CC BY
17
УДК 615.4
Комарова Д.С., Демкин К.М., Мочалова М.С., Ловская Д.Д.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ АДСОРБЦИИ АКТИВНОГО ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ИНГРЕДИЕНТА В ХИТОЗАНОВЫЕ АЭРОГЕЛИ НА ПРИМЕРЕ ЛИДОКАИНА
Комарова Дарья Сергеевна - бакалавр 4-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов.
Демкин Кирилл Максимович - бакалавр 4-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов.
Мочалова Мария Сергеевна - аспирант 1-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов.
Ловская Дарья Дмитриевна - к. т. н., старший научный сотрудник кафедры химического и фармацевтического
инжиниринга; daria.lovskaya@gmail.com.
«Кафедра химического и фармацевтического инжиниринга»,
123514, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
В ходе работы были получены частицы аэрогеля на основе хитозана, проведено внедрение лидокаина путем сверхкритической адсорбции. Проведен анализ сорбционной емкости частиц с применением имитации крови, определены массовые загрузки лидокаина, полученные при различных параметрах адсорбции. Проведен рентгенофазовый анализ образцов, показавший, лидокаин находится преимущественно в аморфном состоянии. На основе полученных данных сделан вывод о возможности получения вариативной массовой загрузки, что является важным фактором при использовании частиц аэрогеля хитозана в качестве гемостатического средства в случае ранений различной степени тяжести.
Ключевые слова: аэрогель, сверхкритическая адсорбция, хитозан, гемостатические средства, лидокаин
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF SUPERCRITICAL ADSORPTION OF AN ACTIVE PHARMACEUTICAL INGREDIENT INTO CHITOSAN AEROGELS USING LIDOCAINE AS AN EXAMPLE
Komarova D.S., Demkin K.M., Mochalova M.S., Lovskaya D.D.
"Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering", Moscow, Russian Federation
In the course of the work, particles of chitosan-based aerogel were obtained, lidocaine was introduced by supercritical adsorption. The analysis of the sorption capacity of the particles using blood simulation was carried out, the mass loads of lidocaine obtained at various adsorption parameters were determined. X-ray phase analysis of the samples was carried out, which showed that lidocaine is mainly in an amorphous state. Based on the data obtained, it is concluded that it is possible to obtain a variable mass loading, which is an important factor when using chitosan aerogel particles as a hemostatic agent in the case of wounds ofvarying severity.
Keywords: aerogel, supercritical adsorption, chitosan, hemostatic agents, lidocaine
Введение
В результате непрерывного развития человечества, направленного на улучшение качества жизни, медицина постоянно ищет новые перспективные лекарственные средства, которые на сегодняшний день должны отвечать принципам «зеленой» химии, то есть иметь такие свойства как биодеградируемость, отсутствие токсичности и использование возобновляемого сырья. Таким перспективным материалом являются органические аэрогели, представляющие из себя гель, в котором вся жидкая фаза удалена методом сверхкритической сушки. Этому материалу присущи такие уникальные качества, как низкая плотность, высокая удельная поверхность и высокая пористость, которые в совокупности делают этот материал перспективным для применения в медицинской и фармацевтической промышленности [1]. Исходным веществом для получения аэрогеля может служить хитозан, являющийся производным второго по распространённости на земле возобновляемого полисахарида - хитина [2]. Хитозан
обладает антимикробной и иммуностимулирующей активностью, а также гемостатическими свойствами [35]. В результате объединения перечисленных преимуществ аэрогеля и хитозана возможно получение высокоэффективного местного гемостатического средства, которое способно останавливать обильные артериальные и венозные кровотечения [6]. Вследствие сильного повреждения тканей при глубоких ранах, в которых задеты артерии и вены, человек испытывает сильный болевой синдром, который врачам необходимо купировать с помощью различных обезболивающих средств. Таким образом существует возможность совершенствования данного
кровоостанавливающего средства путем его функциоанализации. Эффективное использование полученного гемостатического средства, обладающего обезболивающим эффектом, в ситуациях, когда количество времени на помощь пострадавшему ограничено, а также легкость применения данного кровоостанавливающего средства позволяют снабжать им автомобильные и армейские наборы для первой
помощи, в большинстве которых на данный момент отсутствуют
местные гемостатические кровоостанавливающие сред ства. В данном исследовании в гемостатическое средство из аэрогеля на основе хитозана с помощью способа сверхкритической адсорбции загружается активный фармацевтический ингредиент (АФИ) -лидокаин, который представляет из себя местное анестезирующее средство.
Экспериментальная часть
Получение частиц аэрогеля
Частицы аэрогеля на основе хитозана получали по методике, описанной в следующей статье [7]. Процесс получения включает в себя стадии: приготовление раствора биополимера; приготовление раствора сшивающего агента; получение частиц гидрогеля; ступенчатая замена растворителя; сверхкритическая сушка. Для получения раствора хитозана, полисахарид растворяли в разбавленной уксусной кислоте при постоянном перемешивании в течении 24 часов. Частицы гидрогеля получали путем сшивки в растворе гидроксида натрия. В данной среде частицы выдерживали в течении 24 часов для обеспечения полноты проведения гелеобразования. Перед осуществлением стадии замены растворителя, полученные частицы многократно выдерживали в дистиллированной воде для достижения нейтрального pH. Этап замены растворителя проводится ступенчато с целью минимизации усадки структуры, частицы выдерживали в растворах изопропилового спирта с постепенно увеличивающейся концентрацией. Полученные частицы алкогеля подвергали сверхкритической сушке. Таким образом были получены частицы аэрогеля на основе хитозана.
Внедрение лидокаина в аэрогель на основе хитозана может быть осуществлено с помощью способа сверхкритической адсорбции (СКА). Данный выбор способа внедрения лидокаина в структуру аэрогеля обуславливается его растворимостью в среде сверхкритического диоксида углерода.
Внедрение АФИ путем сверхкритической адсорбции
Так как лидокаин обладает достаточной растворимостью в сверхкритическом диоксиде углерода (1,24 г/л) [8], внедрение АФИ может осуществляться путем сверхкритической адсорбции. В ходе данного процесса происходит растворение АФИ в сверхкритическом флюиде и его дальнейшая адсорбция на внутреннюю поверхность аэрогеля. Данный способ внедрения обладает следующими преимуществами: нетоксичность растворителя, соблюдение принципов «зеленой» химии, возможность тонкой настройки параметров процесса, получение преимущественно аморфных форм АФИ. Совокупность описанных преимуществ позволяет говорить о перспективности использования технологии для применения в фармацевтической
промышленности. Для проведения сверхкритической адсорбции лидокаин и частицы аэрогеля на основе хитозана заданной массы упаковывали в конверты из
фильтровальной бумаги и помещали в ячейку высокого давления. Процесс осуществляли следующим образом: по патрубкам в объем ячейки (65 мл) поступал жидкий диоксид углерода. Для достижения требующихся параметров процесса, осуществляли постепенное нагнетание давления с применением жидкостного насоса и повышение температуры с помощью нагревательной рубашки. После приведения параметров к необходимым значениям (200 бар, 25-75 °С), систему герметизировали и выдерживали в данном состоянии на 24 часа. По завершению процесса сверхкритической адсорбции осуществляли постепенный сброс давления и понижение температуры, после чего ячейку высокого давления разгерметизировали, а частицы аэрогеля с лидокаином выгружали и взвешивали.
Аналитические исследования
Одним из важнейших параметров оценки гемостатических средств является сорбционная емкость по крови, т.к. при поглощении жидкости повышается концентрация факторов свертывания и тромбоцитов, что способствует остановке кровотечения [9]. Аэрогель на основе хитозана из-за большого количества аминогрупп обладает положительным зарядом, что повышает сорбцию отрицательно заряженных элементов крови, по сравнению с кровеостанавливающими изделиями с нейтральным зарядом поверхности. Для имитации крови может быть использован специальный раствор солей (Earle's Balanced Salt Solution, EBSS). Данный раствор обладает pH соответствующий жидкости организма, концентрации ионов в растворе приближены или повторяют концентрации в крови [10].
В данной работе была исследована сорбционная емкость частиц с применением раствора имитирующего жидкости организма (EBSS) [10]. Для приготовления раствора имитирующего жидкости организма на 1000 мл необходимо: 6.8 г хлорида натрия; 2.2 г гидрокарбоната натрия; 0.4 г хлорида калия; 0.2 г хлорида кальция; 0.1 г сульфата магния; 0.125 г моногидрата дигидрофосфата натрия; 1 г глюкозы. Дистиллированная вода добавляется до достижения заданного объема [10]. Сорбционная емкость частиц измерялась по следующей методике. Взвешивали заданное количество частиц, после чего к аэрогелю добавляли заданный объем EBSS полностью покрывающий частицы для увеличения площади контакта частиц аэрогеля с имитирующим раствором. Далее частицы выдерживали заданное количество времени, по истечению которого проводили их повторное взвешивание. Сорбционная емкость вычисляли как отношение массы поглощенного раствора к изначальной массе частиц.
С применением метода высокоэффективной жидкостной хроматографии была определена массовая загрузка частиц, полученных с применением СКА. Был проведен рентгенофазовый анализ полученных композиций «хитозановый аэрогель - лидокаин».
Результаты аналитических исследований У всех полученных частиц была определена массовая загрузка с применением высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). К предварительно взвешенной навеске полученной композиции «хитозановый аэрогель - лидокаин» добавляли заданное количество дистиллированной воды, частицы выдерживали в течении 24 ч при постоянном перемешивании с применением лабораторного шейкера, после чего отбирали пробу для анализа. По методике описанной в следующей статье [11] получили подвижную фазу составом метанол/вода/триэтиламин (58/42/0.4) для проведения ВЭЖХ. Процесс осуществляли на установке Agilent 1220 Infinity LC с применением колонки C18 при следующих параметрах: скорость потока - 1.0 мл/мин; объем закола - 20 мкл; УФ детектор - 240 нм; температура - 25 °С. Для построения калибровочной прямой приготовили растворы лидокаина заданной концентрации, далее получили хроматограммы данных растворов с посчитанными программой площадями пиков, которые соответствуют лидокаину (рис. 1).
w
тЛ<РИ
* 100%
(1)
Рис.1 Хроматограмма калибровочного раствора с концентрацией 0,0005мг/мкл В ходе проведенных экспериментов была построена калибровочная прямая (рис. 2).
0.0009
0.0008 g- 0.0007
со
Ö 0.0006 СС
« 0.0005
1 0.0004 н
S 0.0003 о 0.0002
Рч
0.0001 о
1500 2500 3500 4500 Площадь пика
Рис.2 Калибровочная прямая для определения концентрации лидокаина в растворе по методу ВЭЖХ
Используя данные площадей пиков хроматограмм исследуемых растворов при помощи калибровочной прямой определяли концентрацию лидокаина в воде после выдерживания частиц. Путем пересчета с применением данных о массе навески частиц и объеме воды вычисляли массовую загрузку по формуле (1).
У = 2Е-07х - 0,0003 R2 - 0,9933
..-W
* А''
W
тАФИ +'тлзроге.1ь
где, тАФи -масса лидокаина (г), таэрогель -масса аэрогеля (г).
Полученные результаты массовой загрузки лидокаина в структуру аэрогеля представлены в виде таблицы с данными о параметрах протекания процесса для сверхкритической адсорбции (Таблица 1).
Таблица 1. Массовые загрузки частиц с внедренным лидокаином
Образец P, бар T, °С w, %
СКА-1 200 25 0.3
СКА-2 60 0.7
СКА-3 75 2.6
Анализируя полученные результаты, можно отметить рост массовой загрузки аэрогеля при применении сверхкритической адсорбции при увеличении температуры процесса. Данное влияние можно объяснить увеличением растворимости лидокаина в сверхкритическом диоксиде углерода при увеличении температуры.
Сорбционная емкость частиц без АФИ и частиц с внедренным лидокаином путем СКА, полученная с применением раствора имитирующем жидкости организма представлена в виде таблицы (Таблица 2).
Таблица 2. Сорбционная емкость полученных частиц аэрогеля на основе хитозана
Образец Сорбционная емкость, г/г
Аэрогель без 17.4
лидокаина
СКА-1 11.3
СКА-2 15.0
СКА-3 10.2
Полученные значения сорбционной емкости создают перспективу использования частиц аэрогеля на основе хитозана с внедренным в структуру лидокаином в качестве медицинских изделий для остановки массивных наружных кровотечений.
Для частиц СКА-3 была получена следующая рентгенограмма (рис. 3).
60 50 g 40
S
ю
&30
о
20 10 о
* СКА-3
50 100
Время
Рис.3 Рентгенограмма частиц СКА-3
По полученным данным видно, что в частицах, внедрение в которые осуществлялось с помощью сверхкритической адсорбции, лидокаин содержится преимущественно в аморфном состоянии. Данное исследование позволяет предположить
перспективность применения частиц аэрогеля с внедренным лидокаином для первой помощи, т.к. аморфная форма АФИ обладает такими преимуществами как, быстрое начало действия и высокая биодоступность, по сравнению с кристаллическими формами. Таким образом, частицы аэрогеля на основе хитозана с внедренным лидокаином являются перспективным медицинским изделием для остановки массивных кровотечений с анестизирующим эффектом. Полученный диапазон массовых загрузок частиц от 0.3% до 2.6% дает возможность получения гемостатического средства с заданным содержанием лидокаина в изделии и, как следствие, соблюдение дозирующего режима пациента. Данный подход может быть использован для производства медицинских средств, позволяющих купировать боль разной степени интенсивности.
Заключение
В рамках исследовательской работы были проведены экспериментальные исследования по процессам получения частиц аэрогеля на основе хитозана с внедренным лидокаином путем сверхкритической адсорбции. Были проведены всесторонние аналитические исследования образцов. Полученные данные о сорбционной емкости и аморфной форме лидокаина в структуре аэрогеля создают перспективу применения частиц в качестве гемостатического средства с анестизирующим эффектом. Применяя различные параметры проведения процесса сверхкритической адсорбции можно получить вариативную массовую загрузку, данный фактор может быть использован для расширения спектра сфер применения частиц аэрогеля на основе хитозана.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Менделеева, прикладной научно-исследовательский проект молодых штатных работников РХТУ им. Менделеева в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» № ВИГ 2022 007.
Список литературы
1. Мочалова М.С., Ловская Д.Д., Меньшутина Н.В. Исследование процесса получения частиц
аэрогеля на основе хитозана для применения их в качестве кровоостанавливающих средств. // Успехи в химии и химической технологии. -2020. -№8 - С. 9597.
2. Курченко В. П. и др. Технологические основы получения хитина и хитозана из насекомых //Труды БГУ. - 2016. - Т. 11. - №. 1. - С. 110-126.
3. J.H. Li, Y.G. Wu, L.Q. Zhao, Antibacterial activity and mechanism of chitosan with ultra high molecular weight// Carbohydr. Polym. №148, 2016 200-205.
4. Z.G. Miao, W.X. Zhao, L.P. Guo, S. Wang, J.Z. Zhang, Effects of dietary supplementation of chitosan on immune function in growing Huoyan geese.// Poult. Sci. 99 №1, 2020, 95-100.
5. Денисов А.В., Носов А.М., Телицкий С.Ю., Демченко К.Н., Юдин А.Б., Шперлинг И.А., Миляев А.В., Гребенюк А.Н. Экспериментальная оценка эффективности нового отечественного местного гемостатического средства на основе хитозана // Вестник Российской Военно-медицинской академии.
- 2018. - № 3(63). - С. 159-163.
6. Меньшутина Н., Ловская Д., Лебедев А., Лебедев Е. Процессы получения частиц аэрогелей на основе альгината натрия с использованием сверхкритической сушки в аппаратах различного объема // Сверхкритические флюиды: Теория и практика. - 2017. - T. 12, № 2. - C. 35-48.
7. Мочалова М. С. и др. Получение биополимерных аэрогелей для использования в фармацевтике и медицине //Успехи в химии и химической технологии. - 2017. - Т. 31. - №. 12 (193).
- С. 27-29.
8. Weinstein R. D. et al. The solubility of benzocaine, lidocaine, and procaine in liquid and supercritical carbon dioxide //Journal of Chemical & Engineering Data. -2004. - Т. 49. - №. 3. - С. 547-552.
9. Гоменюк Д. Т., Куперин А. С., Трусов В. А. Проблема выбора оптимального местного гемостатического средства для оказания первой помощи на поле боя //Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области. - 2018.
- Т. 4. - №. 3 (22). - С. 56-59.
10. Wilke B. M. et al. Corrosion performance of MAO coatings on AZ31 Mg alloy in simulated body fluid vs. Earle's Balance Salt Solution //Applied Surface Science. - 2016. - Т. 363. - С. 328-337.
11. Xu Y., Wong G. Y. Simultaneous determination of lignocaine hydrochloride, chlorhexidine gluconate, and triamcinolone acetonide in suspension by reversed-phase HPLC //Journal of liquid chromatography & related technologies. - 1999. - Т. 22. - №. 13. - С. 2071-2091.
