Транспортные характеристики полимерных систем на основе хитозана и лекарственных веществ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.64:536

ТРАНСПОРТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

© Е. И. Кулиш1*, А. С. Шуршина1, С. В. Колесов2

1Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 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. E-mail: [email protected]

Исследована кинетика контролируемого высвобождения лекарственных веществ из пленок на основе полимера хитозана и рассчитаны соответствующие коэффициенты диффузии. Изучены кинетические кривые высвобождения антибиотиков, имеющие аномальный характер. Анализ полученных данных показал, что мягкая химическая модификация является возможным направлением контроля транспортных свойств лекарственных хитозановых пленок.

Ключевые слова: хитозан, лекарственное Введение

В последнее время наблюдается значительный интерес к изучению диффузионных явлений в полимерах. Это объясняется тем, что диффузия играет важную роль в развитии мембранной технологии, создании эффективных противокоррозионных полимерных покрытий, описании кинетики фазовых распадов и структурообразования и т. д. [1]. Изучение диффузии электролитов из полимерной матрицы необходимо и при создании полимерных пленок с контролируемым высвобождением лекарственного вещества.

Целью данной работы стало исследование закономерностей процессов диффузии лекарственного вещества в полимерных пленках и возможностей контроля высвобождения лекарственных препаратов. В качестве матрицы для иммобилизации лекарственных препаратов использован полисахарид природного происхождения хитозан, в качестве лекарственных средств - антибиотики амикацин и цефазолин.

Экспериментальная часть

Использовали образец хитозана (ХТЗ) производства ЗАО «Биопрогресс» (Россия), полученный щелочным дезацетилированием крабового хитина (степень дезацетилирования ~84%) с М8<1=334000. В качестве лекарственного вещества (ЛВ) использовали амикацин (АМС, антибиотик аминогликозид-ного ряда) и цефазолин (ЦФЗ, антибиотик цефа-лоспоринового ряда). Химические формулы объектов исследования и их условные обозначения приведены в табл. 1.

Пленочные образцы получали методом полива раствора полимера в 1%-ной уксусной кислоте на поверхность стекла с получением пленок ацетата хитозана (ХТЗА). Водный раствор антибиотика добавляли к раствору ХТЗ непосредственно перед формированием пленок. Содержание ЛВ в пленке составляло 0.01, 0.05 и 0.1 моль/моль ХТЗ. Толщина пленок во всех экспериментах поддерживалась

вещество, диффузия, аномальный характер.

постоянной и равной 100 мкм. Для изучения кинетики высвобождения ЛВ образец помещали в ячейку с дистиллированной водой. Выделившийся в водную фазу антибиотик регистрировали спектро-фотометрически при длине волны, соответствующей максимуму поглощения в УФ-спектре ЛВ. Количество ЛВ, высвободившегося из пленки к моменту времени /(вэ) оценивали по калибровочной кривой. Момент установления в растворе постоянной концентрации ЛВ считали моментом установления равновесия. Массовую долю ЛВ (а), доступную для диффузии, оценивали как отношение количества выделившегося из пленки антибиотика к его общему количеству, введенному в пленку. Для предотвращения растворения пленки в воде проводили изотермический отжиг пленочных образцов при температуре 120 °С.

Изучение взаимодействия ЛВ с ХТЗ проводилось методами ИК- и УФ-спектроскопии. ИК-спектры образцов регистрировали с помощью спектрометра «ЭЫша^и» (таблетки КВг и пленки) в области 700-3600 см-1. УФ-спектры всех образцов регистрировали в кварцевых кюветах толщиной 1 см относительно воды с помощью спектрофотометра «ЭресоМ М-40» в области 220-350 нм.

С целью определения массовой доли ЛВ, химически связанного с полимерной матрицей (Р), аддукты взаимодействия ХТЗ с антибиотиком в растворе уксусной кислоты выделяли двухкратным переосаждением в раствор №ОИ с последующей отмывкой выпавшего осадка этиловым спиртом. Осадок высушивали до постоянной массы. Количество ЛВ, связанного с хитозановой матрицей, определяли по данным элементного анализа на анализаторе марки БЦКО ЕА - 3000 и УФ-спектрофотометрически.

Обсуждение результатов

В настоящее время общепринятым является установленный факт, что при контролируемом высвобождении ЛВ из полимерных систем доминируют диффузионные процессы.

* автор, ответственный за переписку

ISSN 1998-4812

Вестник Башкирского университета. 2014. Т. 19. №1

35

Таблица 1

Условные обозначения объектов исследования, используемые в схемах реакций

Формула объекта исследования | Условное обозначение

Мономерное звено ацетата хитозана СШОН

«ллл NH3+CH3COO"

Амикацина сульфат

CH2OH

и

\

OH

ch2nh2

—O

ГУ

OH

2H2SO4

NH

OH

н

N

натриевая соль цефазолина

N-

// \

/

-N О

N

N

СОО"

NH2

N-N

°ч уО

V

х/ v

/ \

NH3 -

о о

NH3+

ЦФЗ-Na+

На рис. 1 представлены типичные экспериментальные кривые выхода антибиотика из хитозано-вых пленок с различным содержанием ЛВ. Все кинетические кривые выходят на явно выраженный предел, соответствующий равновесному выходу ЛВ (О^).

Математическое описание десорбции низкомолекулярного компонента из пластины (пленки) с постоянным коэффициентом диффузии подробно рассмотрено в [2], где в качестве исходного дифференциального уравнения принята формулировка второго закона Фика:

дс

s_ _

= А

д 2с<

(1)

д "" дх2 Решение этого уравнения распадается на два случая: для больших (Оз/О,. > 0.5) и малых (Оз/О,. < 0.5) времен эксперимента: при условии Оз/Ох < 0.5

Рис. 1. Кинетические кривые высвобождения ЛВ из пленочных систем ХТЗ-ЦФЗ с мольным соотношением 1:0.01 (1), 1:0.05 (2) и 1:0.1(3). Продолжительность изотермического отжига - 30 мин.

о.

О = [160//пЬ2]

2П0.5

при условии Ов/О. > 0.5

о

= 1 - [8/п2 ехр(-п2 / Ь2)

(2а),

(2б),

где 08(1;) - концентрация десорбированного вещества в момент времени г и Ох — значение 0з при Ь - толщина пленочного образца.

В случае молекулярной диффузии, подчиняющейся классическому уравнению Фика, следует ожидать равенства коэффициентов Бза = [3]. Однако, как видно из представленных в табл. 2 данных, для всех анализируемых случаев, значения коэффициентов диффузии, рассчитанные на начальном и конечном этапе диффузии не совпадают.

Это свидетельствует об отклонении механизма диффузии от классического типа и позволяет предположить так называемый псевдонормальный механизм диффузии ЛВ из хитозановой матрицы.

О псевдонормальном типе диффузии ЛВ свидетельствует также вид кинетических кривых, построенных в координатах 0з/0х — 11/2 (рис. 2). В случае простой диффузии, зависимость высвобождения ЛВ из пленочных образцов в координатах 0з/Ох — 11/2 должна была бы спрямляться при всех временах эксперимента. Однако, как видно из данных рис. 2, линейный участок наблюдается только на участке 0з/0х < 0.5, после чего скорость высвобождения антибиотика существенно уменьшается.

При диффузии ЛВ из пленок имеют место аномально низкие значения параметра п, оцениваемого по тангенсу угла наклона в координатах ^ (0з/0х) - ^ 1. Увеличение концентрации ЛВ и времени изотермического отжига сопровождается дополнительным уменьшением параметра п. Симбат-но показателю п изменяется и величина а.

Все известные типы аномалий диффузии, могут быть описаны в рамках релаксационной модели [4]. В отличие от фиковской диффузии, предполагающей мгновенное установление и изменение поверхностной концентрации сорбата, релаксационная модель предполагает изменение концентрации в поверхностном слое по уравнению первого по-

рядка [5]. Одной из основных причин, вызывающих изменение граничных условий, называют неравновесность структурно-морфологической организации полимерной матрицы [4]. Отметим, что аномально низкие значения п наблюдали и другие исследователи, объясняя их сильным взаимодействием ЛВ с полимером [6].

0,80

0.40

0.20

2 4 6 8 10 12 14 16 ,,

ч

Рис. 2. Кинетические кривые высвобождения ЛВ из пле-

ночных систем ХТЗ-АМС с мольной концентрацией 0.01

(1), 0.05 (2) и 0.1 (3). Продолжительность изотермическо-

го отжига - 30 мин.

Строение использованных лекарственных соединений позволяет предположить и их химическое взаимодействие с ХТЗ, например, образование комплексов ХТЗ — антибиотик за счет водородных связей и/или полимерных солей, образуемых в результате обменного взаимодействия. О взаимодействии между антибиотиками и ХТЗ свидетельствуют данные УФ-спектроскопии. Максимум поглощения ЦФЗ при концентрации 10 5 моль/л в 1%-ной уксусной кислоте наблюдается при 273 нм. При добавлении в раствор эквивалентного количества ХТЗ, интенсивность пика поглощения лекарственного препарата заметно возрастает, а максимум поглощения батохромно сдвигается примерно на 5-

10 нм. УФ-спектр АМС при концентрации 10-2

моль/л в 1%-ной уксусной кислоте характеризуется

Таблица 2

Параметры десорбции АМС и ЦФЗ в пленках на основе ХТЗ

Состав Концентрация ЛВ в пленке, моль/моль Время отжига, В5а х 1011, В5Ь х 1011, п а

пленки ХТЗ мин см2/с см2/с

30 24.6 1.9 0.30 0.94

1:0.01 60 23.0 1.8 0.22 0.90

ХТЗ-АМС 120 21.1 1.4 0.20 0.85

1:0.05 30 24.0 1.8 0.18 0.80

1:0.1 30 23.3 1,5 0.16 0.70

30 209 2.4 0.39 0.97

1:0.01 60 202 2.3 0.35 0.93

ХТЗ-ЦФЗ 120 194 2.1 0.31 0.90

1:0.05 30 190 2.5 0.33 0.95

1:0.1 30 183 2.5 0.29 0.90

ISSN 1998-4812

Вестник Башкирского университета. 2014. Т. 19. №1

37

наличием максимума поглощения при 267 нм. Добавление к раствору АМС раствора ХТЗ приводит к выпадению осадка, однако анализ надосадочной жидкости показывает, что в ее спектре происходит сдвиг максимума поглощения соответствующей полосы на 5-7 нм. Наблюдаемые изменения однозначно свидетельствуют о воздействии ХТЗ на электронную систему ЛВ и образовании аддуктов. Энергии связи в комплексах, оцененные по сдвигу максимумов поглощения в УФ-спектрах, составляют порядка 10 кДж/моль. Это позволяет предположить, что комплексообразование осуществляется посредством водородных связей. Взаимодействие изучаемых антибиотиков с ХТЗ подтверждается и данными ИК-спектроскопии. Например, в ИК спектре ХТЗ наблюдаются полосы поглощения в области 1640 см-1 и 1560 см-1, соответствующие деформационным колебаниям ацетамидной и аминогруппы и наличие полос при 1458 и 1210 см-1 -плоскостные деформационные колебания гидро-ксильных групп. Анализ ИК-спектров аддуктов взаимодействия ХТЗ с антибиотиками позволяет говорить о ряде изменений, происходящих в ИК-спектрах. Так, в ИК-спектрах полимерных аддуктов ХТЗ-ЦФЗ появляются полосы поглощения 1750 см-1 и 1710 см-1, соответствующие валентным колебаниям С=О и С=М групп лекарственного соеди нения, а в ИК-спектре продукта реакции ХТЗ-АМС

появляется полоса поглощения высокой интенсивности 619 см-1 для группы ЭО42-. Кроме того, в ИК-спектрах всех анализируемых соединений наблюдается уширение полосы поглощения в диапазоне 3000-3500 см-1, соответствующей валентным колебаниям ОН- и МИ-групп, по сравнению с соответствующими полосами антибиотиков и ХТЗ, что в совокупности позволяет говорить об образовании комплексных соединений ХТЗ-антибиотик посредством водородных связей.

Для интерпретации данных по диффузии не менее существенны обменные взаимодействия между ХТЗ и ЛВ, особенно в случае АМС.

Обменные взаимодействия между ХТЗ и АМС могут протекать согласно Схеме.

Вследствие двухосновности сульфат-анионов, можно предположить образование двух типов солей, обеспечивающих сшивание макромолекул ХТЗ с потерей его растворимости. Во-первых, нерастворимой в воде «двойной» соли - сульфата ХТЗ-АМ, во-вторых, смеси солей - нерастворимого в воде сульфата ХТЗ и растворимого ацетата АМ.

В случае ЦФЗ, обменная реакция между ацетатом ХТЗ и ЦФЗ сведется к образованию растворимых солей. Соответственно, продукт реакции ХТЗ-ЛВ в этом случае будет состоять только из Н-комплекса ХТЗ-ЦФЗ.

Данные о доле антибиотика, связанного в по-

Схема

2 ллл- NH3+CH3COO"

NH3+ ^NH3

/М\ ,

NH3 NH3

X

о О

О. D-NH3+ СНзСОО

О 0"NH3+_AM— NH3+CH3COO"

v°

/ \ ь

-NH3+ "О О" +H3N—?

Ъ О

Л

NH3+

СН3СОО"

СН3СОО" NH3+_ÄM— NH3+CH3COO"

NH3+ СН3СОО"

Таблица 3

Массовая доля антибиотика в, определенная в аддуктах реакции, полученных из 1%-ной уксусной кислоты_

Используемый антибиотик_| Концентрация ЛВ в пленке, моль/ моль ХТЗ |_в

АМ 1.00 0.72

0.10 0.33

0.05 0.21

0.01 0.07

ЦФЗ 1.00 0.10

0.10 0.02

0.05 0.01

0.01 не обнаружено

лимерные аддукты (в), полученные в растворах уксусной кислоты, представлены в табл. 3.

Как видно из данных табл. 3, следствием того, что АМ способен «сшивать» хитозановые цепи, является существенно большее количество прочно связываемого с макромолекулами ЛВ, чем в случае ЦФЗ.

Таким образом, образование химических соединений ЛВ с ХТЗ, вероятно, является причиной наблюдающихся аномалий - уменьшения скорости выделения ЛВ из пленки вследствие простой диффузии, а также уменьшения доли выделяемого лекарственного препарата (а). Мягкая химическая модификация, например, путем сшивающего макромолекулы солеобразования, не затрагивающего химическую структуру лекарственного вещества, является возможным направлением контроля транспортных свойств лекарственных хитозановых пленок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иорданский А. Л., Штерензон А. Л., Моисеев Ю. Б., Заи-ков Г. Е. Диффузия электролитов в полимерах // Успехи химии. 1979. Т. 48. С. 1460-1491.

2. Crank J. The Mathematics of Diffusion. Oxford: Clarendon Press, 1975. Р. 46.

3. Лившиц В. А., Бонарцев А. П., Иорданский А. Л., Иванов Е. А., Махина Т. А., Мышкина В. Л., Бонарцева Г. А. Микросферы из поли-3-гидроксибутирата для пролонгированного высвобождения лекарственных веществ// Высокомолекулярные соединения. 2009. Т. 51. С. 1243-1251.

4. Малкин А. Я., Чалых А. Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М.: Химия, 1979. 304 с.

5. Померанцев А. Л. Методы нелинейного регрессионного анализа для моделирования кинетики химических и физических процессов: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2003. 304 с.

6. Смотрина Т. В. Состояние воды и релаксационные процессы в хитозановых пленках // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 29. №2. С. 98-101.

Поступила в редакцию 30.04.2013 г.

ISSN 1998-4812

BecTHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2014. T. 19. №1

39

TRANSPORT CHARACTERISTICS OF POLYMER SYSTEMS BASED ON CHITOSAN AND MEDICINES

© E. I. Kulish1*, A. S. Shurshina1, S. V. Kolesov2

1Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450074 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia. 2Institute of Organic Chemistry of Ufa Scientific Centre of Russian Academy of Science 71 Oktyabrya Ave., 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

E-mail: [email protected]

The kinetics of a controlled release of medicinal substances from chitosan polymer based pellicle is studied. Diffusion coefficients are calculated. The kinetic curves of antibiotics releases having abnormal rates are shown. The analysis of the obtained data has shown that the weak chemical modification is a possible way to control transport properties of medicinal chitosan pellicles.

Keywords: chitosan, medical substance, diffusion, abnormal rate.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Iordanskii A. Uspekhi khimii. 1979. Vol. 48. Pp. 1460-1491.

2. Crank J. The Mathematics of Diffusion. Oxford: Clarendon Press, 1975. Pp. 46.

3. Livshits V. A., Bonartsev A. P., Iordanskii A. Vysokomolekulyarnye soedineniya. 2009. Vol. 51. Pp. 1243-1251.

4. Malkin A. Ya., Chalykh A. E. Diffuziya i vyazkost' polimerov. Metody izmereniya [Diffusion and Viscosity of Polymers. Methods of Measurement]. Moscow: Khimiya, 1979.

5. Pomerantsev A. L. Metody nelineinogo regressionnogo analiza dlya modelirovaniya kinetiki khimicheskikh i fizicheskikh protsessov: dis. ...d-ra fiz.-mat. nauk. Moskva, 2003.

6. Smotrina T. V. Butlerovskie soobshcheniya. 2012. Vol. 29. No. 2. Pp. 98-101.

Received 30.04.2013.