CC BY
10
УДК 536.6
Мищенко Е.В., Королёва М.Ю., Portnaya I., Danino D.
ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В НАНОЭМУЛЬСИЯХ И ТВЕРДЫХ ЛИПИДНЫХ НАНОЧАСТИЦАХ МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ КАЛОРИМЕТРИИ
Мищенко Екатерина Валерьевна - аспирант 2-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии, mishchenkoek@list.ru;
Королёва Марина Юрьевна - д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, 125047 Москва, Миусская пл., д. 9; Portnaya Irina - Ph.D. Chemistry, senior researcher at the Faculty of Biotechnology and Food Engineering at Technion-Israel Institute of Technology;
Danino Dganit - Ph.D. Chemistry, Professor at the Faculty of Biotechnology and Food Engineering at Technion-Israel Institute of Technology, Technion City, Haifa, 32000, Israel.
В данной работе исследованы характеристики фазовых переходов в жидких и твердых липидных наночастицах. Были исследованы наноэмульсии с каплями дисперсной фазы из углеводородного масла и твердые липидные наночастицы с ядром из стеариновой кислоты. В качестве стабилизаторов были использованы поверхностно-активные вещества Tween 60 и Span 60. На основании данных о температурах плавления твердой оболочки и липидного ядра и энтальпиях плавления была предложена структура липидных наночастиц.
Ключевые слова: наноэмульсия, твердые липидные наночастицы, ДСК, фазовые переходы, энтальпия плавления
STUDY OF PHASE TRANSITIONS IN NANOEMULSIONS AND SOLID LIPID NANOPARTICLES USING DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY
Mishchenko E.V.1, Koroleva M.Yu.1, Portnaya I.2, Danino D.2 1Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia 2Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel
The work investigates the parameters of phase transitions in liquid and solid lipid nanoparticles. Nanoemulsions with droplets of paraffin oil and solid lipid nanoparticles with a stearic acid core were investigated. The surfactants Tween 60 and Span 60 were used as stabilizers. Analyzing the data on the melting temperatures of the solid shell and lipid core of lipid nanoparticles and the melting enthalpies, the structure of lipid nanoparticles was proposed. Key words: nanoemulsion, solid lipid nanoparticles, DSC, phase transitions, melting enthalpy
Разработка нано- и микрокапсул в качестве систем доставки лекарственных соединений (ЛС) является актуальной задачей в последние десятилетия [1-5]. Благодаря использованию твердых липидных наночастиц (ТЛН) и наноэмульсий (НЭ) возможно адресно доставлять труднорастворимые в воде биологически активные вещества. Липидные наночастицы должны состоять из биосовместимых соединений и быть устойчивыми при изменении температур.
Жидкие липиды способны растворят большее количество гидрофобных ЛС, с другой стороны, плотность твердых липидов обычно выше, чем у жидких, что уменьшает вероятность седиментационного разделения системы. Повышение стабильности липидных частиц и снижение инкапсуляции ЛС в зависимости от состояния липидного ядра наблюдается в следующей последовательности: а-модификация; Р'-
модификация; Р-модификация липида. Если ТЛН получают методом горячей гомогенизации, липидное
ядро может иметь а-модификацию, т.е. быть переохлаждённым расплавом, и не подвергаться полиморфному переходу в течение нескольких месяцев. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), используемые для стабилизации липидных частиц, также могут влиять на поведение твёрдой фазы и влиять на скорость и температуру кристаллизации липидов и полиморфных превращений.
При хранении ТЛН могут протекать явления перекристаллизации, которые могут значительно повлиять на свойства и стабильность продукта, а также привести к преждевременному высвобождению ЛС при переходе состояния липида из одной модификации в другую. Перекристаллизация липидов часто приводит к изменению формы сферических частиц в пластинчатую и иглообразную. Поверхность частиц увеличивается, и концентрация ПАВ на поверхности снижается, что может привести к агрегации частиц. Таким образом, тип кристаллической модификации липида, и скорость перехода к более стабильному
состоянию важны для физической стабильности частиц и загрузки ЛС.
В данной работе исследовались ТЛН и НЭ методом дифференциальной сканирующей микрокалориметрии (ДСК). ТЛН состояли из стеариновой кислоты, а НЭ - углеводородного масла. В качестве ПАВ были использованы Tween 60 и Span 60. Липидные наночастицы получали методом температурной инверсии фаз [6].
ДСК анализ был проведён на микрокалориметре VP-DSC (MicroCal Inc., Northampton, MA) в ячейках из сплава тантала. Сканирование при нагревании и охлаждении образцов проводили со скоростью 60 °С/ч. Для каждого образца были проведены следующие эксперименты - два цикла: нагрев-охлаждение от 5 до 60 °С, затем был проведен третий нагрев образца от 5 °С до 95 °С.
Температура плавления углеводородного масла в ядре НЭ <5 °С, поэтому на термограммах (рис. 1а)
присутствуют пики плавления только твёрдых ПАВ. Во всех циклах нагревания на кривых присутствуют слабовыраженный эндотермический пик при ~30 °С и явно выраженный пик при ~37 °С. На кривых охлаждения экзотерические пики смещаются: ~23 °С и ~33 °С. Вероятнее всего, молекулы ПАВ, адсорбируясь на поверхности капель, образуют смешанный слой с температурой плавления 37 °С (33 °С температура затвердевания соответственно). Слабовыраженный пик наиболее вероятно принадлежит областям с повышенным содержанием Tween 60, который имеет более низкую температуру плавления 30 °С (23 °С температура затвердевания). Во всех циклах нагревания и охлаждения положения пиков практически совпадало, что говорит об устойчивости НЭ в данном диапазоне температур. При нагревании НЭ от 5 до 95 °С имеется резкий подъём при температуре ~82 °С, который относится к инверсии фаз.
Рис. 1. Термограмма, полученная при двух циклах нагревание-охлаждение НЭ (а) и ТЛЧ (б) в диапазоне 5-60 °C и третьем нагревании до 95 Скорость нагрева и охлаждения 60 ^/ч.
Кривая первого нагрева ТЛН (рис. 1б) характеризуется только одним четким эндотермическим пиком при ~43 °С. На этой кривой также присутствует небольшой пик при 52-55 °С. Кривые, соответствующие второму и третьему нагреву, характеризуются двумя эндотермическими пиками при ~42,5 °С и ~53 °С. Первая и вторая кривые охлаждения ТЛН имеют экзотермический пик при 50,4-50,7 °С. На этой кривой также присутствует второй экзотермический пик ~37 °С.
Пики при ~43° С на кривых нагрева соответствуют температуре плавления смешанного слоя молекул ПАВ на поверхности ТЛН. Эта температура немного выше, чем у НЭ (37 °С, рис. 1а), поскольку амфифильные молекулы стеариновой кислоты могут встраиваться в поверхностный слой. Температура плавления стеариновой кислоты выше, чем у используемых ПАВ, поэтому температура
плавления поверхностного слоя выше. Следовательно, пики в этом диапазоне температур во время охлаждения соответствуют затвердеванию оболочки ПАВ. Ступенчатое увеличение теплоёмкости при 52-55 °С при первом нагреве соответствует структурному переходу стеариновой кислоты в ядре ТЛН. Причиной плавного перехода может быть то, что ТЛН резко охлаждались на ледяной бане во время приготовления, и кристаллическая структура полностью не сформировалась. Наиболее вероятно, что стеариновая кислота в ядре частицы находилась в состоянии переохлажденного расплава (а-модификация) после получения ТЛН. Это явление типично для липидных эмульсий: медленное охлаждение способствует образованию стабильных кристаллических структур, в то время как высокие скорости охлаждения
приводят к образованию менее стабильных кристаллических структур.
Последующее охлаждение происходило со скоростью 60 °С/ч, т.е. достаточно медленно, поэтому стеариновая кислота частично кристаллизовалась в ядре частиц. Соответственно, резкий эндотермический пик при ~53 °С во время второго и третьего нагревания появляется из-за плавления ядра стеариновой кислоты. Температура этого фазового перехода практически совпадает с температурой
В таблице 1 показаны энтальпии, полученные для циклов нагрева и охлаждения НЭ и ТЛН. Энтальпия плавления стеариновой кислоты в диспергированном состоянии была намного ниже, чем в объемном переохлажденном и объемном состоянии. Такие низкие значения указывают на то, что структура стеариновой кислоты в ядре ТЛН плохо упорядочена. Кроме того, такие низкие значения энтальпии можно объяснить наноразмером частиц.
Энтальпия плавления поверхностного смеси ПАВ в переохлажденном состоянии немного ниже по сравнению с объемным. Теплоты плавления поверхностного слоя ПАВ в НЭ и ТЛН были ниже, чем в переохлажденном состоянии, но для НЭ разброс (11,8^16,3) не превышал погрешности измерения. Это свидетельствует о том, что в процессе получения образцов на поверхностях капель НЭ и ТЛН сформировалась твердая оболочка ПАВ. Твердая оболочка расплавлялась при повышении температуры, но снова затвердевала после охлаждения до температуры ниже температуры плавления.
Предположено, что НЭ состоят из жидкого ядра углеводородного масла и твердой оболочки, образованной ПАВ Tween 60 и Span 60. После получения ТЛН состоят из липидного ядра, образованного переохлажденным расплавом стеариновой кислоты и покрыты твердым ПАВ с небольшими включениями стеариновой кислоты.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и МНТИ в рамках научных проектов № 19-53-06014 и 3-16496.
плавления объемной переохлажденной стеариновой кислоты, равной ~52 °С. Таким образом, пик при более низких температурах связан с плавлением или кристаллизацией оболочки ПАВ, а пик при более высоких температурах связан с плавлением или затвердеванием стеариновой кислоты. Резкое увеличение теплоёмкости при 65 °С на третьей кривой нагрева от 5 до 95 °С можно объяснить инверсией фаз в суспензии ТЛН.
их компонентах
Список литературы
1. Koroleva M.Y., Nagovitsina T.Y., Bidanov D.A., Gorbachevski O.S., Yurtov E.V. Nano and microcapsules as drug-delivery systems // Resource-Efficient Technologies, 2016, V. 2. P. 233-239.
2. Мищенко Е.В., Гилёва А.М., Курбанова Л.А., Марквичева Е.А., Королёва М.Ю. Исследование свойств твёрдых липидных наночастиц на основе стеариновой кислоты // Химия и технология биологически активных веществ для медицины и фармации, 2021, С. 61.
3. Mischenko E., Portnaya I., Danino D., Koroleva M. Thermal properties of solid lipid nanoparticles // Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные проблемы и перспективы, 2020, C. 54.
4. Королева М.Ю., Юртов Е.В., Наноэмульсии: свойства, методы получения и перспективные области применения // Успехи химии, 2012, Т. 81, C. 21-43.
5. Koroleva M., Nagovitsina T., Yurtov E. Nanoemulsions stabilized by non-ionic surfactants: stability and degradation mechanisms // Physical Chemistry Chemical Physics, 2018, V. 20, P. 1036910377.
6. Koroleva M.Y., Nagovitsina T.Y., Yurtov E.V. Properties of nanocapsules obtained from oil-in-water nanoemulsions // Mendeleev Communications, 2015, V. 25, P. 389-390
Таблица 1. Энтальпии (Дж/моль) фазовых переходов в НЭ и ТЛН и
^\Состояние Вещество Объёмное состояние Переохлаждённое объёмное состояние Липидные наночастицы
Стеариновая кислота 61,9±1,5 23,7±1,1 ТЛН
0,9±0,1
Tween 60/Span 60 16,3±0,8 13,0±0,8 ТЛН
8,4±0,5
НЭ
11,8±0,8
