CC BY
4
УДК 544.777
Рыжова А.С., Колосова О.Ю., Лозинский В.И.
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ВЫСВОБОЖДЕНИЯ ГЛИЦИНА ИЗ МАТРИЦЫ КРИОГЕЛЕЙ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ ГЛИЦИНА В ГЕЛЕВЫЙ НОСИТЕЛЬ
Рыжова Александра Сергеевна, студентка 4 курса Факультета химико-фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, e-mail: alex.r@internet.ru;
Колосова Ольга Юрьевна, старший научный сотрудник, к.х.н. Институт элементоорганических соединений Российской Академии Наук им. А. Н. Несмеянова;
Лозинский Владимир Иосифович, д.х.н., профессор, заведующий лабораторией криохимии биополимеров, Институт элементоорганических соединений Российской Академии Наук им. А. Н. Несмеянова, Москва, Россия 119334, Москва, ул. Вавилова, д.28.
В последнее время криогели поливинилового спирта все более популярны в качестве носителей для депо-форм биологически активных веществ. В данной работе были изучены криогели поливинилового спирта, сформированные методом «замораживания-оттаивания» растворов поливинилового спирта с добавками различной концентрации глицина. Также образцы, содержащие добавки глицина получены, методом насыщения исходных криогелей поливинилового спирта. Изучено влияние глицина на физико-химические и термические характеристики полученных материалов. Также изучена кинетика высвобождения глицина из гелевой матрицы. Ключевые слова: криогели ПВС, криотропное гелеобразование, депо-форма
STUDY OF THE KINETICS OF GLYCINE RELEASE FROM THE POLY(VINYL ALCOHOL) CRYOGEL MATRIX DEPENDING ON THE METHOD FOR GLYCINE INTRODUCING INTO THE GEL CARRIER
Ryzhova A.S.1, Kolosova O.Yu.2, Lozinsky V.I.2
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
2 A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia Recently, cryogels ofpolyvinyl alcohol) have become increasingly popular as carriers for depot forms of biologically active substances. In this work, cryogels of poly(vinyl alcohol), formed by the method of "freezing-thawing" solutions of poly(vinyl alcohol) with additives of various concentrations of glycine, were studied. Also, samples containing glycine additives were obtained by the method of saturation of the initial poly(vinyl alcohol) cryogels. The effect of glycine on the physicochemical and thermal characteristics of the obtained materials has been studied. The kinetics of glycine release from the gel matrix was also studied. Keywords: cryogels PVA, cryotropic gelation, depo-form
Криогели поливинилового спирта (КГПВС) -гетерофазные макропористые полимерные гели, образующиеся в результате замораживания, выдерживания в замороженном состоянии и последующего оттаивания концентрированных растворов данного полимера [1]. Характерными особенностями этих физических (нековалентных) гелевых материалов являются высокая прочность в сочетании с эластичностью, наличие системы взаимосвязанных макропор, превосходная биосовместимость и нетоксичность. Поэтому криогели ПВС применяют для биомедицинских и биотехнологических целей, например, в качестве покрытий на раны, систем доставки лекарств, искусственных хрящей и т. д.
При этом, на физико-химические свойства и текстуру (морфологию) КГПВС влияют различные факторы. Это и характеристики используемого полимерного предшественника, т.е. поливинилового спирта (ПВС): его молекулярная масса, содержание остаточных О-ацильных группировок, тактичность цепей; а также концентрация полимера в исходном растворе, природа растворителя и условия криогенной обработки - температуры замораживания, продолжительности выдерживания в
замороженном состоянии, скорости оттаивания, числа циклов замораживания-оттаивания. Также влияние оказывают и различные низкомолекулярные добавки, вводимые в исходный раствор поливинилового спирта до криогенной обработки [2].
Известно, что некоторые низкомолекулярные добавки обладают хаотропной природой и ведут к разрушению водородных связей в гелевой матрице, что приводит к существенному понижению жесткости и температуры плавления криогелей и делает такие образцы непригодными для использования в качестве «депо-формы» биологически активных веществ. В этой связи, необходимо было изучить влияние добавок фармакологически важной аминокислоты - глицина (рис. 1) на физико-химические и теплофизические свойства криогелей поливинилового спирта, а также изучить кинетику высвобождения глицина из матрицы криогеля. Также было проведено сравнение способов введения вещества в матрицу криогеля: 1 -непосредственно в исходный раствор полимера до криогенной обработки и 2 - насыщение раствором глицина уже сформированный криогель ПВС.
о
II
^^ он
Рис. 1. Формула глицина
Глицин — аминокислота, входящая в состав многих биологически активных соединений и белков в организме; в промышленных масштабах его получают из гидролизатов соевого белка. Глицин широко используется в фармацевтической, пищевой, косметической промышленности. В лечебных целях используются свойства глицина оказывать благотворное воздействие на регуляцию обмена веществ, снижение психоэмоционального напряжения, нормализацию процессов защитного торможения в ЦНС, повышение умственной работоспособности, снижение тяги к сладкому, уменьшение токсического действия лекарственных средств и алкоголя. Глицин входит в состав белков кожи человека. При попадании на кожу с кремом или маской глицин помогает увлажнению, улучшению обменных процессов в клетках, защите клеточных мембран от вредоносного воздействия свободных радикалов и замедлению процессов преждевременного старения кожи. Глицин замедляет дегенерацию мышечной ткани, так как является предшественником креатина - вещества, содержащегося в мышечной ткани и используемого при синтезе ДНК и РНК. Глицин полезен для восстановления поврежденных тканей, так как улучшает процессы кровообращения и микроциркуляции крови. Благодаря маленькому размеру молекулы этой аминокислоты способны проникать в кожу глубже, чем белки и пептиды [3].
Криогели поливинилового спирта были сформированы из растворов с концентрацией полимера 100 г/л, непосредственно в раствор вносили добавки глицина, концентрацию глицина варьировали от 0.1 до 1.0 моль/л. Контейнеры с растворами полимера с добавками глицина переносили в камеру прецизионного программируемого криостата БР45 НР (ШаЬо, Германия), где образцы замораживали и инкубировали при -20°С в течение 12 ч, а затем оттаивали со скоростью 0.03°С/мин, которая задавалась микропроцессором криостата. При выборе режима криогенной обработки мы отталкивались от результатов исследований, полученных ранее в нашей лаборатории и выбрали наиболее оптимальный режим для получения криогелей ПВС.
Известно, что криогенная обработка концентрированных растворов поливинилового спирта приводит к образованию упруговязких макропористых гелей - так называемых криогелей
ПВС. Полный цикл такой криогенной обработки включает три основных этапа:
I - замораживание исходного раствора полимера;
II - выдерживание образцов в замороженном состоянии;
III - оттаивание замороженных препаратов.
Собственно криотропное гелеобразование ПВС
протекает в основном в ходе этапа III криогенной обработки в области субнулевых температур во время постепенного нагревания замороженной системы. Если нагревание осуществляется с высокой скоростью (5-10°С/мин и выше), то криогель не формируется вовсе - после такого быстрого оттаивания образуется вязкая и мутная (гетерогенная) жидкость. Поскольку криотропное гелеобразование в неглубоко замороженных полимерных системах вообще происходит в так называемой незамершей жидкой микрофазе, где вследствие эффектов криоконцентрирования вязкость очень высока, то желирующей системе нужно некоторое время для перехода золь-гель. Другими словами, этот процесс - довольно медленный, поэтому для получения прочного и теплостойкого КГПВС необходимо
продолжительное пребывание размораживаемого образца в зоне субнулевых температур, оптимальных для такого гелеобразования (от -4 до -2°С) в случае системы ПВС-вода. Поэтому при выполнении данного исследования мы с помощью программируемого криостата строго выдерживали режимы охлаждения раствора ПВС при его замораживании, дальнейшего термостатирования замороженных образцов и их нагревания в ходе оттаивания.
Влияние добавок глицина на физико-механические и теплофизические свойства криогелей ПВС
На рисунке 2 приведены графики зависимости модулей упругости и температуры плавления образцов криогелей от концентрации в них глицина. Так, видно, что с повышением концентрации глицина в исходном растворе полимера, жесткость полученных образцов возрастает. В частности, значения модуля Юнга Е вырастает с 10.2 кПа (для образца сформированного без добавок) до 37.3 кПа -при концентрации глицина в исходной системе 1 моль/л, значения условно-мгновенного модуля G0 изменяются от 8.8 кПа - до 36.2 кПа. Температура плавления криогелей ПВС также возрастает с повышением концентрации глицина в исходном растворе. Так, для образца, сформированного без добавок значение температуры плавления составляет 73.0 °С, а для образца, сформированном при концентрации глицина 1 моль/л, значение температуры плавления было 86.7 °С.
353025-
ё 20: ^ 15: 105-
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 концентрация глицина, моль/л
4035 30 25
£ - 20 о
в 15105
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 концентрация глицина, моль/л
О о
К80-
Ъ
С
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Концентрация глицина, моль/л
Рис.2. Зависимости модулей упругости Е и Оо, и температуры плавления криогелей ПВС от концентрации глицина в исходном растворе полимера
Таким образом, присутствие добавок глицина повышает жесткость и теплостойкость криогелей ПВС. Очевидно, глицин проявляет космотропные свойства подобно трегалозе и гидроксипролину [4]. Таким образом, при увеличении содержания космотропных добавок в исходной системе формирование зон микрокристалличности (образование узлов физической сетки криогеля ПВС) происходит эффективнее, чем в системе без добавок.
Изучение кинетики высвобождения глицина из
матрицы криогелей ПВС Для изучения кинетики высвобождения глицина из матрицы криогеля ПВС образец, объемом 1.6-1.8 см3 сформированный при концентрации глицина 0.1 моль/л помещали в 10 мл воды. Через определенные промежутки времени отбирали пробы по 100 мкл. Содержание глицина в них определяли количественной - нингидриновой реакцией. По результатам спектрофотометрического анализа построена кинетическая кривая высвобождения глицина из гелевой матрицы (рис 3).
18-
■з 1(Н г
| 14 х
2 12-1 (О
Е ю
8 64 20
50
100 150
время, мин
200
250
Рисунок 3. Кинетика высвобождения глицина из криогеля ПВС
Показано, что высвобождение глицина из криогелей ПВС протекает свободно и равновесная концентрация добавки достигается примерно за 2 часа.
Изучение абсорбции глицина криогелем ПВС и кинетики высвобождения аминокислоты
Поскольку, благодаря своей пористой структуре, криогели способны впитывать в свою матрицу различные вещества, то следующей задачей работы было насыщение матрицы криогеля ПВС раствором глицина (в определенных концентрациях), а затем изучение кинетики его высвобождения. Для этого были исследованы образцы, сформированные из водных растворов поливинилового спирта такой же концентрации по полимеру, не содержащие добавок глицина. У полученных образцов были измерены модули упругости и объемы образцов. Так, значения модуля Юнга Е и модуля упругости О0 составляли 9.9 и 9.1 кПа, что хорошо согласуется с предыдущими данными. Объем образцов составлял примерно 1.81 см3. Образцы помещались во флакон с водным раствором глицина на 24-48 часов так, чтобы достигалась равновесная концентрация в растворе (0.1, 0.2 и 0.3 моль/л глицина). После этого был измерен объем насыщенного криогеля ПВС (рис. 4). Образцы заметно изменялись: объем образца, насыщенного в растворе глицина с концентрацией 0.1 моль/л, составлял 1.65 см3, а в случае образца, насыщенного в растворе глицина с концентрацией 0.3 моль/л, составлял 1.05 см3, что говорит о влиянии ионной силы системы на степень набухания полимерного каркаса криогелей ПВС.
2 2
2,0
г 1,В
V
II = 1.6
Е
л х 1,4
р
г 1.2
3
ю 1,0
■0,0 0,1 0,2 о,э
КОНЦЕНТРАЦИЯ ГЛИЦИНА Г/ЭЛЬ'Л
Рис. 4. Изменение объемов образцов в зависимости от концентрации глицина в растворе насыщения
85
75
Изучение кинетики высвобождения глицина из матрицы криогеля проводили методом, описанным выше. Было показано, что высвобождение глицина из всех образцов протекает свободно и достигает равновесной концентрации за 3-4 часа (рис. 5).
§ 0,25
5
, 0,20
§ 0,15 | 0,10
5
У 0,05
I® 0,00
х 0 50 100 150 200 250 300 350
о
* t, минуты
Рисунок 5. Кинетика высвобождения глицина из матрицы криогеля ПВС с различными концентрациями глицина: 0.1(1-кривая), 0.2 (2 кривая) и 0.3 моль/л (3 кривая)
Таким образом, в работе была изучена кинетика высвобождения глицина из матрицы криогеля ПВС и показано, что независимо от способа введения глицина в матрицу геля высвобождение вещества проходит свободно и достаточно быстро.
Основываясь на полученных данных, можно говорить о возможном применении криогелей поливинилового спирта в качестве «депо-форм» для доставки данного лекарственного вещества.
Работа выполнена в рамках Государственного задания №075-00697-22-00 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Список литературы
1. Лозинский В.И. Криотропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии. -1998. - Т. 67, №7. - С. 641-655.
2. Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and applications of poly(vinil alcohol) hidrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/ thawing methods // Adv. Polym. Sci.- 2000 -V. 153 - P.37-52.
3. Григорова О.В., Ромасенко Л.В., Файзуллоев А.З., Вазагаева Т.И., Максимова Л.Н., Нарциссов Я.Р. Применение глицина в лечении пациентов, страдающих расстройством адаптации. // Практическая медицина - 2012. - Т. 57. - № 2. - С. 178 - 182.
4. KolosovaO.Yu., Kurochkin I.N., Kurochkin 1.1., Lozinsky V.I. Cryostructuring of polymeric systems. 48. Influence of organic chaotropes and kosmotropes on the cryotropic gel-formation of aqueous poly (vinyl alcohol) solutions // Europ. Polym. J. - 2018 - Vol. 102 - P. 169177.
