CC BY
11
УДК 544.773.33
Трофимова Е.С., Мурашова Н.М.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ ЛЕЦИТИН - ОЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА -ДОДЕКАН - ВОДА
Трофимова Екатерина Сергеевна, аспирант, кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: [email protected]; Мурашова Наталья Михайловна, к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Исследовано влияние биологически совместимого соПАВ - олеиновой кислоты на область существования и реологические свойства системы лецитин - додекан - вода. Изучен структурный переход от органогеля к микроэмульсии при соотношениях [олеиновая кислота]/[лецитин] от 0 до 1,2. Установлено, что присутствие олеиновой кислоты в низких концентрациях приводит к расширению области существования лецитиновых органогелей. При соотношении [олеиновая кислота]/[лецитин]>0,6 в системе лецитин - олеиновая кислота -додекан - вода существует низковязкая обратная микроэмульсия. Полученные данные позволят разработать системы для адресной доставки лекарственных веществ на основе лецитина.
Ключевые слова: микроэмульсия, органогель, обратные мицеллы, лецитин, реологические свойства, наноструктурированные системы, трансдермальный транспорт лекарственных веществ.
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF THE SYSTEM LECITHIN-OLEIC ACID-DODECANE-WATER
Trofimova E.S., Murashova N.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The influence of biologically compatible cosurfactant - oleic acid on the region of existence and rheological properties of the lecithin - dodecan - water system was studied. The structural transition from an organogel to a microemulsion at the ratio [oleic acid] / [lecithin] from 0 to 1.2 was studied. It was found that the presence of oleic acid at low concentrations leads to an expansion of the field of existence of lecithin organogels. At the ratio [oleic acid] / [lecithin]> 0.6 in the lecithin-oleic acid-dodecane-water system, there is a low-viscosity reverse microemulsion. The obtained data will allow developing systems for the targeted drug delivery based on lecithin.
Keywords: microemulsion, organogel, reverse micelles, lecithin, rheological properties, nanostructured systems, transdermal drug delivery
Перспективными системами для адресной доставки лекарственных веществ являются наноструктуры на основе лецитина, такие как органогели и микроэмульсии. Достоинствами самоорганизующихся систем на основе лецитина являются их биосовместимость, возможность солюбилизации биологически активных
водорастворимых веществ, способность ускорять транспорт веществ через кожу, простота получения. Структура лецитиновых органогелей представляет собой пространственную сеть из цилиндрических обратных мицелл. Лецитиновые органогели существуют в системе лецитин -органический растворитель - вода в широкой области концентраций лецитина (от десятых долей до десятков массовых процентов) и узком диапазоне концентрации воды (сотые и десятые доли процента). Гелеобразование, которое начинается при определенном соотношении молярных концентраций воды и лецитина Wo=[H2O]/[лец], сопровождается резким (на несколько порядков) возрастанием вязкости системы и появлением упругих свойств. При этом
происходит переход от сферических мицелл, существующих в безводном растворе, к цилиндрическим. Длинные и гибкие мицеллы лецитина, которые часто называют червеобразными, при превышении определенной пороговой концентрации способны переплетаться между собой и образовывать пространственную структуру геля. Когда концентрация воды превышает предел существования органогеля (Wкр), вязкость системы падает, и наблюдается ее разделение на две или три фазы [1,2].
Микроэмульсии - термодинамически устойчивые изотропные дисперсии масла и воды, содержащие капли нанометрового размера, стабилизированные поверхностно-активным
веществом (веществами). Благодаря присутствию водной и органической фаз, микроэмульсии являются «универсальными растворителями» способными одновременно включать
гидрофильные и гидрофобные вещества. Микроэмульсии обладают значительно большим, по сравнению с мицеллярными системами, внутренним объемом капель, это обеспечивает
большую солюбилизационную емкость таких систем. Поэтому обратные микроэмульсии могут включать водорастворимые лекарственные вещества в более высоких концентрациях, чем обратные мицеллы.
В тройных системах лецитин - масло - вода, т.е. в отсутствии второго ПАВ (соПАВ), лецитин не образует микроэмульсии. Для образования микроэмульсии в системах лецитин - масло - вода требуется присутствие второго специально подобранного поверхностно-активного вещества -соПАВ. Для получения микроэмульсии на основе лецитина было предложено использовать в качестве соПАВ нетоксичное и биологически совместимое вещество - олеиновую кислоту [3].
Целью данной работы являлось изучение реологических свойств системы лецитин - додекан - вода в присутствии биосовместимого соПАВ -олеиновой кислоты.
Исследование системы лецитин - олеиновая кислота - додекан - вода проводили при 25 °С при соотношении а = [олеиновая кислота]/[лецитин] от 0 до 1,2 и фиксированной концентрации лецитина, равной 10 масс. %.
Зависимости динамической вязкости (п, Па*с) от скорости сдвига (у', с-1) (кривые течения) образцов с одинаковым содержанием воды W=5,0 и различной концентрацией олеиновой кислоты представлены на рис. 1. Для сравнения на этом же графике приведена кривая течения органогеля без олеиновой кислоты при W=2,0. Все исследованные образцы представляют собой неньютоновские жидкости, их вязкость снижается с увеличением скорости сдвига. В зависимости от содержания олеиновой кислоты значения вязкости исследованных образцов изменяются на несколько порядков - от десятков Па*с для органогеля без олеиновой кислоты до сотых и тысячных долей Па*с для микроэмульсии при а=0,8 и а=0,9. При низких скоростях сдвига наблюдается существенное снижение вязкости при повышении концентрации олеиновой кислоты. Например, при скорости сдвига 3,0 с-1 вязкость органогеля без олеиновой кислоты равна 22,8 Па*с, для образцов с а=0,1, 0,2 и 0,4 ее величина составляет 2,2, 1,4 и 0,53 Па*с соответственно. Можно предположить, что происходит разрушение пространственной структуры органогеля и постепенный переход к структуре микроэмульсии. Для образцов микроэмульсии при а=0,8 и а=0,9 вязкость при высоких скоростях сдвига становится сопоставима по порядку величин с вязкостью растворителя -додекана, которая равна 1,38*10-3 Па*с.
Рис. 1. Кривые течения образцов в системе лецитин -олеиновая кислота - додекан - вода (С лец = 10 масс. %) с
различным соотношением а= [олеиновая кислота]/[лецитин]: 1 - 0,0; 2 - 0,1; 3 - 0,2; 4 - 0,4; 5 - 0,8;
6 - 0,9.
Для того, чтобы лучше понять структурные переходы в системе лецитин - олеиновая кислота -додекан - вода, было исследовано влияние олеиновой кислоты на верхнюю по воде границу однофазной области (области существования органогеля или микроэмульсии).
Полученные данные позволяют разделить однофазную область на 3 участка:
1. Область соотношений концентраций олеиновой кислоты и лецитина от 0 до 0,2, где наблюдается рост Wкр от 3 до 8 при повышении концентрации соПАВ. Образцы обладают высокой и средней вязкостью и представляют собой гель.
2. Область соотношений концентраций олеиновой кислоты и лецитина от 0,2 до 0,6, в которой наблюдается незначительный рост Wкр с повышением концентрации соПАВ. Это переходная область между областями 1 и 3.
3. Область соотношений концентраций олеиновой кислоты и лецитина от 0,6 до 1,2, где значения Wкр для изученных образцов больше 15. Считается, что систему можно называть микроэмульсией, если значения W превышают 10 или 15, меньшие значения W соответствуют обратным мицеллам [4]. Образцы обладают низкой вязкостью, характерной для микроэмульсий. При увеличении концентрации соПАВ наблюдается сначала значительное расширение однофазной области до Wкр=38 (что соответствует содержанию воды 8,4 масс. %) при а=0,9, а потом снижение Wкр.
С помощью метода динамического светорассеяния было проанализировано влияние концентрации олеиновой кислоты на структуру агрегатов в системе лецитин - олеиновая кислота -додекан - вода (табл.1). Показано, что значения гидродинамического диаметра для образцов с высоким содержанием олеиновой кислоты, соответствующих области 3 (область микроэмульсии), существенно ниже, чем для образцов с низким содержанием соПАВ, соответствующих области органогеля.
Таблица 1. Значения гидродинамического диаметра агрегатов в системе лецитин - олеиновая кислота - додекан - вод а
[олеиновая кислота]/ [лецитин] 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 0,9 1 1,2
W кр 3 7 8 9 13 33 38 25 16
Средний гидродинам. диаметр, нм (при W=5,0) - 9,1±0,5 10,1±0,1 10,1±0,1 8,3±0,5 6,5±0,1 5,2±0,4 5,1±0,3 5,6±0,1
ф Вода
Лецитин
Оленкгаиг кислота
олеиновая кислота
Рис. 2. Схема структурного перехода от лецитинового органогеля, образованного цилиндрическими мицеллами, к
микроэмульсии.
Для образцов с параметром а, равным от 0,1 до 0,4, величины гидродинамического диаметра имеют близкие значения. Можно предположить, что введение олеиновой кислоты до соотношения а<0,4 не приводит к значительному изменению формы агрегатов - мицеллы остаются цилиндрическими, но более короткими. Наблюдаемое снижение вязкости гелей при повышении количества олеиновой кислоты можно объяснить уменьшением прочности пространственной сети геля за счет снижения контурной длины мицелл. При дальнейшем росте концентрации соПАВ форма агрегатов все больше приближается к сферической, пространственная сеть распадается и вязкость системы по порядку величин приближается к вязкости растворителя (рис. 2).
Таким образом, присутствие олеиновой кислоты в низких концентрациях (а=[олеиновая кислота]/[лецитин]<0,2) приводит к расширению области существования лецитиновых органогелей, при этом пространственная структура гелей сохраняется. Рост соотношения а=[олеиновая кислота]/[лецитин] от 0,2 до 0,6 приводит к плавному расширению однофазной области и перестройке структуры агрегатов от обратных цилиндрических мицелл к каплям микроэмульсии. При а>0,6 в системе лецитин - олеиновая кислота -додекан - вода существует низковязкая обратная
микроэмульсия, которая может содержать до 8,4 масс.% воды.
Полученные данные позволят разработать системы для адресной доставки лекарственных веществ на основе лецитина, обладающие широким диапазоном реологических свойств: от органогелей с вязкостью десятки Па*с до микроэмульсий с вязкостью тысячные доли Па* с.
Список литературы
1. Мурашова Н.М., Юртов Е.В. Лецитиновые органогели как перспективные функциональные наноматериалы // Российские нанотехнологии, 2015. Т.10, №7-8. С. 5-14.
2. Yurtov E.V., Murashova N.M. Lecithin Organogels in Hydrocarbon Oil // Colloid Journal. 2003. V. 65, N 1, P. 114-118.
3. Мурашова Н.М., Трофимова Е.С., Юртов Е.В. Композиция на основе лецитина // Патент России № 2620250. 2017. Бюл. № 15.
4. Rakshit A.K., Moulik S.P. Physicochemistry of W/O Microemulsions: Formation, Stability, and Droplet Clustering. In: Fanun M.(Ed.) Microemulsions: Properties and Applications. CRC Press. Taylor &Francis Group, Boca Raton, London, New York. pp. 17-57.
