XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование полиэлектролитов для адресной доставки лекарств
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальным направлением современной биомедицины является разработка новых лекарственных форм и систем направленной доставки лекарственных веществ и биоактивных соединений путем иммобилизации лекарственных средств.
Лекарственные формы иммобилизированные - лекарственные формы, в которых лекарственное вещество физически или химически связано с твердым носителем - матрицей с целью стабилизации и пролонгирования действия лекарства. Иммобилизация лекарственного вещества на синтетических и природных матрицах позволяет уменьшить дозы и частоту введения лекарственного препарата, защищает ткани от его раздражающего воздействия.
Большое внимание в этой области проявляется к полиэлектролитным комплексам, которые могут выполнять функции полимерных носителей, обеспечивая адресную доставку, контролируемое высвобождение и пролонгированное действие лекарственных препаратов. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к полимерным носителям, является их биосовместимость и возможность биоразложению. Этим требованиям в полной мере отвечают природные полисахариды, в частности, производные альгиновой кислоты и хитозан.
В связи с вышеизложенным, целью моей работы являлось получение сферогелей альгината кальция с хитозановым покрытием, для иммобилизации лекарственного средства цефотаксима.
Для достижения поставленной цели в процессе исследований решались следующие задачи:
–установление характера влияния концентрации полиэлектролитов и соотношения их концентраций в смеси на формирование полиэлектролитных комплексов в разбавленных водных растворах;
–подбор условий для формирования сферогелей альгината натрия с иммобилизованным антибиотиком цефотаксимом покрытых слоем хитозана;
– установление характера влияния хитозана на формирование сферогелей.
Эксперимент выполнялся мной на базе кафедры физической и коллоидной химии КНИТУ (КХТИ) гКазани.
1.Обзор литературы
Актуальным направлением современной фармакологии является разработка новых лекарственных форм, обеспечивающих определенные оптимальных условия для высвобождения и всасывания лекарства в организме.
Исследования последних лет показали перспективность применения для биомедицинских целей полиэлектролитныхкомплексов, которые могут выполнять функции полимерных носителей, обеспечивая адресную доставку, защиту, контролируемое высвобождение и пролонгированное действие лекарственных и биологически активных соединений.
1.1 Закономерности формирования ПЭ комплексов
Полиэлектролит — полимер, в состав молекул которого входят группы, способные к ионизации в растворе. К полиэлектролитам относятся важнейшие биологические полимеры (биополимеры) — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.
Образование полиэлектролитных комплексов происходит при электростатическом взаимодействии разноименно заряженных полиэлектролитов (поликатионы и полианионы), что обеспечивает их самосборку в водных растворах. Самосборка характеризуется как «спонтанная межмолекулярная ассоциация через нековалентные связи (электростатические, водородные, донорно-акцепторные, гидрофобные взаимодействия), в результате чего происходит образование устойчивых супрамолекулярных структур размером от 10 нм до 10 мкм» [1].
Один из способов получения полиэлектролитного комплекса является смешивание двух водных раствора, один из которых содержит полианионный компонент, а другой – поликатионный.
Особый интерес представляют ПЭК, сформированные из полимерных противоионов на основе производных полисахаридов (хитин, альгиновая кислота, целлюлоза), обладающих способностью образовывать прочные соединения, пригодные для создания на их основе капсул или гелей для лекарственных форм [2]. Данные полиэлектролиты имеют следующие ионогенные группы: альгинат натрия – соль альгиновой кислоты, содержащая отрицательно заряженную карбоксильную группу, хитозан – слабое полиоснование, содержащее первичные, вторичные и третичные аминогруппы.
1.2 Полимеры для образования ПЭ комплексов
1.2.1 Альгинат натрия
Альгинат натрия – производная альгиновой кислоты, полисахарид, который образует в воде коллоидные растворы. Альгиновая кислота представляет собой вязкое вещество, которое извлекается из красных, бурых и некоторых зелёных водорослей (в том числе из водорослей родов Laminaria и Agarum).
Альгиновая кислота – это гетерополимер, Химическая структура альгината натрия представлена на рис. 1.2:
Рисунок 1 – Химическая структура альгиновой кислоты
Альгинаты в организме человека не перевариваются и выводятся через кишечник. Попадая в желудок, они распадаются до альгиновой кислоты и практически полностью выводятся естественным путем. Не ядовиты, используются в качестве пищевых добавок.
При смешивании водных растворов альгината натрия с растворами, которые содержат ионы кальция (например, хлорид кальция), происходит образование трудно растворимых гелей альгината кальция. Это свойство альгинатов используется при создании искусственных клеток и микрокапсул, сферогелей, оболочек для лекарственных средств, создания некоторых пищевых продуктов (например, искусственная красная икра на основе альгинатов).
Альгиновая кислота, и ее соли обладают способностью останавливать кровотечения, что полезно при лечении язвенных желудочно- кишечных заболеваний. Помимо этого, соли альгиновой кислоты при приеме внутрь снижают агрессивную повышенную кислотность желудочного сока. Гель на основе альгината натрия влияет на уменьшение площади раны, уменьшает сроки заживления ран. Альгинаты применяют и при адресной доставке лекарственных средств при различных введениях в организм человека.
1.2.2 Хитозан
Хитозан – это простейшая модификация хитина, аминополисахарид 2-амино-2-дезокси-β-D-глюкан.
Химическая структура хитозана изображена на рис. 1.5:
R = COCH3 и R = H
Рисунок 2. Химическая структура хитозана
Из всех областей применения хитозана на первом месте стоит здравоохранение [3]. Это связано, в частности, с его высокой биологической активностью и нетоксичностью. Наиболее важным является применение этого полимера в качестве носителя лекарственных средств [4].
Хитозан обладает кровоостанавливающими, бактерицидными, фунгицидными, противоопухолевыми, антихолестериновыми и иммуномодулирующими свойствами, также он оказывает успокаивающее действие на центральную нервную систему; обладают ранозаживляющим свойством. Также хитозан может быть использован для доставки генов. В пищевой промышленности хитозан применяется в качестве загустителя, консерватор, биоактивной добавки. Покрытые хитозаном фрукты и овощи будут дольше хранится. В косметической промышленности хитозан используется в качестве антистатика и кондиционера в производстве шампуней.
Взаимодействие хитозана с полианионами (например, пектином, альгинат натрия) приводит к образованию полиэлектролитных комплексов.
1.3 Получение сферогелей
Полимерный гель – это сетка из полимерных цепей, которая может быть получена химическим или физическим способом. Поскольку сетка геля пространственно устойчива за счет прочных связей между молекулами под действием теплового движения, гель не разрушается.
По своей структуре сферогели представляют собой капсулы, характеризующиеся наличием одно- или многофазного гелеобразного внутреннего содержимого капсул и покрытые снаружи эластичной гелеобразной оболочкой, т.е. имеющие структуру «гель в геле».
1.4 Иммобилизация лекарственных средств в полимерные гели
Преимущества использования иммобилизованных лекарственных средств: повышение стабильности лекарственных средств благодаря полимерному носителю, возможность заключать лекарственные средства в формы в виде мембран, капсул, зерен, гелей и т.п. [5], а также контролировать высвобождение лекарственного вещества, используя для этого различные формы носителей лекарственных средств.
По типу лекарственного средства и необходимости видеть определенное конечное состояние иммобилизованного лекарства определяется выбор способа для иммобилизации. На рис. 1.11 приведены примеры носителей для лекарственных препаратов:
Рисунок 3. Носители лекарственных веществ
2. Экспериментальная часть
2.1 Объекты исследования
Объектами исследования являлись природные полисахариды хитозан (ХТЗ) с молекулярной массой M = 3.8 × 104, степенью деацетилирования 80% (ЗАО «Биопрогресс», г. Щелково), альгинат натрия (Alg-Na) с молекулярной массой М = 1.08 × 105 («Molecularmeal»). В качестве модельного лекарственного средства использовали натриевую соль цефотаксима (β-лактамный антибиотик III поколения) (АО «Фармасинтез»).
Для приготовления растворов использовали бидистиллированную воду. Чистоту воды контролировали по величине удельной электропроводимости, равной 3 мкСм/см.
2.2 Получение полиэлектролитных комплексов
Синтез полиэлектролитных комплексов проводили путем смешивания эквимолярных растворов ХТЗ с концентрацией 0.01 осн-моль/л в 0.1 М растворе HCl с водным раствором альгината натрия с концентрацией 0.01 осн-моль/л в различных объемных соотношениях VAlg-Na/VХТЗ. Полученные смеси интенсивно перемешивали на магнитной мешалке 1 ч и выдерживали в течение суток при комнатной температуре. Состав смесей полиэлектролитов выражали в виде отношения мольных концентраций альгината натрия и хитозана Z = сAlg-Na/сХТЗ. Состав смесей изменяли в интервале Z от 0 до 5.
2.3 Получение сферогелей хитозана методом ковалентной поперечной сшивки
Для получения сферогелей альгината кальция, модифицированных хитозаном, 2%-ный водный раствор альгината натрия, содержащий цефотаксим, добавляли капельно с помощью шприцевого насоса со скоростью 0,2 мл/минв раствор хлорида кальция с концентрацией 0,1 моль/л, содержащий 2% хитозана. Получение сферогелей с хитозановым покрытием проводили в слабокислой среде, когда функциональные группы хорошо диссоциированы.
2.4 Методы исследования
2.4.1 Вискозиметрия
Измерение вязкости разбавленных растворов полимеров проводили на капиллярном визкозиметре Убеллоде ВПЖ-1 с диаметром капилляра 0,54 мм Погрешность измерения вязкости составляла 0,2%.
Метод заключается в измерении времени истечения раствора полимера τ через капилляр, которое сравнивается с соответствующим временем τ0для растворителя.
2.4.2 ИК-спектроскопия
Образование комплексов хитозана с альгинатом натрия подтверждали методом ИК-спектроскопии. ИК-спектры получали на Фурье-спектрометре ALPHA-Т S/N 102706 («Bruker») (США) со спектральным диапазоном 400-4000 см–1, разрешением 4 см–1. Комплексы выделяли из растворов, высушивали и измельчали до тонких порошков массой 0,5-1 г. Порошки перемешивали с KBr массой 100 мг и спрессовывали в тонкую пластину.
2.4.3 Динамическое светорассеяние
Размер и электрокинетический потенциал полиэлектролитов и комплексов на их основе определяли методом динамического светорассеяния на анализаторе размера частиц и дзета-потенциала серии «Zetasizer Nano ZS» («Malvern Instruments Ltd», Великобритания) с применением технологии M3-PALS. Анализатор оснащен He-Ne лазером мощностью 4 мВт с длиной волны 633 нм. Угол светорассеяния составлял 173°. Графическую интерпретацию результатов измерения получали с помощью программного обеспечения «DTS Application Software» компании Malvern Instruments для работы под управлением операционной системы Windows. Перед выполнением измерений образцы фильтровали через фильтры Millipore с мембраной Durapore PVDF и диаметром пор 0,45 мкм.
3. Обсуждение результатов
3.1 Комплексообразование альгината натрия с хитозаном в водных растворах
Полиэлектролитные комплексы образуются в результате взаимодействия полиэлектролитов, имеющих противоположные заряды (анионов и катионов). Высокая стабильность таких комплексов достигается за счет межмолекулярных связей, возникающих между полимерами (электростатические и ван-дер-ваальсовые взаимодействия).
Объектами исследования были хитозан (полиоснование, содержащее аминогруппы) и Alg-Na (соль поликислоты, содержащая карбоксильные группы).
Исследуя вязкость Alg-Na и ХТЗ можно подтвердить их полиэлектролитную природу. На рис. 4.1 показана зависимость приведенной вязкости растворов альгината и хитозана от их концентрации (ηуд/с). Вязкость зависит от природы полимера. На рисунке видно, что для обоих полимеров наблюдается «эффект полиэлектролитного набухания»: чем меньше концентрация (с) полимера в растворе, тем больше его вязкость.
(а) (б)
Рисунок 4. Зависимости приведенной вязкость (ηуд /с) водных растворов Alg-Na (а) и ХТЗ (б) от их концентрации
Методом ИК-спектроскопии подтверждали образование комплекса из двух веществ (рис. 4.3). На спектре заметны изменения в области полос поглощения функциональных групп двух полимеров, что говорит об их взаимодействии. При 1609 см–1 отмечается пик карбоксильной группы (-СОО–)альгината натрия и исчезновение пика при 1518 см–1 (амидные группы (NH3+)) хитозана. Появление полосы при 1086 см–1 относится к взаимодействиям между СОО– и NH3+-группами, что так же указывает на образование комплекса из двух веществ.
Рисунок 5. ИК-спектр комплекса Alg–ХТЗ
Изменение электрокинетического (дзета) потенциала комплекса Alg–ХТЗ был определен методом динамического светорассеяния от соотношения концентраций двух полимеров (Z) в водном растворе (рис. 4.2). Как видно из рисунка, ζ(дзета)-потенциал молекул хитозана положительный благодаря зарядам аминогрупп. Добавление Alg-Na к раствору хитозана снижает дзета-потенциал. При Z = сAlg-Na/сХТЗ = 1 отмечается нейтрализация положительно заряженного хитозана отрицательным альгинатом. С увеличением концентрации альгината в смеси происходит перезарядка комплекса (уход в отрицательные значения). При комплексообразовании происходит увеличение размера формирующихся частиц от 487 до 3244 нм
Рисунок 6. Зависимость ζ-потенциала ПЭК Alg–ХТЗ от соотношения концентраций полимеров в смеси Z
3.2 Получение сферогелей альгината натрия содержащих цефотаксим
В присутствии ионов кальция альгинат натрия способен образовывать гель. Пространственная сетка геля формируется после замещения натрия кальцием, за счет взаимодействия двухвалентных ионов кальция с карбоксильными группами альгината. Также такая система устойчива за счет координационных связей между ионами кальция и гидроксильными группами остатков гулуроновой кислоты, содержащейся в самом альгинате, образуя ячеистую структуру (рис. 4.7):
Рисунок 7. Механизм гелеобразования альгината с ионами кальция
Для получения сферогелей альгината натрия 2%-ный водный раствор альгината натрия, содержащий цефотаксим, добавляли по каплям с помощью шприцевого насоса в формирующий раствор хлорида кальция с концентрацией 0,1 моль/л. Температура растворения альгината натрия: 40 °C. Время растворения: 1,5 часа. Предварительное исследование влияния концентрации CaCl2 (донора ионов кальция) на формирование сферогелей показало, что при меньших его концентрациях (0,01, 0,05 моль/л) поверхность частиц альгината кальция получалась с рыхлой структурой и незначительной прочностью.
Заключение
1.Установлено, что для хитозана и альгината натрия наблюдается возрастание приведенной вязкости с уменьшением их концентрации в растворе, что подтверждает их полиэлектролитную природу.
2.Методами динамического светорассеяния и ИК-спектроскопии изучены закономерности комплексоообразования двух полимеров, обусловленного электростатическим взаимодействием их противоположно заряженных групп.
3.Показано, что в водных растворах смеси альгината натрия и хитозана с исходными концентрациями 0,01 моль/л образуется нерастворимый в воде полиэлектролитный комплекс в виде геля белого цвета. Комплексообразование сопровождается снижением дзета-потенциала и увеличением размера частиц.
4.Полученные гелевые частицы альгината натрия, защищенные хитозаном, возможно использовать для создания новых лекарственных форм цефотаксима длительного действия.
Использованная литература
1. Каширина Е.И. Капсулирование аллергенов клещей домашней пыли в наночастицы на основе хитозана и альгината / Е.И. Каширина, П.Д. Решетов, Л.Г. Алексеева [и др.] // Российские нанотехнологии. – 2015. – Т. 10. – № 7-8. – С. 94-100.
2. Бузлама А.В. Оценка совместимости компонентов геля на основе хитозана, содержащего таурин и декспантенол, методом ИК-спектроскопии / А.В. Бузлама, С.Х. Доба, М. Харун, М.А. Альмардини // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. – 2020. – № 4. – С. 64-69.
3. Баклагина Ю.Г. Изучение полиэлектролитных комплексов хитозана и сульфоэтилцеллюлозы / Ю.Г. Баклагина, С.В. Кононова, В.А. Петрова [и др.] // Кристаллография. – 2013. – Т. 58. – № 2. – С. 268.
4.Горшкова М.Ю. Полиэлектролитные комплексы полисахаридов: получение и свойства / М.Ю. Горшкова, И.Ф. Волкова, Э.С. Григорян // Известия уфимского научного центра РАН – 2018. – № 3. – C. 54-59.
5. Направленный транспорт лекарственных средств: от идеи до внедрения: учебно-методическое пособие / И.И. Кулакова [и др.]; ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России. – Рязань: ОТС и ОП, 2018. –104 с