XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КАПСУЛИРОВАНИЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Золотар А.К. 1

---

1МАОУ гимназия 4 города Тюмени

Бульдяева О.А. 1

---

1МАОУ гимназия 4 города Тюмени

Работа в формате PDF

589.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Цель – создание желудочно-резистентных капсул (кишечнорастворимых) с перспективой использования в транспортировке лекарственных форм в современной фармацевтике.

Задачи:

1. провести анализ доступной научной литературы по изучаемой теме

2. провести ряд экспериментов по созданию капсул с последующим тестированием их растворения в имитационной среде «кишечник», «желудок»

3. описать полученные результаты

Объект исследования – капсулы с использованием полимеров альгината натрия, желатина.

Предмет исследования – процесс растворения капсул в разных средах (кислой, щелочной).

Научная гипотеза – кислотность среды влияет на процесс и скорость растворения капсул с лекарственными препаратами. Это может сказываться на всасывании лекарственных средств в определенном отделе ЖКТ человека в зависимости от pH среды.

В ходе проведения исследования были получены капсулы из альгината натрия. Такие капсулы способны растворяться в кислой среде. Поэтому могут транспортировать лекарства только до желудка. Капсулы, состоящие из альгината натрия и желатина, проявили себя резистентными к кислой среде. Скорость растворения составила до 6 часов, что соответствует скорости нахождения их в кишечнике. Поэтому в современной фармацевтике могут являться потенциальными контейнерами и доставлять лекарства по всему ЖКТ.

Введение

Невозможно установить, когда человек впервые заметил, что определенные вещества в определенном состоянии и дозировке способны влиять на организм и помогать ему побеждать недуги. Именно тот день можно считать моментом зарождения науки о лекарствах или фармакологии. Такие «фармакологи» существовали практически во всех крупных цивилизациях, правда, далеко не всей деятельности пользовались методами, присущими современной науке. Знания получали также опытным путем или передавали из поколения в поколение. Однако, вместе со знаниями зачастую из века в век передавались заблуждения, причинявшие вред больным. Начиная с нового времени, достижения в медицине и химии позволили перевести производство лекарств на научную основу, положив начало целому комплексу практических наук, таких ка фармация и, значительно позже, фармацевтика. Отличие двух отраслей заключается в следующем: фармация изучает традиционные процессы производства лекарственных средств, основанные на ручном труде, а фармацевтика посвящена промышленному изготовлению.

В ХХI веке, когда, казалось бы, доступно практически любое знание, способы производства лекарств продолжают оставаться известными лишь узкому кругу лиц. И дело не в заговоре, хотя высокая прибыльность лекарственного бизнеса заставляет многих фармакологов и фармацевтов не выпускать секреты за стены лабораторий и заводов. Производство современных лекарственных средств развивается так быстро и зашло настолько далеко, что непосвященным зачастую невозможно объяснить, как получен тот или иной результат. Однако есть области современной фармацевтики, которые должны быть понятны любому образованному человеку [1].

Актуальность

В фармацевтической промышленности большое внимание уделяется доставке лекарственных средств. Как стрела лекарство должно найти и поразить свою цель. Но тело человека устроено непросто, и зачастую лекарство проходит большое количество преград. Такой преградой может выступать среда желудка, обладающая очень высокой кислотностью (pH). Так, например, одно из лекарственных средств – протеазы (ферменты, используемые для нормализации пищеварения) – не способно выдерживать низкие значения pH и не могло бы добраться до желудка, не имея защитной оболочки, которая позволяет сохранить фермент от разрушения. В поисках оптимальной оболочки для лекарств фармацевты проводят сотни экспериментов. Этот актуальный вопрос в сфере фармацевтики мы решили исследовать в нашей работе.

Цель – создание желудочно-резистентных капсул (кишечнорастворимых) с перспективой использования в транспортировке лекарственных форм в современной фармацевтике.

Задачи:

1. провести анализ доступной научной литературы по изучаемой теме

2. провести ряд экспериментов по созданию капсул с последующим тестированием их растворения в имитационной среде «кишечник», «желудок»

3. описать полученные результаты

Объект исследования – капсулы с использованием полимеров альгината натрия, желатина.

Предмет исследования – процесс растворения капсул в разных средах (кислой, щелочной).

Научная гипотеза – кислотность среды влияет на процесс и скорость растворения капсул с лекарственными препаратами. Это может сказываться на всасывании лекарственных средств в определенном отделе ЖКТ человека в зависимости от pH среды.

При выполнении данной работы были использованы труды Солодовника В.Д. и Степанова Е.Ф [2].

В ходе проведения исследования были использованы следующие научные методы:

1. Анализ.

2. Эксперимент.

3. Наблюдение.

4. Обобщение

Основная часть

1. Теоретическая часть

1. 1. Капсулы и процесс капсулирования

Капсулирование - это процесс заключения мелких частиц вещества в тонкую оболочку пленкообразующего материала. В результате данного процесса получают продукт в виде отдельных капсул размером от миллиметра до сотен микрон. Капсулируемое вещество, так называемое содержимое микрокапсул, образует ядро микрокапсул, а капсулирующий материал составляет материал оболочек (прил.1). Оболочки выполняют функцию разобщения частиц одного или нескольких веществ друг от друга и от внешней среды до момента использования.

Капсулируемое вещество является основным компонентом микрокапсул, которое может находиться в любом агрегатном состоянии – жидком, твердом или газообразном. Содержание капсулируемого вещества в микрокапсулах обычно составляет 50-90%, но может доходить и до 95-98% от массы капсул. В зависимости от условий получения, соотношения количеств материала оболочек и капсулируемого вещества данная величина может колебаться. Капсула – дозированная лекарственная форма, состоящая из твердой или мягкой желатиновой оболочки, содержащей инкапсулят - одно или несколько активных действующих веществ, с добавлением или без вспомогательных веществ. Капсулы могут содержать не только лекарственные формы. Все зависит от области применения. Большую популярность получило использование капсул в молекулярной кухне, например получение блюд с непривычным вкусом на первый взгляд (шоколадная, клубничная икра).

Таким образом, Капсула представляет собой миниатюрный контейнер, который защищает содержимое от испарения, окисления и разрушения до его высвобождения.

Среди капсул различают: твердые, мягкие, микрокапсулы, желудочно-резистентные капсулы (кишечно-растворимые).

1. 2. Полимеры, используемые в процессе капсулирования

Для получения медицинских пленок используются самые различные полимеры, такие как альгинат натрия, желатин, поливиниловый спирт (ПВС), N-поливинилпирролидона (N-ПВП), сукцинат хитозана.

Альгинат натрия (NaC₆H₇O₆) – полисахарид природного происхождения по своему химическому строению является солью альгиновой кислоты. Альгинат натрия представляет собой волокнистый мелкодисперсный порошок белого цвета, медленно растворим в воде, не растворим в спирте, водно-спиртовых растворах, органических растворителях. Альгинат натрия широко применяют в пищевой и фармацевтической промышленности (пищевая добавка Е401). Он обладает свойством стабилизатора, поэтому его применяют в производстве эмульсий, кремов и различных лосьонов в косметологии, а также в производстве некоторых мазей и помад. Применение альгината натрия основано на его способности образовывать гели, желеобразные вещества и применяется в качестве основы медицинских пленок. Лечебные свойства альгиновой кислоты стали известны более 35 лет назад. В поисках безопасного и эффективного соединения, способного связывать и выводить из организма соли тяжелых металлов, были исследованы водоросли. Исследования, проводимые более чем в 10 странах, показали, что наибольшей эффективностью в выведении солей тяжелых металлов обладают альгинаты – соли альгиновой кислоты, единственным источником которых являются бурые водоросли – ламинарии и фукусы. Морские водоросли обладают большим количеством биологически активных веществ: микроэлементов, витаминов, альгиновой кислоты и ее солей (альгинатов). Широкое использование альгинатов связано с такими свойствами, как вязкость, способность к набуханию и гелеобразованию. Особенно следует отметить благоприятные действия альгината натрия на функцию желудочно-кишечного тракта: альгиновая кислота имеет свойство набухать, оказывает нежное обволакивающее действие на стенки желудка, способствуя в то же время значительному ослаблению болевых эффектов. Соединение альгиновой кислоты с натрием приводит к нормализации стула. Альгинат натрия используется в изготовлении медицинских порошков, губок, а также микрокапсул. Такая система доставки действующего вещества имеет большие преимущества по сравнению с обычными дозированными формами лекарственных средств. Это обусловлено приданием препарату таких свойств, как маскировка вкуса тошнотворных и горьких лекарств, а также обеспечения пролонгированного высвобождения лекарств и биологически активных веществ из микрокапсул. Таким образом, альгинат натрия представляет интерес, как основа для создания различных форм лекарственных препаратов (микрокапсулы, порошки, пленки, губки и т.д.) [2].

Пищевой желатин – вещество животного происхождения, которое получают из костей, хрящей и шкур животных. Создание твердых желатиновых капсул (ЖКТ) используют для дозирования сыпучих веществ в гранулах.

Изготовление желудочно-резистентных капсул характеризуется рядом достоинств:

• высочайшая точность дозировки компонентов;

• полное усваивание природных экстрактов, входящих в состав;

• гарантированная защита продукта от негативного влияния факторов внешней среды;

• отсутствие неприятных ощущений (обонятельных и вкусовых);

• простота растворения препаратов в кислотной среде, что благоприятствует мгновенному всасыванию элементов, наступлению положительного эффекта в самый короткий период времени;

• вариативность при выборе цвета тела капсулы, часто применяемая в маркетинге;

• идеальный размер, удобство приема;

• увеличенный срок хранения.

1.3. Область применения капсулированных веществ

Капсулированию можно подвергать твердые, жидкие и газообразные вещества. Капсулировать можно не только биологически активные вещества, но и пищевые красители, которые, например, можно использовать для изготовления пищевых продуктов (молекулярная кухня, украшение кондитерских изделий). Микрокапсулы в настоящее время нашли применение в различных отраслях. Однако в фармацевтической промышленности микрокапсулы не находят такого широкого практического применения, хотя имеется очевидная перспектива их использования. С помощью микрокапсулирования можно решить следующие проблемы: уменьшить реакционную способность лекарственных веществ, увеличить сроки годности быстро портящихся лекарственных веществ, снизить токсичность субстанции, придать субстанции новые физические свойства – снизить летучесть, изменить плотность, замаскировать цвет, вкус, запах. Так же на основе микрокапсул возможно производство лекарственных форм, как таблетки, суспензии, подкожные имплантаты. С помощью микрокапсулирования стабилизируют неустойчивые лекарственные препараты (витамины, антибиотики, вакцины, сыворотки, ферменты) [3]. Применение пробиотических препаратов в кормлении животных как способ нормализации физиологических процессов в организме, широко вошло в практику животноводства. В основе физиологического механизма действия пробиотических бактерий лежит их конкурентное вытеснение патогенных и условно патогенных микроорганизмов в кишечнике и продуцирование биологически активных веществ, которые положительно влияют на биохимические, физиологические и иммунологические процессы. Известно, что порядка 70% и более пробиотических бактерий при скармливании животным гибнет в кислой среде желудка. Эффективным для сохранения пробиотических бактерий является различные способы микрокапсулирования.

Выводы по основной части: В ходе изучения источников информации по теме исследования было определено следующее: изучен механизм образования капсул при участии полимеров Альгината натрия и желатина, насколько это оправдано при использовании в фармацевтике и пищевой промышленности. Отмечена очевидность перспективного использования микрокапсул в фармацевтике.

2. Практическая часть

2.1 Реактивы и оборудование

Для проведения ряда экспериментов нам понадобились следующие реактивы и оборудование (STA модуль):

• Коническая колба;

• Пластиковые колбы;

• Пластиковые контейнеры;

• Пластиковая ложка;

• Технохимические весы;

• Стеклянная палочка;

• Пипетка;

• Сито;

• Салфетки;

• Герметичные пластиковые пробирки;

• Лакмусовая бумага;

• Дистиллированная вода;

• Пищевой краситель;

• Разбавленная щелочь;

• Кислота;

• Альгинат натрия;

• Хлорид кальция (CaCl₂).

2.2 Проведение экспериментов

С целью решить поставленную цель были проведены следующие эксперименты:

1. Создание желудочно-резистентных (кишечнорастворимых) капсул.

2. Проведение тестирования растворимости желудочно-резистентных (кишечнорастворимых) капсул в имитационной среде «кишечник», «желудок».

3. Осуществление необходимых изменений в составе капсул в случае неудачного тестирования.

4. Проведение повторного тестирования растворимости желудочно-резистентных (кишечнорастворимых) капсул в имитационной среде «кишечник», «желудок».

Для проведения первого эксперимента сначала мы приготовили водный раствор альгината натрия. Успех эксперимента зависел от того, насколько хорошо мы замешаем раствор, поэтому нужно было быть внимательными. Необходимо было изготовить 100-200 мл 2%-ного раствора альгината натрия. Мы вылили 100 мл горячей воды, которая предварительно была вскипячена, в коническую колбу. Взвесили на технохимических весах 2 г альгината натрия и добавили к воде. Очень тщательно перемешали стеклянной палочкой альгинат натрия до получения однородной массы, разделили полученный раствор по трем пластиковым контейнерам и добавили пищевой краситель разных цветов. Затем нужно было приготовить 100 мл 3%-ного раствора хлорида кальция (CaCl₂). Алгоритм действия с раствором хлорида кальция был точно такой же, как и с раствором альгината натрия, но размешивать нужно было гораздо меньше. Полученный раствор мы также разделили по трем пластиковым ванночкам. Мы внесли по каплям с помощью пипетки получившийся раствор альгината натрия в контейнер с 3%-ным раствором хлорида кальция, стараясь не задевать уже внесенные капли. Молекулы альгината натрия соединились с кальцием, произошло капсулирование. После мы достали капсулы с помощью сита и промыли их под проточной водой, положили на салфетку, чтобы они высохли. После поместили в герметичные пластиковые пробирки до следующего эксперимента (рис.1).

Рис.1. Изготовление капсул из альгината натрия. Эксперимент №1

Чтобы осуществить второй эксперимент, а именно тестирование растворимости полученных капсул в имитационной среде «кишечник» и «желудок», нам нужно было приготовить эту имитационную среду. Мы подготовили две колбы, к которым распечатали и приложили иконки «кишечник» и «желудок» соответственно. В первую колбу мы добавили разбавленную щелочь и сделали раствор, идентичный по кислотности среде тонкого кишечника (pH 7,2-7,5). Для изготовления второй колбы с надписью «желудок» мы приготовили раствор с идентичной желудку кислотности его соков (pH 0,9-2) (рис.2).

Рис.2. Приготовление кислой среды «Желудка» и щелочной среды «Кишечник». Эксперимент №2

Далее мы поместили по 10 штук ранее приготовленных капсул в колбы с различной кислотной средой и начали наблюдение. Обычно время прохождения пищи через желудок составляет от 20-ти минут до 6-ти часов, но при идеальных условиях, когда человек проглотил капсулу натощак и запил ее большим количеством воды, будет достаточно и 20-30 минут. Наше наблюдение продолжалось в течение этого времени. По мере истечения времени мы наблюдали за изменениями капсул (за формой, размером капсул, степени выхода пищевого красителя в раствор и т. п.) (рис.3). Результаты этого эксперимента представлены в таблицах (Приложение 1, 2).

Рис.3 Помещение капсул в имитационную среду «Желудок», «Кишечник»

Из результатов эксперимента видно, что капсулы прошли тестирование неудачно и не дошли бы до кишечника человека, преждевременно растворившись в желудке (рис.4).

Рис.4 Растворение капсул в кислой среде «Желудок»

Проведение эксперимента №3

Для достижения поставленной цели мы решили изготовить новые желудочно-резистентные (кишечнорастворимые) капсулы и изменить их состав. Мы приготовили 100 мл 2%-ного раствора альгината натрия, придерживаясь тех же составляющих, что и в первых приготовленных нами капсулах. Но для того, чтобы наши капсулы были желудочно-резистентные (кишечнорастворимые) и дошли до кишечника человека, не растворившись в кислотной среде желудка, нам нужно было изменить их состав, поэтому мы решили добавить 2 г пищевого желатина. Далее мы приготовили раствор хлорида кальция и разделили его по трем пластиковым контейнерам. После, также, как и в первом эксперименте, вносили по каплям раствор альгината натрия в раствор хлорида кальция и получались капсулы. Мы оставили их в растворе еще на 10 минут. Затем достали их с помощью сита и промыли под проточной водой, высушили на салфетке.

Проведение эксперимента №4

После создания новых капсул и осуществления необходимых изменений в их составе нужно было провести повторное тестирование их растворимости в имитационной среде «кишечник», «желудок». Для чистоты эксперимента мы решили проводить его в тот же день, когда изготовили новые капсулы. Алгоритм действий был тот же, как и при первом тестировании. Мы обновили кислотность в колбах до необходимых нам значений и поместили по десять капсул в каждую, начали наблюдение. Как было сказано ранее, время прохождения пищи через желудок составляет от 20 минут до 6 часов. В прошлый раз мы наблюдали за изменениями капсул (за формой, размером капсул, степени выхода пищевого красителя в раствор и т. п.) в течение 20-30 минут. В этот раз мы решили взять время прохождения пищи через желудок не при идеальных условиях принятия капсулы, а при обычных и проводили наблюдение в течение 6-ти часов. Как можно увидеть по результатам этого эксперимента, представленных в таблицах (Приложение 3, 4), у нас получилось создать желудочно-резистентные (кишечнорастворимые) капсулы, которые успешно прошли тестирование и дошли бы до кишечника человека, не растворившись в кислотной среде желудка (рис.4).

Рис.4. Повторный эксперимент с созданием капсул, выдерживающих кислую и щелочную среду. Эксперимент №4

Выводы по практической части:

В результате проведенных экспериментов нам удалось методом капсулирования изготовить капсулы из альгината натрия. Такие капсулы могут выполнять роль контейнера для доставки лекарственных средств, но только до желудка, т.к. опытным путем была отмечена их способность растворяться в кислой среде. Капсулы, изготовленные из альгината натрия с добавлением желатина показали устойчивость к растворению в кислой среде. В течение 6 часов продемонстрировали устойчивость в щелочной среде, идентичной среде кишечника.

Заключение:

В ходе проведения исследования на базе лаборатории Науколаб гимназии были получены капсулы, основой которых являлся полимер альгинат натрия, имеющий растительное происхождение. Такие капсулы способны транспортировать лекарства до желудка, т.к. показали растворимость в кислой среде. Полученные капсулы, состоящие из альгината натрия и желатина, имеющего животное происхождение, проявили себя более устойчивыми, т.к. продемонстрировали устойчивость к кислой среде желудка. Именно такие капсулы являются кишечнорастворимыми, могут являться потенциальными переносчиками лекарств, способными достигать кишечника. Таким образом, гипотеза полностью доказана, кислотность неодинаково действует на растворимость капсул из веществ, активно используемых в настоящее время в фармацевтике (альгинат натрия и желатин). Поэтому необходимо использовать этот факт для изготовления лекарств, требующих доставки лекарственных средств до нужного места назначения в организме.

Список литературы:

1. Постраш, Я.В. Микрокапсулирование в фармации-С.1- современное состояние и перспективы. Я.В. Постраш, О.М. Хишова / Вестник фармации.- ВГМУ – 2010. №2 (48). – C. 1-4

2. Степанова, Е.Ф. Микрокапсулы: перспективы использования в современной фармацевтической практике Е.Ф. Степанова, М.Е. Ким, К.Б. Мурзагулова, С.Б. Евсеева / Современные проблемы науки и образования. – 2014. - №5

3. Андреева, С.В. Альгинат натрия в производстве пищевых покрытий для цельномышечных изделий. С.В. Андреева, Т.Ю. Левина, Л.В.Данилова //Сборник трудов конференции. – 2015 –С. 43-45

Приложения

Приложение 1

Результаты первого эксперимента по тестированию растворимости желудочно-резистентных (кишечнорастворимых) капсул в имитационной щелочной среде «Кишечник»

Приложение 2

Результаты первого эксперимента по тестированию растворимости желудочно-резистентных (кишечнорастворимых) капсул в имитационной кислой среде «Желудок»

Приложение 3

Результаты эксперимента по тестированию растворимости желудочно-резистентных (кишечнорастворимых) капсул в имитационной щелочной среде «Кишечник»

Приложение 4

Результаты эксперимента по тестированию растворимости желудочно-резистентных (кишечнорастворимых) капсул в имитационной кислой среде «Желудок»