CC BY
75
УДК 544.725
Э. А. Васильева, А. Б. Миргородская, Г. А. Гайнанова, А. Р. Ибрагимова, Л. Я. Захарова, А. И. Коновалов
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫЕ НАНОКАПСУЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ
И МОДИФИЦИРОВАННОГО ХИТОЗАНА
ДЛЯ ИНКАПСУЛИРОВАНИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ
Ключевые слова: аспирин, послойное осаждение, контролируемое высвобождение.
Синтезированы и охарактеризованы трехслойные нанокапсулы, содержащие аспирин, на основе полиакриловой кислоты и модифицированного хитозана. Предложена спектрофотометрическая методика, позволяющая контролировать высвобождение субстрата из капсул. Показано, что время гидролитического расщепления аспирина, определяемое его проникновением через оболочку капсулы в агрессивную среду, на порядок ниже, чем в случае свободного препарата.
Keywords: aspirin, layer by layer deposition, controlled release.
The three-layered nanocapsules containing aspirin based on polyacrylic acid, and modified chitosan were synthesized and characterized. Spectrophotometry method, allowing the control of release of the substrate from capsules is proposed. It is shown that the period of hydrolytic cleavage of aspirin determined by its penetration through the shell of the capsule in a hostile environment is by an order of magnitude lower than in the case of free drug.
Введение
В настоящее время создание полиэлектролитных микро- и нанокапсул привлекает внимание исследователей всего мира в связи с тем, что они находят широкое применение в фармацевтической, косметической, пищевой, текстильной промышленности, в медицине и сельском хозяйстве [1, 2]. Полиэлектролитные капсулы представляют собой полое пространство, ограниченное тонкой стенкой, сформированной двумя противоположно заряженными полимерами за счет их электростатических взаимодействий. Дизайн и направленная модификация стенки капсулы путем варьирования количества нанесенных слоев, выбора материала оболочки и способа выделения инкапсулированного соединения играют решающую роль в управлении характеристиками и функциями капсулы. Среди различных методик формирования полиэлектролитных капсул на передний план выходит стратегия поочередного наслаивания противоположно заряженных полиэлектролитов -«layer by layer» (LBL).
Ранее [3] нашей исследовательской группой были сформированы полиэлектролитные капсулы на основе полиэтиленимина и полиакриловой кислоты, содержащие п-нитрофениловые эфиры жирных кислот. Выделение этих соединений из капсул удобно контролировать спектрально по полосе поглощения продуктов их гидролиза в видимой части спектра. Кроме того, эфиры жирных кислот можно рассматривать в качестве модели нерастворимых в воде лекаственных средств. В настоящей работе решалась задача увеличения биодоступности получаемых полиэлектролитных капсул, а также проводилось испытание возможностей их использования для капсулирования лекарственных средств.
Увеличение биосовместимости предполагалось достичь заменой синтетического полиэтилени-мина на поликатион природного происхождения -
хитозан. Хитозан - частично дезацетилированное производное хитина [4], которое обладает рядом уникальных физико-химических свойств, характеризуется биосовместимостью и биоразлагаемостью, проявляет антимикробную активность, способно к химической трансформации, что дает возможность получать на его основе различные производные [4].
В качестве поликатиона для формирования полиэлектролитных капсул нами выбран N пальмитоил, М-триметиламмоний, 6-О-гликоль хитозана, для которого ранее были показаны хорошие результаты по доставке лекарственных средств [5, 6]. В качестве субстрата для капсулирования был использован известный лекарственный препарат аспирин (ацетилсалициловая кислота), плохо растворяющийся в воде и проявляющий ряд побочных эффектов при применении. С целью изменения эксплуатационных характеристик аспирина в настоящей работе проведено его инкапсулирование в полиэлектролитные капсулы на основе полиакриловой кислоты (ПАК) и модифицированного хитозана. Методика включала последовательное нанесение противоположно заряженных полиэлектролитов на субстат, предварительно солюбилизированный мицеллами цетилтриметиламмоний бромида. Синтез капсул сопровождался исследованием их физико-химических свойств и определением скорости высвобождения инкапсулированного субстрата.
Экспериментальная часть
В качестве субстрата применяли образцы аспирина (ЛИпеИ), содержащие более 99% основного вещества. Для формирования оболочки полиэлектролитных капсул использовали полиакриловую кислоту (М.м. = 1800 г/моль, и модифицированный хитозан (М.м = 10000 г/моль), синтезированный по методике [7, 8]. Структура хитозана была доказана ЯМР 1Н спектроскопией. Для придания нейтральной молекуле субстрата заряда было использовано кати-онное поверхностно-активное вещество - цетилтри-метиламмоний бромид (ЦТАБ, ЛИпеИ). Гидролиз
капсулированного и свободного аспирина проводили в растворах NaOH.
Синтез полиэлектролитных капсул: в 8 мл водного раствора ЦТАБ с концентрацией 0.01 М при интенсивном перемешивании (1000 об/мин) прикапывали 0.78 мл спиртового раствора аспирина с концентрацией 1 М. Полученную суспензию центрифугировали в течение 15 минут (8000 об/мин), таким образом, отделяли образовавшийся осадок. Далее к этому осадку добавляли 8 мл ПАК с концентрацией 1 мг/мл, и ресуспезировали путем интенсивного перемешивания в течение 5 мин. Затем повторяли процедуру центрифугирования и отделяли осадок. Такую же операцию проводили с хитоза-ном: к осадку добавляли 8 мл раствора хитозана с концентрацией 1 мг/мл, интенсивно перемешивали и центрифугировали. В ходе синтеза поддерживали определенное значение рН растворов полиэлектролитов, доводя их до заданного значения кислотой или щелочью. После осаждения последнего нанесенного слоя (ПАК) отделяли осадок и вносили туда 4 мл бидистиллированной воды, для проведения дальнейших экспериментов и хранения.
Размеры и дзета потенциал полученных полиэлектролитных капсул определяли на фотонном корреляционном спектрометре динамического и электрофоретического рассеяния света Malvern ZetaSizer Nano (Malvern Instruments, Великобритания). Источником лазерного излучения служил He-Ne газовый лазер мощностью 10 мВт и длиной волны 633 нм. Угол рассеяния света составлял 173о. Анализ сигналов осуществляли одноплатным многоканальным коррелятором, сопряженным с IBM PC совместимым компьютером, снабженным пакетом программ для оценки эффективного гидродинамического радиуса диспергированных частиц.
За ходом процесса расщепления аспирина в агрессивной щелочной среде наблюдали по изменению оптической плотности при длине волны 299 нм, что соотвествует поглощению продукта реакции - салицилату натрия, на спектрофотометре «Specord 250» Plus (Германия) в термостатируемых кюветах с длиной поглощающего слоя 1 или 0.5 см.
Результаты и их обсуждение
Аспирин (ацетилсалициловая кислота) широко применяется вот уже более 100 лет, благодаря своему обезболивающему, жаропонижающему, противовоспалительному и антиагрегатному действию. Однако это лекарство имеет ряд существенных ограничений. Введение аспирина в организм в течение длительного времени раздражает желудочно-кишечный тракт. Этот препарат слаборастворим в воде, кроме того может разлагаться с образованием салициловой и уксусной кислот. Процесс гидролиза аспирина может ускоряться в присутствии ферментов или же под действием нуклеофилов. Так, бимолекулярная константа щелочного гидролиза по данным работы [9] равна 14.2-15.6 М-1 мин-1 (37оС). Схема процесса приведена ниже.
Заключение аспирина в полиэлектролитные капсулы может резко повысить эксплуатационные свойства этого препарата за счет 1) получения его
наноразмернои дисперсии и улучшения при этом его фармакокинетических свойств; 2) изменения гидролитической устойчивости; 3) обеспечения пролонгированного действия.
COO
•COO
+ 2HO-
O—с—CH3
II 3
O
ос
э—с—CH3
Схема 1 - Реакция щелочного гидролиза ацетилсалициловой кислоты
Схема процесса капсулирования субстрата представлена на рис. 1.
Рис. 1 - Схематическое представление получения полиэлектролитных капсул
Процесс инкапсулирования предполагает нанесение полиэлектролитов на аспирин, который предварительно солюбилизирован мицеллами ионных ПАВ. При этом образуется комплекс субстрат/ПАВ, который приобретает заряд уже перед нанесением первого слоя полиэлектролита, что усиливает электростатические взаимодействия в системе и предопределяет размер капсулы. По аналогии с нашей предыдущей работой процедура формирования капсул начиналась с образованием комплекса аспирин/ЦТАБ. Далее шло чередование слоев полиакриловой кислоты, частично или полностью переведенной в анионную форму, и модифицированного хитозана. В ходе процесса изменение заряда частиц фиксировали методом электрофоретического рассеяния света. Значение электрокинетического потенциала трехслойной капсулы составляет -30 мВ.
Эффективность электростатического взаимодействия между полиэлектролитами зависит от их степени заряженности. При рН растворов полиэлектролитов от 6 до 8, степень их заряженности макси мальна. В этих условиях синтезированы трехслойные капсулы на основе ПАК и хитозана, содержащие аспирин. Наиболее оптимальные по размерам капсулы были получены при рН 6 - их средний гидродинамический диаметр составлял примерно 150 нм, при этом они характеризовались низкой полидисперсностью. Распределение частиц по размерам, полученное методом динамического рассеяния света, приведено на рис. 2. В отдельных опытах проявлялись более крупные, вероятно слипшиеся, частицы, однако их содержание невелико. Потери аспирина в процессе капсулирования составляли приблизительно 60%.
Важнейшей характеристикой при использовании капсул, является их способность высвобождать субстрат. В каждом индивидуальном случае следует подбирать методы контроля скорости выделения субстрата из капсулы и искать пути ее регулирования. В случае аспирина возможность такого
+ HO
2
O
контроля обусловлена спектральными свойствами продуктов его гидролиза.
вк
12 i! а I
субстрата мицеллами катионного ПАВ, может быть успешно использована и для других соединений, в частности для лекарственных препаратов. Однако следует принимать во внимание, что структура и природа субстрата может влиять на свойства капсулы.
200 300 D(«u)
Рис. 2 - Распределение по размерам для трехслойных капсул на основе ПАК и хитозана, содержащих аспирин; усредненное по числу частиц, 25 С
Изменение оптической плотности раствора в максимуме поглощения при 299 нм, связанное с высвобождением субстрата из капсул, определяется двумя факторами: диффузией аспирина через оболочку капсулы в объемную фазу и скоростью его гидролиза. Процесс гидролитического расщепления сложноэфирных связей и, в частности, гидролиза аспирина, можно сильно ускорить, увеличивая рН среды или добавляя катионные ПАВ [10]. Для того чтобы увеличить вклад диффузионной составляющей и сделать его доминирующим, в качестве агрессивной среды использовали 0.01 М NaOH (рН 12). Сопоставление времени полупревращения свободного и капсулированного аспирина позволяло делать выводы о протекторных свойствах капсул. Время полупревращения свободного субстрата в этих условиях составляет 6 минут, а в тех же условиях для капсулированного субстрата - 80 минут (рис. 3). Следовательно, заключение аспирина в полиэлектролитные капсулы ПАК/хитозан, более чем на порядок замедляет его расщепление в агрессивной среде. Подобные результаты были получены нами и ранее на примере эфиров жирных кислот. Это позволяет сделать вывод о том, что методика капсулирования низкомолекулярных незаряженных соединений в полиэлектролитных капсулах, включающая стадию предварительной солюбилизации
© Э. А. Васильева - мл. науч. сотр. каф. органической химии КНИТУ; мл. науч. сотр. лаб. Высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН, vasilevaelmira@mail.ru; А. Б. Миргородская - к.х.н., ст. науч. сотр. той же кафедры; ст. науч. сотр. той же лаборатории, mirgorod@iopc.ru; Г. А. Гайнанова - к.х.н., доц. каф. физической и коллоидной химии КНИТУ; науч. сотр. каф. органической химии КНИТУ; науч. сотр. той же лаборатории, ggulnara@bk.ru; А. Р. Ибрагимова - к.х.н., науч. сотр. каф. органической химии КНИТУ; науч. сотр. лаб. Высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН, alsu_i@iopc.ru; Л. Я. Захарова — д.х.н., зав. лаб. Высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН; проф. каф. органической химии КНИТУ, lucia@iopc.ru; А. И. Коновалов — акад. РАН, д.х.н., гл. науч. сотр. лаб. физико-химии супрамолекулярных систем ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, konovalov@knc.ru.
© E. A. Vasilieva - junior researcher of Organic Chemistry Department of Kazan National Research Technological University; junior researcher of the laboratory of Highly Organized Media of the A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the Russian Academy of Sciences, vasilevaelmira@mail.ru; A. B. Mirgorodskaya - Ph.D., senior researcher of Organic Chemistry Department of Kazan National Research Technological University; senior researcher of the laboratory of Highly Organized Media of the A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the Russian Academy of Sciences, mirgorod@iopc.ru; G. A. Gaynanova - Ph.D., Assistant Professor of Physical & Colloid Chemistry Department of Kazan National Research Technological University; researcher of Organic Chemistry Department of Kazan National Research Technological University; researcher of the laboratory of Highly Organized Media of the A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the Russian Academy of Sciences, ggulnara@bk.ru; A. R. Ibragimova - Ph.D., researcher of Organic Chemistry Department of Kazan National Research Technological University; researcher of the laboratory of Highly Organized Media of the A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the Russian Academy of Sciences, alsu_i@iopc.ru; L. Ya. Zakharova — Full Professor of Organic Chemistry Department of Kazan National Research Technological University; Head of the laboratory of Highly Organized Media of the A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the Russian Academy of Sciences, lucia@iopc.ru; A. I. Konovalov - academician of the Russian Academy of Sciences, chief researcher of the laboratory of Chemistry and Physics of Supramolecules of the A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry of the Kazan Research Center of the Russian Academy of Sciences, konovalov@knc.ru.
S елойные капсулы
Рис. 3 - Зависимость времени полупревращения свободного и инкапсулированного в трехслойные капсулы аспирина; 25° С
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 12-03-00668).
Литература
1. A. Kowalczuk, R. Trzcinska, B. Trzebicka, A.H.E. Müller, A. Dworak, C. B. Tsvetanov, Prog. Polym. Sci., 39, 43- 86 (2014).
2. A. S. Sergeeva, D. A. Gorin, D. V. Volodkin, BioNanoScience, 4, 1-14 (2013).
3. L.Ya. Zakharova, A.R. Ibragimova, E.A. Vasilieva, A.B. Mirgorodskaya, E.I. Yackevich, I.R. Nizameev, M.K. Kadirov, Yu.F. Zuev, A.I. Konovalov, J. Phys. Chem. C, 116, 18865-18872, (2012).
4. M.N.V. Ravi Kumar, R.A.A. Muzzarelli, C. Muzzarelli, H. Sashiwa, A.J. Domb, Chem. Rev., 104, 6017-6084 (2004).
5. E.C. Goethals, A. Elbaz, A.L. Lopata, S.K. Bhargava, V. Bansal, Langmuir, 29, 658-666 (2013).
6. M.B. Dowling, A.S. Bagal, S.R. Raghavan, Langmuir, 29, 7993-7998 (2013).
7. I.F. Uchegbu, L. Sadiq, M. Arastoo, A.I. Gray, W. Wang, R.D. Waigh, A.G. Schätzlein, Int. J. Pharm. 224, 185-199 (2001).
8. I.F. Uchegbu, A.G. Schatzlein, L. Tetley, A.I. Gray, J. Sludden, S. Siddique, E. Mosha, J. Pharm. Pharmacol., 50, 453-458 (1998).
9. M. Ferrit, C. del Valle, F. Martinez, Eur. J. Pharm. Sci., 31, 211-220 (2007).
10. M. Ferrit, C. del Valle, F. Martinez, J. Mol. Liq., 142, 6471, (2008).
