биологические организмы, в том числе и человек, являются наносистемами или нанообъектами с происходящими в них нанопроцессами. Поэтому и эффективное решение стоящих перед современной косметологией и фармакологией задач возможно только с учётом применения нанотехнологий.Во внешней среде человека окружает бесчисленное количество других биологических нанообъектов - вирусов, с которыми ему приходится постоянно бороться, их размеры находятся в диапазоне от 10 до 200 нм. Например, вирус гриппа в диаметре имеет около 60 нм.
Традиционно используемые лекарственные препараты, применяемые перорально и парантерально, разносятся кровотоком по всем клеткам организма человека. Именно с такой не адресной доставкой связаны практически все побочные действия применяемых препаратов (до 95% случаев). Например, известно, что только 1% всей массы таблетки ацетилсалициловой кислоты (аспирина) оказывает воздействие на головной мозг человека, соответственно 99% - достигает с кровотоком всех клеток организма человека, практически всех органов, всех желез внутренней секреции и всех систем – ЦНС, КМС и др. Только 1 из 100 тысяч молекул препарата, введенного внутривенно, достигает определённого места назначения в организме.
В противоположность традиционно применяемым препаратам можно рассматривать косметические препараты нового поколения для наружного применения. Это нанокосметика и нанолекарства, у которых нет таких недостатков. Чтобы обеспечить необходимые терапевтические концентрации, приходится вводить высокие и повторные дозы биологически активных веществ и субстанций, поскольку, из-за их неселективного распределения в организме и наличия многочисленных биологических барьеров, БАВ могут уклоняться от достижения участка воздействия. Поэтому, чтобы увеличить эффективность препаратов при снижении их токсичных побочных эффектов, было предложено инкапсулировать БАВ в наноносители.
Косметические и фармацевтические наноперепараты имеют способность работать на уровне каждой, отдельно взятой наночастицы, соответственно, возможно создавать нанопрепараты, имеющие узконаправленное или дифференцированное воздействие на нужный орган, группу тканей или группу клеток. Создавая такие нанопрепараты, возможно так же значительно уменьшить терапевтическую дозу биологически активных веществ, что, в свою очередь, позволяет избежать или значительно уменьшить побочные действие применяемого препарата.
В результате применения нанопрепаратов достигается уменьшение дозы и значительное уменьшение токсичности препарата на фоне возрастающей в разы эффективности.
Нанопрепараты дают возможность реализовать совершенно новые способы и системы терапии, это системы терапии, ориентированные и заданные на конкретную биологическую систему - организм человека. Терапия нанопрепаратами позволит на промышленном уровне проводить индивидуальное адаптирование имеющихся препаратов под конкретного пациента. Это переход косметологии и фарминдустрии на индивидуальную терапию.
Наночастицы могут позволить биологически активным веществам преодолеть первые защитные барьеры (Рис.4). Кроме этого, эффект нанокапсулированния поможет «обойти» защитные механизмы организма человека. Нанокапсулы, имея многослойную поверхность, значительно повысят устойчивость к действию иммунной системы организма человека, что позволит БАВ сохранить структуру, а значит и активность на значительно более длительное время, что и позволит достигнуть точки назначения.
Нанокапсуляция - это технология, обладающая очевидными и все возрастающими преимуществами для решения проблем преждевременного старения, а так же для лечения кожных заболеваний.
Биофизически наноносители (нанокосметика) открывают перспективу для доставки молекул, рассматривающихся в качестве низкоэффективных кандидатов для местного применения (например, обладающих высокой молекулярной массой, высокой гидрофильностью), путем повышения их проникновения в кожу. Кроме того, использование БАВ, обладающих низким терапевтическим индексом, может быть пересмотрено при включении биологически активных компонентов в наносистемы, что снизит системные побочные эффекты.
Технологическая возможность производства нанокосметики (наноносителей и наноэмульсий) без использования эмульгаторов и растворителей должна быть критерием для промышленного производства нано-, и микроэмульсий, создающим условия для грядущего поступления местных препаратов в дерматологическую практику в XXI веке.
Коллоидные дисперсии состоят из частиц или капель в субмикронном диапазоне в водной суспензии или эмульсии, соответственно. Небольшой размер внутренней фазы придает такой системе уникальные свойства и открывает возможности их применения. Частицы слишком малы для седиментации, они находятся во взвешенном состоянии благодаря броуновскому движению молекул воды. Они имеют большую общую площадь поверхности, и их дисперсность обеспечивает высокое содержание твердой и жидкой фазы при низкой вязкости.
Составные компоненты наночастиц для биомедицинского применения должны быть физиологически совместимыми (биосовместимыми), они должны быть биоразлагаемыми (распадаться в физиологической среде) до физиологически безвредных компонентов или иметь способность к выделению через почки и желчь.
Наночастицы – носители как для традиционных лекарств, так и для белков, ферментов, вакцин или антигенов. В зависимости от процесса производства, наночастицы могут быть получены в виде наносферы или нанокапсулы. Такие транспортные системы были разработаны и испытаны для введения при условии местного нанесения на кожу и слизистые оболочки.
Нанокосметика представляет собой наноэмульсию или наножидкость — это жидкость, содержащая частицы и агломераты частиц с характерным размером от 1 до 100 нм. Вследствие малых размеров включений такие системы обладают особыми физикохимическими свойствами. На долю поверхности в них приходится до 50 % всего вещества. Нанокосметика и представляет собой транспортную систему для введения БАВ при местном нанесению на кожу и слизистые оболочки.
И теперь возникает главный вопрос: где найти такое оборудование, способное произвести продукты наномасштаба, т. е. способное создать эффективное транспортное средство для биологически активных веществ в решении проблем регенерации и преждевременного старения кожи.
Рис. 5 Наноэмульсионная установка Нэоформ 800ЛП
|
|
|
Рис. 6 Встроенные ёмкости объёмом |
|
|
|
Образец №1 и Образец №2 Рис. 7 Исследование кремовой эмульсии, |
Компания ООО «КоролёвФармТех» начала серийный выпуск двух видов инновационного оборудования, предназначенного для производства нанокосметики (наноэмульсий и нанокрема):
• Наноэмульсионная установка НЭО Форм 800 ЛП (лабораторно- промышленная)
• Промышленная Наноэмульсионная установка Нэоформ 2000П
Наноэмульсионная установка Нэоформ 800ЛП позволяет производить как лабораторные или мелкосерийные партии объёмом от 5 до 40 кг (Рис. 6), так и промышленные партии до 800 л/час при использовании внешних ёмкостей.
Установка может быть использована для выпуска косметических кремов и других эмульсий с высокой производительностью и высокой степенью перемешивания (гомогенизации). Благодаря уникальной системе смесительного узла, при производстве получаются эмульсии с размером частиц менее 100 нм., что подтверждено многими исследованиями. Результаты микроструктурного исследования образцов произведенных косметических эмульсий приведены на рис.7, 8, 9. Исследование криопрепаратов проводились ООО «Системы для микроскопии и анализа» с помощью просвечивающего электронного микроскопа Tecnai G2 12 производства компании FEI.
Выводы о проведении микроструктурных исследований, указанные в отчёте специалистами ООО «Системы для микроскопии и анализа», мы публикуем без изменений.
«В образце №2 наблюдается большая плотность наночастиц по сравнению с образцом №1.
Основная масса частиц имеет размеры 7-10 нм, но есть и более крупные, размером более 20 нм.
Есть частицы неправильной формы, однако преобладают частицы округлой формы.
Наличие основной фракции частиц размером ~ 10 нм позволяет классифицировать материал образцов предоставленных косметических эмульсий как наноэмульсии».
В таблице №1 даны сравнительные характеристики типовых классических гомогенизаторов, применяемых на фармацевтических, косметических и пищевых производствах и. промышленной Наноэмульсионной установки Нэоформ 2000П.
Рис. 8. Показатели кремовой эмульсии. Образец №1. Измерение размеров частиц проводилось с помощью метрологически сертифицированного программного комплекса обработки изображений ImageScope производства ООО «Системы для микроскопии и анализа».
Рис. 9. Показатели кремовой эмульсии. Образец №2. Измерение размеров частиц проводилось с помощью метрологически сертифицированного программного комплекса обработки изображений ImageScope производства ООО «Системы для микроскопии и анализа».
Одним из самых важных отличий является то, что на классическом оборудовании невозможно произвести малые и большие партии, а на оборудовании производства ООО «КоролёвФармТех» такая возможность существует, что очень важно при разработке препарата. Процедура разработки подразумевает сначала изготовление малых партий в условии лаборатории с дальнейшим масштабированием производства препарата на промышленном оборудовании. Очень часто это приводит к значительным потерям сырья и времени, так как не всегда удаётся воспроизвести продукт, изготовленный в условиях лаборатории, на промышленном оборудовании. Зачастую лабораторное оборудование не просто отличается от промышленного – оно просто другое.
При работе лабораторно промышленной установки Наноэмульсионная установка НЭО Форм 800 ЛП это одно и то же оборудование, один и тот же технологический процесс. Для увеличения или масштабирования процесса (варки) необходимо просто увеличить весовые соотношения компонентов рецептуры. В таком случае разработчик имеет ДВЕ единицы оборудования в ОДНОМ.
Таблица №1 Сравнительные характеристики классических лабораторного и промышленного гомогенизаторов и НаноЭмульсионная Установка НЭО Форм 800 ЛП
Данное оборудование имеет ряд отличительных характеристик. Применяемая технология позволяет получить готовую эмульсию из двухфазного потока, экономя временные и энергетические затраты.
В отличие от классической технологии, нагрев осуществляется только части продукта, что приводит к значительному сокращению времени нагрева, расхода теплоносителя и энергетических ресурсов. Готовый полупродукт на выходе имеет достаточно низкую температуру, что позволяет сэкономить время на охлаждение, расход холодной воды, которая используется для охлаждения.
Полученный полупродукт обладает лучшими потребительскими свойствами по сравнению с классической эмульсией. Эмульсия, полученная на установке, разработанной в ООО «КоролёвФармТех», имеет равномерное распределение частиц по всему объему, что обеспечивает более равномерное распределение активных веществ в продукте. Размер частиц эмульсии способствует более быстрому впитыванию косметического продукта, а также улучшению реологических свойств. Наноразмерность эмульсии увеличивает проницаемость для доставки активных веществ, что также улучшает потребительские свойства продукта.
По заказу французской компании «Crema» ООО «КоролёвФармТех» запущена в серийное производство промышленная Наноэмульсионная установка Нэоформ 2000П с производительностью 2000 литров в час. На базе производства компании ООО «КоролёвФарм» на промышленной эмульсионной установке Эмульформ 2000 осуществляется разработка технологии производства нанокосметики (более 20 наименований).
В таблице №2 даны сравнительные характеристики типичного классического реактора с гомогенизатором и Наноэмульсионной установки Нэоформ 2000П. Практически это такая же лабораторно-промышленная установка, но с увеличенным объёмом производства (минимальным объёмом производства 50 кг (л), вместо 5 кг (л)).
 |
 |
 |
| А) Смесительный узел. | Б) Дозирующий узел. | В) Общий вид. |
| Рис. 10 Проект расположения Наноэмульсионной установки Нэоформ 2000П | ||
Качественные характеристики эмульсии Размер частиц эмульсии 500 нм – 1 мкм Размер частиц эмульсии до 100 нм
Тип установки Циклическая загрузка Непрерывный ин-лайн
Производительность 2000 литров в час 2000 литров за час
Управление: С пульта оператора Автоматическое компьютерное
Смесительный узел 25 - 30 кВт 11 кВт
Дозирование (загрузка) Циклическая загрузка 4 линии (1 водная, 2 жировая , 3 и 4 для ввода различных добавок и БАВ). Режим работы in line
Общая потребляемая мощность 80 кВт 24 кВт. Производительность для лабораторных целей Не представляется возможным 50 кг (л).
Установка Эмульформ 2000 реализует непрерывный ин-лайн метод приготовления эмульсионных форм различного назначения. Все материалы, из которых изготовлены узлы, агрегаты, трубопроводы и рама, разрешены к применению в фармацевтической, косметической и пищевой отраслях. Исполнение всех элементов позволяет легко и быстро производить очистку. Трубопроводы для жировой фазы имеют «рубашку» для поддержания текучести воскоподобных фракций.Минимальный объём производства 500 кг (л) 50 кг (л)
Производительность в серийном производстве 2000 кг (л) за 1 час 2000 кг (л) за 1 час
Узлы и агрегаты установки, трубопроводы смонтированы на пространственной раме. Датчики и другие элементы КИПиА, смонтированные на быстросъемных трубопроводах, подключаются к раме посредством разъемов.
Смесительный узел конструктивно изготовлен из нержавеющей стали. Внутренние каналы отполированы, не имеют застойных зон и промываются при подаче воды в мельницу.
Система дозирования компонентов состоит из четырех линий: 1 водная, 2 жировая , 3 и 4 для ввода различных добавок и БАВ. Режим работы in line. Эта система позволяет дозировать какой-либо компонент в смесительный узел или в поток, выходящий из смесительного узла, в реальном времени.
Все дозирующие линии имеют замкнутый контур, имеющий производственный и циркуляционный режим, что позволяет упростить тестирование и обеспечить максимальную подготовку к производству, сведя возможность возникновения внештатной ситуации при старте, а следовательно и брак продукции, практически к нулю.
Эмульсионная установка в данной комплектации оснащена полностью автоматическим компьютерным управлением для:
 |
 |
| А) Общий вид | Б) Смесительный узел |
| Рис. 11 Наноэмульсионная установка Нэоформ 2000П на стендовых испытаниях. |
|
1. максимального уменьшения влияния «человеческого фактора» на производственный процесс как в плане контроля его параметров, так и в плане реакции на возникающие аварийные и предаварийные ситуации;
2. реализации учета расхода материалов, основанного на реальных измерениях расходомерами в каждый момент времени;
3. диагностики состояния оборудования, в том числе во время выпуска продукции, что позволяет заранее предсказать возможность возникновения аварийной ситуации или брака продукции.
Работа с использованием полностью автоматического компьютерного управления подразумевает:
1) выбор вида эмульсии и ее рецептуры (соответствующего файла), содержащей задачи по расходу и температуре всех ингредиентов, сигнальные уровни отклонений и т.п.;
2) указание количества этой эмульсии, подлежащей выпуску;
3) запуск производства нажатием на одну кнопку «АВТОСТАРТ».
При этом система сама:
1) убеждается в соответствии температурных режимов и расходов заданным (то есть в отсутствии препятствий к запуску);
2) выполняет необходимую последовательность действий при старте;
3) убеждается в соответствии параметров процесса к требуемым;
4) осуществляет мониторинг рецептурных параметров процесса в течение всего производства;
5) считает накопительный реальный расход компонентов, количество выпущенной эмульсии, время работы оборудования и оставшееся время до окончания цикла.
6) При достижении заданного количества выпущенной продукции выполняет остановку производства в необходимой последовательности операций. Также система выполняет остановку производства в случае возникновения какой-либо внештатной ситуации, тем самым предотвращая аварию.
Вся информация о производимых действиях, возникновении и устранении различных ситуаций и т.п. сохраняется в подробных файлах-отчетах. Имеется возможность создавать архивы на цифровых носителях информации, содержащие подробную информацию о работе установки в течение всего периода эксплуатации.
У оператора имеется возможность управления оборудованием
• в автоматическом режиме с использованием компьютера,
• в автоматическом режиме без использования компьютера,
• в ручном режиме,
• в различных сочетаниях этих трех типов управления, что делает общую систему управления крайне устойчивой к неполадкам и отклонениям в работе электроники.
Для компании, занятой в сфере производства эмульсий в: косметической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, появляются целый ряд преимуществ.
1. Применение нанотехнологии, создание наносистем (нанокосметики или нанолекарств) с прогнозируемым и подтверждённым размером наносфер до 100 нм.
2. Экономия энергоресурсов за счёт снижения потребления электроэнергии на 60%, так как нет необходимости нагревать водную фазу до высоких температур плавления восковых фракций.
3. Снижение себестоимости за счёт уменьшения процента ввода ПАВ и др. эмульгаторов в рецептуре.
4. Сокращение на 80% временных затрат на приготовление продукта.
5. Экономия водных ресурсов за счёт сокращение на 90% потребления подготовленной воды для вспомогательных операций нагрева и охлаждения.
6. Автоматизация и компьютеризация линии варки
7. Двухтемпературный метод получения эмульсий. Процессы смешения и производства эмульсии происходят при кратковременном температурном воздействии до 42О С.
8. Обеспечение снижения раздражающего действия за счёт снижения ПАВ, эмульгаторов и консервантов.
9. Производство гипоаллергенной, биодоступной и биосовместимо продукции
10. Экономию стоимости при выборе оборудования за счет универсальности установки; одна установка применяется для лабораторных и промышленных партий.
11. За счет малых габаритов экономию пространства производственных площадей.
12. Преимущества в производительности
13. Маркетинговые преимущества в позиционировании продукта перед конкурентами при применении нанотехнологии
14. Мобильность. Все элементы установлены в компактном моноблоке.
15. Масштабируемость. Лабораторные и промышленные партии можно производить на одной установке. 100% масштабируемость.
16. Получение эмульсии в непрерывном режиме «ин-лайн».
17. Возможность дистанционного управления промышленной установкой.
Двухтемпературная и многолинейная технология позволяет прогнозировать и задавать структуру наноэмульсии с уникальными сенсорными свойствами и вводить ингредиенты в субмикронном или нано-, размере в зависимости от их функционального назначения.
Оперирование объектами нанометрового масштаба началось достаточно давно, их систематическое изучение современной физикой продолжается уже более 30 лет. В 1995 году нанотехнологии получают практически официальное признание и начинают бурное развитие в фармакологии и косметологии в промышленных масштабах.
Мировой бюджет наноиндустрии только в области фармакологии и косметологии ещё в 2006 году оценивался в 290 млрд. долларов США и каждый год рынок демонстрирует системно устойчивый рост, ежегодно его размер увеличивается на 4-5%.
Не стоит игнорировать столь перспективный рынок и не нужно упускать возможность производства нанокосметики под Собственной Торговой Маркой это уже реальности сегодняшнего дня.
Список литературы.
Лампрехт Алф Нанолекарства. Концепция доставки лекарств в нанонауке /Коллектив авторов/ Пер. с англ. О. В. Таратина, науч. ред. Н. Л. Клячко М.:Научный мир, 2010. - - 232с.: (Фундаментальные основы нанотехнологий: исследования и разработки).
НаноБиотехнологии: практикум/ под ред. А. Б. Рубина М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.- 384с.: ил., (8+8)с.
Андреенко Г. В., Современные данные о химии и физиологии фибриногена, "Успехи современной биологии", 1974, т. 77, в. 1
Фаллер Д. М., Шилде Д. Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер с англ. М.:БИНОМ-Пресс, 2003. – 272 с.: ил.
Отчёты Микроструктурное исследование образцов косметических эмульсий ООО «Системы для микроскопии и анализа» от 6.11.2013г, 27.12.2013г.
