Термически модифицированные пленки на основе хитозана и антибиотиков цефалоспоринового ряда Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.64:536

ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И АНТИБИОТИКОВ ЦЕФАЛОСПОРИНОВОГО РЯДА

© Е. И. Кулиш1*, Н. Р. Резяпова1, Р. Х. Мударисова2, Л. Г. Кузина1, С. В. Колесов1

1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел.: +7 (347) 273 66 08.

2Институт органической химии Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Е-таіІ: аІгпакиІізк@гатЬІгг. ги

Для пленок хитозана, полученных из растворов в уксусной кислоте и содержащих антибиотики цефалоспоринового ряда — цефазолин и цефотоксим, показана принципиальная возможность регулирования их транспортных свойств в отношении выхода лекарственных препаратов путем проведения термической модификации пленок, заключающейся в прогреве сформированных пленок при температуре 120 °С.

Ключевые слова: хитозан, полимерные пленки, термическая модификация, антибиотики.

Разработка новых методов местного лечения ран и ожогов с использованием полимерных раневых покрытий с заданными свойствами - одно из быстро развивающихся направлений биомедицины [1]. Вместе с тем проблема выбора материала, подходящего для использования во всех фазах раневого процесса при ожогах различной глубины и хирургических ранах, далека от разрешения. Сегодня сформулирован ряд требований к идеальному раневому покрытию, которое должно: 1) создавать оптимальную микросреду для заживления ран; 2) обладать высокой абсорбционной способностью в отношении раневого экссудата; 3) предотвращать проникновение микроорганизмов; 4) иметь достаточную газопроницаемость для обеспечения протекания ре-паративных процессов; 5) иметь эластичность, возможность моделирования поверхностей со сложным рельефом; 6) не иметь местного раздражающего и аллергического действия. Кроме того, весьма желательны следующие свойства: 1)прозрачность, обеспечивающая возможность наблюдения за раной; 2) способность выступать носителем лекарственных веществ; 3) биодеградируемость; 4) хорошая совместимость с тканями организма. Перспективным вариантом решения проблемы создания нетравмирующих сорбирующих покрытий является применение покрытий на основе биодеградируемых, не нуждающихся в смене полимеров, например, полисахарида природного происхождения - хитозана (ХТ).

Уникальные свойства аминополисахарида хитозана - биосовместимость с тканями организма, бактериостатичность, способность усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, прекрасная хелатирующая способность [2-3], а также способность к пленкообразованию, предопределяют возможность использования ХТ в качестве пленочных покрытий пролонгированного действия для защиты и лечения хирургических ран и ожогов. Целью данной работы стало создание лекарственных хитозановых пленок с регулируемыми транспортными свойствами в отношении иммобилизованных лекарственных препаратов - антибиотиков цефазолина и цефотоксима.

В качестве объектов исследования использован образец ХТ (ТУ 9289-067-00473124-03), производства ЗАО «Биопрогресс» (Россия), полученный щелочным дезацетилированием крабового хитина (степень дезацетилирования ~84%), с Мп = 90000 и антибиотики цефалоспоринового ряда це-фазолин (ЦФЗ) и цефотоксим (ЦФТ). Пленки ХТ получали методом полива раствора полимера в уксусной кислоте на поверхность стекла. Массовая концентрация полимера в исходном растворе составляла 2 г/дл, концентрация уксусной кислоты -1 и 70 г/дл. Водный раствор антибиотика добавляли к раствору ХТ непосредственно перед формированием пленок. Толщина пленок во всех экспериментах поддерживалась постоянной и равной 0.1 мм. Кинетику высвобождения ЦФЗ и ЦФТ из пленочных образцов ХТ в водную среду изучали спектрофотометрически по оптической плотности А при 1 = 270 нм и 1 = 262 нм, соответствующей максимуму поглощения ЦФЗ и ЦФТ, соответственно. Для предотвращения растворимости пленки в воде ее подвергали термической модификации, заключающейся в прогреве сформированной пленки при температуре 120 °С в течение 15-200 минут [4]. Содержание лекарственного препарата в пленке составляло 0.1 моль/моль. ИК-спектры образцов записывали на спектрометрах 8ресоМ М-80 и 8Ыша-(таблетки КБг, пленки) в области 700-3600 см-1. УФ-спектры всех образцов снимали в кварцевых кюветах толщиной 1 см относительно воды на спектрофотометре 8ресоМ М-40 в области 220-350 нм.

При разработке материалов, используемых для пролонгированной терапии, одной из важнейших проблем, определяющих эффективность лечебного действия, является регулирование скорости перехода лекарственного вещества в рану. Если лекарственное вещество не связано ковалентной связью с полимерной матрицей, его выделение происходит за счет диффузии в окружающую среду из набухшей полимерной системы. Поэтому регулирование кинетики выделения лекарственных препаратов

* автор, ответственный за переписку

осуществляется в основном с использованием двух принципиальных подходов: 1) изменения условий формирования структуры полимерной матрицы и 2) модификации сформированной структуры полимерной матрицы. При использовании первомго подхода, формирование структур, характеризующихся различной плотностью упаковки и соответственно различными объемами межструктурных областей, может быть достигнуто, например, за счет варьирования качества используемого растворителя или изменения временных факторов получения пленок. Известно [5], что концентрация уксусной кислоты в растворе, существенным образом сказывается на степени протонирования аминогрупп ХТ аи, соответственно, вязкости растворов ХТ. Эквимольное соотношение уксусная кислота :ХТ обеспечивает достижение величин а не превышающих 0.5-0.7. Соответственно, в разбавленной уксусной кислоте (1-2% масс.) растворы ХТ характеризуются невысокой вязкостью и компактной формой макромолекул. Повышение концентрации уксусной кислоты сопровождается повышением вязкости раствора. Кроме влияния концентрации уксусной кислоты на степень протонирования ХТ, необходимо учесть тот факт, что растворы с различным содержанием уксусной кислоты являются растворителями разного термодинамического качества по отношению к ХТ. Наибольшим сродством к ХТ характеризуются растворы 70%-ной уксусной кислоты. Как следствие, абсолютная вязкость достигает своего максимума именно для растворов ХТ в 70%-ной уксусной кислоте. Столь существенное различие в структуре исходных растворов сохраняется, очевидно, и в структуре пленок, сформированных из растворов, что может найти свое отражение в их транспортных свойствах.

Однако, сформированная из уксуснокислых растворов хитозановая пленка в солевой форме содержит МН3+-группы и растворяется в воде, поэтому оценить возможный вклад влияния структуры полимерной матрицы на выход лекарственного вещества из пленки без применения второго подхода - модификации хито-зановой пленки, не представляется возможным.

Термическая обработка пленок сопровождается удалением связанной аминогруппами уксусной кислоты и принципиально может привести к протеканию процесса амидирования с образованием хитиновых звеньев и, следовательно, к уменьшению сродства пленки к воде. Предположительно реакции, протекающие в процессе термообработки, описываются следующей схемой:

-:ЫНз+ “ОСОСН3

нагревание

-ЫН3+ " ОСОСН3'

-ЫН3+ ■ ОСОСН3

-Н2О, - СН3СООН

-ЫН3+ “ОСОСН3

-ЫН,

-ЫНСОСН3

Факт образования амидных групп в прогретых пленках подтверждается значительным усилением в ИК-спектрах полосы амид I в области 1630-1550 см-1. Кроме того, наблюдается уменьшение интенсивности поглощения валентных колебаний гидроксильных групп и появление характерного для валентных колебаний аминогрупп плеча в области 35003000 см-1. Эти данные свидетельствуют о том, что при прогреве действительно постепенно увеличивается и глубина прохождения реакции амидирова-ния и отщепление уксусной кислоты.

Так как термическая обработка пленок приводит к потере растворимости в воде, увеличение времени термообработки затрудняет высвобождение антибиотиков из полимерной матрицы и соответственно уменьшает скорость выхода лекарственных веществ из пленок. Варьируя условия термообработки, можно варьировать и транспортные свойства пленок. Действительно, как видно из рис. 1, в случае водорастворимой пленки, не подвергнутой термомодификации, лекарственное вещество переходит полностью в раствор в течение 15-30 минут (кривая 1), что сопоставимо со временем растворения пленки в воде.

Рис.1.Кинетическая кривая выхода ЦФЗ из пленки, полученной из 1%-ной уксусной кислоты не прошедшей (1) и прошедшей термическую модификацию в течение 15 (2), 30 (3) и 60 (4) минут. Линией отмечено значение оптической плотности соответствующей максимальному содержанию ЦФЗ в пленке, равному 0.1 моль/моль ХТ.

Термически модифицированные пленки ведут себя иначе: происходит существенное замедление выхода лекарственного вещества из пленки. Как видно из кривых 2-4 рис. 1, в течение первых 10-20 ч происходит выделение лекарственного препарата с постоянной скоростью, далее выход замедляется и на 7-10 сутки концентрация лекарственного вещества в водной фазе достигает постоянного значения. При этом, чем большее время пленка подвергалась термообработке, тем меньше скорость и предельный выход антибиотика из пленки (рис. 2, табл.).

Учитывая факт нерастворимости модифицированной пленки в воде, появляется возможность проследить влияние структуры полимерной матрицы на скорость и степень выхода лекарственного вещества из пленки. Как видно из данных таблицы, высвобождение антибиотиков из пленок, полученных из 70%-ной кислоты, происходит несколько быстрее, нежели при использовании 1%-ной уксусной кислоты. Соответственно скорости изменяется и предельный выход лекарственного препарата из пленок. Данный факт вполне понятен, если учесть, что плотность и упорядоченность пленок, сформированных из растворов в концентрированной кислоте ниже, чем у пленок, полученных при использовании 1%-ной кислоты.

Таким образом, найдены пути, позволяющие регулировать степень и скорость выхода лекарственного вещества путем варьирования времени термообработки пленок и концентрации уксусной кислоты в исходном растворе. Для обеих изученных систем -хитозан-ЦФЗ и хитозан-ЦФТ показано, что:

1)увеличение времени прогрева пленки при температуре порядка 120 °С сопровождается постепенным закономерным уменьшением скорости и степени высвобождения антибиотиков;

2) скорость и степень выхода лекарственных препаратов из пленок определяется помимо времени прогрева также концентрацией уксусной кислоты в исходном растворе, определяющей надмолекулярную структуру пленок. Увеличение концентрации уксусной кислоты способствует большей полноте выхода антибиотиков из пленок.

Таблица

Влияние условий получения и модификации пленок хитозана на транспортные свойства пленок (начальную скорость и предельный выход антибиотиков из пленки).

антибиотик С % '-'кислоты? /и масс. время термообработки пленок, мин Начальная скорость, Q*/ч Предельный выход, Q*

1 15 2.80 80

1 30 2.55 76

1 60 2.20 65

1 120 2.0 57

ЦФЗ

70 15 2.85 84

70 30 2.65 79

70 60 2.35 66

70 120 2.1 57

1 15 2.85 81

1 30 2.60 77

1 60 2.20 64

1 120 2.00 56

ЦФТ

70 15 2.90 84

70 30 2.70 78

70 60 2.35 67

70 120 2.15 57

Q* — % масс. ЦФЗ от его исходного количества, введенного в пленку.

А

0.5

15 30 60 120

I, мин.

Рис.2. Зависимость значения оптической плотности раствора, соответствующего предельному выходу ЦФЗ(1) и ЦФТ (2) из пленок, сформированных в 1%-ной уксусной кислоте, от времени термической обработки пленок.

На рис. 3 показаны изменения, происходящие в УФ-спектрах пленочных образцов ХТ-ЦФЗ и ХТ-ЦФТ при их термической обработке. Как видно из рисунков, с увеличением времени прогрева пленок происходит значительное смещение полосы поглощения в длинноволновую область на 30-40 нм и изменение ее интенсивности, что свидетельствует об изменениях, претерпеваемых полимерной матрицей. Термообработка индивидуальных лекарственных соединений не сопровождается изменениями их электронных спектров.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и республики Башкортостан (грант р_поволжье_а №08-03-97030)

ЛИТЕРАТУРА

1. Марквичева Е. А. // Хитин и хитозан: получение, свойства

и применение. М.: Наука, 2002. С. 315-326.

2. Muzzarelli R. A. A. Chitin. Oxford: Pergamon Press, 1977. -309 p.

3. Алексеев В. Л., Евмеенко Г. А. // Высокомолек.соед. 1999. Т. 41А. №9. C. 1487-1497.

4. Вихорева Г. А., Роговина С. З., Пчелко О. М., Гальбрайх Л. С. //

Высокомолек. соед. 2001. Т. 43Б. №6. С. 1079-1084.

5. Агеев Е. П., Вихорева Г. А., Матушкина Н. Н. // Высокомолек.соед. 2000. Т. 42А. №2. С. 333-339.

Поступила в редакцию 05.05.2009 г.