CC BY
49
УДК 541.64:532.72
А. Л. Иорданский, Е. Л. Иванцова, Р. Ю. Косенко,
Ю. Н. Зернова, С. З. Роговина, А. Г. Филатова,
К. З. Гумаргалиева, С. Н. Русанова, О. В. Стоянов,
Г. Е. Заиков, Jan Pielichowski
ДИФФУЗИОННЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИЙ
НА ОСНОВЕ ПОЛИГИДРОКСИБУТИРАТА И ХИТОЗАНА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО ТРАНСПОРТА
ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ. ЧАСТЬ 1
Ключевые слова: диффузия, структура, композиции, хитозан, поли(3-гидроксибутират), транспорт лекарств.
Исследованы структурные характеристики композиций на основе поли(3-гидроксибутирата) и хитозана, содержащих рифампицин. Установлен механизм и кинетические особенности десорбции лекарственных веществ из полимерных пленок. Предложена обобщенная схема процесса направленного транспорта лекарственных веществ.
Keywords: diffusion, structure, compositions, chitosan, poly(3-hydroxybutyrate), transport of drugs.
The structural characteristics of the compositions on the basis of poly(3-hydroxybutyrate) and chitosan, containing ri-fampicin, were investigated. The mechanism and kinetic peculiarities of the medicinal substances desorption from polymeric films were set. A generalized diagram of the process of a directed transport of medicinal substances was offered.
Введение
В настоящее время для создания конструкционных и функциональных материалов, способных к биоразложению, используют три группы наиболее перспективных природных полимеров: поли-а-
оксикислоты (полилактид и его сополимеры), поли-Р-оксиалканоаты (поли-3-гидроксибутират [ПГБ] и его производные), а также полисахариды (хитин, хитозан, целлюлоза и т.п.). Преимуществом ПГБ, хитозана и т.п. по сравнению с традиционными синтетическими материалами являются: независимость от нефтегазовых ресурсов, практически неограниченное воспроизводство в природе, а также экологическая и биологическая безопасность [1-5].
ПГБ находит широкое применение в качестве модельного объекта физики кристаллического состояния и научно-прикладных разработок при создании селективных барьерных материалов для биоразлагаемых упаковок, а также в клеточной инженерии и при создании нового поколения терапевтических систем для направленного транспорта лекарственных веществ (ЛВ). С целью улучшения механических характеристик ПГБ, его модификацию проводят двумя разными способами: на биотехнологическом уровне - путем сополимеризации ПГБ с мономерами 3-гидроксивалерата, 3-
гидроксиоктаноата и т. п. или получая смесевые композиции с другими материалами [6-8]. Разработка процедуры его смешения с хитозаном (ХТ) имеет определенные преимущества, т. к. полученные композиции полностью биоразлагаются до нетоксичных продуктов (Н2О, СО2), т.е. экологически безопасны. Они биосовместимы, и, как показывают данные исследования, имеют широкие перспективы в качестве матриц для адресной и пролонгированной доставки инкапсулированных ЛВ в медицине.
Объекты и методы исследования
В работе использовали природный биораз-лагаемый полимер полигидроксибутират, полученный микробиологическим синтезом компанией ЬЮМБЯ® (Германия), серия 16Б: белый мелкодисперсный порошок, ММПГБ = 2,06 105 г/моль, d = 1,248 г/см3, Тпл =177 оС, степень кристалличности 75 %. Неплавкий полисахарид хитозан (компания «Биопрогресс», г.Щелково):, мелкодисперсный порошок, ММхт = 4,4-105 г/моль, степень деацетилиро-вания 82,3 %.
В качестве лекарственного компонента использован антибиотик широкого спектра действия рифампицин (РФП).
При получении пленок методом полива использовали следующие растворители: для ПГБ -СНС13 и диоксан марки ЧДА (ЗАО «Экос-1», РФ), для ХТ - СН3СООН марки ЧДА. В связи с необходимостью введения РФП в пленки была предварительно проверена стабильность РФП в этих растворителях.
Были получены и изучены образцы пленок трех типов:
1. полимерные пленки исходного ПГБ с инкапсулированным лекарственным веществом РФП.
2. Композиционные пленки ПГБ и хитозана.
3. Композиционные пленки ПГБ и хитозана с инкапсулированным в них РФП.
При получении пленок ПГБ, содержащих различное количество ЛВ, методом полива на стеклянной подложке использовали хлороформ как совместный растворитель для ЛВ и ПГБ. Содержание воды в пленках ПГБ с различным количеством РФП измеряли на кварцевых весах Мак-Бена или аналитических весах с точностью ±0,1 мг. В качестве суммарной концентрации ЛВ принимали загрузочную концентрацию РФП. Модельная среда: фосфорнокислый буферный раствор (КН2РО4 :
Ыа2НРО4) с общей концентрацией 0,05 М («Хим-
мед», Россия), рН 6,86. Концентрацию РФП в пленках варьировали в пределах 2,5 - 15%.
Для получения смесевых композиций ПГБ-хитозан с антибиотиком РФП нами были разработаны оригинальные методики, которые позволяют получить смесевые пленки с содержанием ПГБ от 10 - 90 мас.%.
Метод А: для содержания ПГБ в смеси 60-90масс. %.
Прессованную пленку ПГБ растворяли в CHCl3. В полученный раствор вводили хитозан в виде порошка и затем при интенсивном перемешивании в полученную эмульсию по каплям прибавляли раствор рифампицина в хлороформе. Доля введенного РФП не превышала 10%.
Метод Б: для содержания ПГБ в смеси 10-50масс. %.
Пленки ПГБ-хитозан готовили путем смешения раствора хитозана в водно-кислых средах и раствора ПГБ в диоксане. После формирования и удаления растворителей пленки вакуумировали до постоянного веса. Рифампицин сорбировали полученными смесевыми пленками из его насыщенного раствора в фосфатном буфере.
Кинетику высвобождения РФП и сорбционную емкость измеряли в специальной ячейке с помощью УФ-спектрофотометра фирмы «Beckman» DU-65 (США) при длине волны 474 нм.
Результаты и их обсуждение
Кинетика высвобождения рифампицина из пленок поли(З-гидроксибутирата)
На рис. 1 представлены экспериментальные данные по высвобождению РФП в интервале концентраций 5 - 15% из пленок ПГБ.
Кинетические профили высвобождения характеризуются начальным нелинейным во времени участком и завершающим участком, где концентрация десорбируемого из пленок рифампицина возрастает линейно. Рассмотрение общего вида кинетики высвобождения позволяет предположить, что для всех кинетических профилей в системе ПГБ-РФП наблюдается суперпозиция двух процессов, природа которых была выяснена в ходе анализа и компьютерной обработки экспериментальных кинетических результатов.
1 5%
0 100 200 300 i00 500
Время,час
Рис. 1 - Кинетические профили высвобождения рифампицина из пленок ПГБ + 5% РФП, +7,5% РФП, +10% РФП, +15% РФП
На рис. 2 отдельно представлены тангенсы углов наклона линейных участков кинетических кривых и показано, что с ростом содержания лекарственного вещества в системе их значения также возрастают.
12.5Г4
Время, час
Рис. 2 - Линейный участок кинетических кривых высвобождения рифампицина из пленок ПГБ + 5% РФП, +7,5% РФП, +10% РФП, +12,5% РФП и +15% РФП
Эмпирически этот экспоненциальный рост может быть отражен уравнением:
к = к0 ехр(с?0 • СРФП), (1)
1 2 где ко = 0,699 час , а0 = 0,251-10" г/г-, а к - констан-
-1
та, не зависящая от времени, час , и отражающая тангенс угла наклона линейного участка кинетического профиля высвобождения; СРФП - общая концентрация рифампицина в пленке ПГБ, вес%.
В соответствии с принципом суперпозиции двух процессов, ответственных за высвобождение ЛВ, представим баланс его концентрации в окружающем фосфатном буфере в каждый данный момент времени, 1, в виде равенства:
СрфП^ = ^ + , (2)
Два слагаемых в правой части равенства (2) отражают, соответственно, нелинейный и линейный вклады в кинетику десорбции РФП, а символ ^ показывает, что каждый из членов этого уравнения зависит от времени. Компьютерное вычитание значений Ск|1 из общей концентрации ЛВ, СРФП|1 в каждый данный момент времени 1 позволяет построить зависимость от времени, что представлено на рис.3. Все кинетические кривые, полученные для пленок ПГБ с различным содержанием рифампицина в результате вычитания, имеют монотонный характер с явно выраженным пределом (О«), величина которого возрастает с увеличением концентрации ЛВ. Внешний вид этих кривых соответствует классическим десорбционным кривым, где механизм
транспорта определяется диффузией низкомолекулярного вещества в полимерных пленках. Действительно, на начальном этапе кинетики высвобождения возрастание концентрации ЛВ в окружающем буфере (или, что то же - убыль концентрации ЛВ в пленке ПГБ) может быть представлено в традици-
онных диффузионных координатах СРФП/С« ~ 11/2. В отличие от тангенсов наклона представленных выше на рис. 2 и отражающих только кинетический вклад в механизм высвобождения, тангенс прямолинейных участков, построенных в координатах диффузии позволяет рассчитать коэффициенты диффузии рифампицина в пленках ПГБ.
Время, час
Рис. 3 - Высвобождение рифампицина из пленок ПГБ +5% РФП, +7,5% РФП, +10% РФП, + 12,5% РФП +15% РФП за вычетом деструктивной составляющей
В нашем случае диффузия низкомолекулярного компонента в полимерной системе подчиняется дифференциальному уравнению 2-го порядка:
дв,
РФП _
где
'РФП
д, ■
=С РФп~к
д
РФП
РФП
д
(3)
(4)
Здесь ОРФП - концентрация ЛВ, способного к десорбции по диффузионному механизму, йРФП - эффективный коэффициент диффузии ЛВ, см2/сек.; СРФП - общая концентрация ЛВ, %; х и 1 - соответственно, координата (см.) и время (с.) диффузии.
Решение дифференциального уравнения (3) на начальном отрезке времени, когда выполняется условие О1/О« < 0,5, имеет вид алгебраического уравнения (5):
О.
4 д
РФП
(5)
Графическое решение этого уравнения позволяет рассчитать эффективные коэффициенты диффузии рифампицина в пленках ПГБ. Для этого в координатах 0РФП/С« ~ 11/2, мы численно определили положительные тангенсы наклона (1да), а затем по уравнению:
- жі}{іда)2
Д
РФП
16
(6)
рассчитали диффузионные коэффициенты для пленок с различным содержанием ЛВ. Здесь Ь - толщина пленки, см.
Таким образом, нелинейный участок кинетического профиля высвобождения ЛВ определяется процессом диффузии.
Зависимость коэффициентов диффузии от введенной концентрации РФП представлена на рис. 4. Из рис. 4 следует, что диффузионные коэффици-
енты линейно возрастают с ростом концентрации ЛВ. Причиной этого эффекта, вероятно, является структурная разупорядоченность аморфных областей ПГБ, что будет продемонстрировано далее.
Общая концентрация РФП, вес.%
Рис. 4 - Коэффициенты диффузии РФП в пленках ПГБ, рассчитанные по начальному и конечному участкам десорбционных кривых
Следует отметить, что в случае классического диффузионного механизма существует еще одна возможность обработки кинетических кривых, но теперь уже на конечном диффузионном этапе высвобождения. При условии О1/О« > 0,5 решение диффузионного уравнения (3) имеет традиционный экспоненциальный вид, отличающийся от степенного уравнения (5)
в. л 8 -л-2£>й/
—L = 1------^ехр-------2---
а Я н И
(7)
Алгебраический вид данного уравнения позволяет определить коэффициенты диффузии путем его преобразования в полулогарифмических координатах !д(1-0і/0.) - 1 :
(
ід
1
л
ад у
|д
8 пд
РФП
п
(8)
Теория предсказывает, что в случае классического диффузионного переноса с постоянным транспортным коэффициентом значения диффузионных коэффициентов, рассчитанных как на начальном участке кинетических кривых (условие О1/О« < 0,5), так и на завершающем этапе диффузии (условие О1/О« > 0,5) должны совпадать. В рамках классической диффузионной модели, если бы выполнялось равенство йаРФП (на начальном участке) = йЬРФП (на конечном участке), то это свидетельствовало бы об отсутствии каких-либо осложнений в диффузионной системе, например, таких как агрегация ЛВ, образование самостоятельной фазы в матрице и др.
В исследуемой системе, как показывает рис. 4, диффузионные параметры каждой из серий, полученных независимыми способами расчета, различаются между собой на постоянную величину (~к^2 = так что выполняется равенство:
_ г\Ь , /2
1,8- 10-11с-1)
Орфп + кь1.
'РФП ~ РФП 1 "л1-
(9)
где ки - эффективная кинетическая константа гидро-
лиза ПГБ, с
-1
Уравнение (9) отражает связь кинетической и диффузионных констант и тем самым еще раз подтверждает, что данная система имеет более сложный кинетический профиль, проявляющийся на больших временах и включающий также развитие деструкции ПГБ. Из этого следует, что все кинетические профили высвобождения рифампицина из пленок ПГБ представляют комбинацию диффузионной и кинетической составляющих. Сочетая соответствующие уравнения 3 и 4 и предполагая совместный вклад диффузионной и кинетической составляющей в общий профиль высвобождения можно записать общее выражение для выхода ЛВ в виде: дГ д2Г
и^РФП = Г) и ^РФП , Л- (10)
д! пп дх2 (10)
Уравнение (10) имеет также аналитическое решение, описанное в работе [9].
Проявление двух процессов высвобождения (диффузионного и кинетического) позволяет предположить, что рифампицин существует в пленках биодеградируемого ПГБ в двух формах. Одна форма (обозначена ОРФП) представляет данное ЛВ в «свободной форме» и, что очень важно, только эта форма способна к десорбции ЛВ из пленки ПГБ по диффузионному механизму. Другая форма ЛВ, (СРФП - к1) в полимере находится в иммобилизованном состоянии и характеризуется крайне низкой диффузионной подвижностью, однако ее выход из
полимера обеспечивается частичной деградацией
ПГБ (потерей массы с включенной в нее иммобилизованной формой ЛВ) по уравнению нулевого порядка.
Литература
1. Chen G.Q., Wu Q., Biomaterials, 26, 33, 6565-6578 (2005).
2. Lenz R.W., Marchessault R.H. Biomacromolecules, 6, 1, 1-8 (2005).
3. Bonartsev A.P., Iordanskii A.L., Bonartseva G.A. and Zaikov G.E., Polymers Research Journal, 2, 2, 127-160 (2008).
4. Иощенко Ю.П., Коблов В.Ф., Заиков Г.Е., Абзальди-нов Х.С., Вестн. Казан. технол. ун-та, 15, 7, 106-113 (2012).
5. Ольхов А.А., Иорданский А.Л., Власов С.В., Косенко Р.Ю., Симонова Ю.С., Заиков Г.Е., Яруллин А.Ф., Вестн. Казан. технол. ун-та, 15, 9, 108-111 (2012).
6. Iordanskii A. L., A. A. Ol’khov, Y. N. Pankova, A. P. Bonartsev, G. A. Bonartseva, and V. O. Popov. Macromol. Symposium, 157, 314 - 320 (2006).
7. Ольхов А.А., Иорданский А.А., Стоянов О.В., Заиков Г.Е., Вестн. Казан. технол. ун-та, 16, 1, 145-148 (2013).
8. Карпова С.Г., Иорданский А.Л., Кленина Н.С., Попов А.А., Ломакин С.М., Шилкина Н.Г., Ребров А.В., Заиков Г.Е., Абзальдинов Х.С., Вестн. Казан.технол.ун-та, 16,
2, 92-95 (2013).
9. Crank J., The Mathematics of Diffusion. 2nd Edition. Oxford: Clarendon Press, 1975. 415p.
© А. Л. Иорданский - сотр. Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН; Е. Л. Иванцова сотр. Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН; Р. Ю. Косенко - сотр. Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН; Ю. Н. Зернова - сотр. Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН; С.З.Роговина - сотр. Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН; А. Г. Филатова - сотр. Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН; К. З. Гумаргалиева - сотр. Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН; С. Н. Русанова - канд. техн. наук, доц. каф.каф. технологии пластических масс КНИТУ; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. той же кафедры.
