Межфазные явления при микроэмульсионном инкапсулировании биологически активных веществ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

На правах рукописи

ТАРАСЕНКО ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

МЕЖФАЗНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МИКРОЭМУЛЬСИОННОМ ИНКАПСУЛИРОВАНИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

02.00.11 — коллоидная химия и физико-химическая механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА 2005

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д. И. Менделеева.

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент В. Ким.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, проф. Тихонов А.П.,

старший научный сотрудник, кандидат химических наук Попов В.В.

Ведущая организация: Московская академия тонкой химической технологии

диссертационного совета Д 212.204.11 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047, г.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

им. М. В. Ломоносова

Защита диссертации состоится

Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц - зале в Шк асов.

Автореферат диссертации разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета

К.И. Киенская

АКТУАЛЬНОСТЬ. Микроэмульсионное инкапсулирование - интенсивно развивающаяся область нанотехнологии, связанная с получением монодисперсных нанокапсул биологически активных веществ. Использование биодеградируе-мых полимеров для получения оболочки нанокапсул обеспечивает контролируемую по времени и локализации доставку активных веществ. Вместе с тем многие вопросы микроэмульсионного инкапсулирования остаются до настоящего времени слабо разработанными.

Микроэмульсионное инкапсулирование представляет собой совокупность ряда межфазных явлений и процессов, связанных с микроэмульгированием биоактивных веществ, адсорбцией и образованием межфазных слоев полимеров на границе раздела фаз жидкость/жидкость, агрегативной устойчивостью полученных нанокапсул.

Развитые термодинамические и структурные представления свидетельствуют о тесной взаимосвязи между составом эмульгатора и свойствами микроэмульсии. Закономерности распределения коллоидных поверхностно-активных веществ в водно-органических системах позволяют углубить теоретические представления о лиофильных дисперсных системах.

При микроэмульсионном инкапсулировании поверхностные свойства биоактивных веществ оказывают влияние на свойства микроэмульсий, параметры полимерной оболочки и агрегативную устойчивость наночастиц. Закономерности адсорбции биоактивных веществ на жидких границах раздела фаз являются важными в плане развития представлений о биологической активности веществ и их сохранности в нанокапсулах.

Структура и свойства монослоев биодеградируемых высокомолекулярных соединений определяют особенности формирования полимерной оболочки и пенетрации через нее биоактивных веществ и, в конечном итоге, определяют эффективность нанокапсулированных систем. Установление взаимосвязи между межфазными явлениями и свойствами нанокапсул при микроэмульсионном

инкапсулировании предоставляет основу для научного обоснования технологии микроэмульсионного инкапсулирования.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом РАН по коллоидной химии и физико-химической механике, планом научно-исследовательских работ РХТУ им. Д.И. Менделеева и в рамках государственного заказа Министерства обороны РФ.

Цель работы. Установление закономерностей межфазных явлений при микроэмульсионном инкапсулировании биологически активных веществ, перераспределении коллоидных ПАВ, формировании межфазных слоев биодегради-руемых полимеров и научное обоснование технологии микроэмульсионного инкапсулирования.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

-определить условия микроэмульгирования водных растворов модельных белков и установить фазовые границы существования микроэмульсии;

-установить взаимосвязь между параметрами распределения и мицеллооб-разованием коллоидных ПАВ в водно-органических системах;

-определить адсорбционную способность биодеградируемых полимеров и биоактивных веществ на границе жидкость/жидкость; выявить влияние состава водной фазы на состояние монослоев;

-рассмотреть влияние межфазных явлений при микроэмульсионном инкапсулировании на дисперсность и агрегативную устойчивость нанокапсул. Научная новизна. Проведено систематическое исследование межфазных явлений при микроэмульсионном инкапсулировании биологически активных веществ биодеградируемыми полимерами.

Установлены коэффициенты распределения коллоидных ПАВ различного состава в водно-органических системах. Установлено, что при мицеллообра-зовании ПАВ в одной из фаз имеет место резкое изменение коэффициента рас-

пределения. Предложен метод расчета энергии Гиббса мицеллообразования по данным параметров распределения ПАВ.

Определены параметры адсорбции биодеградируемых полимеров на границе раздела фаз вода/метиленхлорид. Показана взаимосвязь между составом биодеградируемых полимеров и их поверхностной активностью.

Выявлены закономерности изменения межфазного натяжения и поверхностного давления на жидких границах раздела фаз, содержащих ПАВ и биоде-градируемый полимер. Показано отсутствие специфических взаимодействий в смешанных монослоях ПАВ и полимера. Обнаружено, что с ростом содержания неорганических солей или ПАВ в водной фазе происходит снижение плотности межфазного слоя полимера.

Определены морфология, форма и размеры полученных нанокапсул. Показано, что межфазные явления при микроэмульсионном инкапсулировании оказывают значительное влияние на дисперсность и агрегативную устойчивость нанокапсул.

Практическая ценность. Комплекс фазовых, адсорбционных, тензометриче-ских и дисперсионных данных и установленные на их основе закономерности составляют научную основу технологии микроэмульсионного инкапсулирования.

Развитые представления о перераспределении коллоидных ПАВ, микроэмульгировании водных растворов БАВ, формировании межфазных слоев био-деградируемых полимеров могут быть использованы при разработке лекарственных и косметических форм с заданными свойствами.

Результаты работы переданы для использования в Вирусологический Центр НИИ микробиологии МО РФ.

Апробация Основные результаты работы доложены на научной сессии МИФИ (Москва, 2001,2002 гг.); на международных конференциях молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, 2001, 2002 гг.); симпозиуме по химии высокоорганизованных веществ и научным основам нанотехнологии (С-

Петербург, 2001); симпозиуме "Art Separatoria" (Польша, 2001, 2002 гг.); конференциях "Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур" (Казань, 2002), «ECIS-2002» (Франция, 2002), «Partides-2002» (США, 2002); конференциях по химической термодинамике (С.-Петербург, 2002) и по взаимодействиям в организованных микроструктурах (Италия, 2002); научно-практической конференции «Косметические средствам и сырье: безопасность и эффективность» (Москва, 2003, 2004 гг.). По результатам работы опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и выводов и изложена на 139 страницах. Содержит 40 рисунков, 16 таблиц и список используемой литературы из 154 ссылок. В приложении приведены таблицы с экспериментальными результатами и расчетами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассмотрены литературные данные о межфазных явлениях на отдельных стадиях микрокапсулирования, представлены данные о способах микро-капсулировании, морфологии микрокапсул и их применении на практике. Рассмотрены вопросы адсорбции и агрегации поверхностно-активных ингредиентов, используемых при микрокапсулировании.

В главе 2 описаны используемые вещества и экспериментальные методики. Органические растворители: гексан и метиленхлорид квалификации "х.ч." перед использованием дистиллировали. Поверхностно-активные вещества: ди-2-этилгексилсульфосукцинат натрия (АОТ), сорбитан монолаурат (Span-20), до-децилсульфат натрия (SDS), дидодецилдиметиламмоний бромид (DDAB), до-деканоат натрия (SDCA) содержали основное вещество не менее 98-99 % мас. Высокомолекулярные соединения: поли-£-капролактон (PCL), сополимер гли-колевой и молочной кислот (PLGA), полиакрилметакрилаты (Eudragit RS РО и Eudragit RL РО), с содержанием основного вещества не менее 98% являются биодеградируемыми веществами, хорошо растворимыми в метиленхлориде.

Растворы биологически активных веществ (альбумины, уреаза, трипсин, гиалуроновая кислота) готовили на дистиллированной воде или фосфатном буфере (рН = 6,8).

Для изучения микроэмульсионных и микрокапсулированных систем использовали методы спектрофотометрического титрования, контактной кондук-тометрии, вискозиметрии, межфазной тензометрии и определения поверхностного давления. Полидисперсность и форму микрокапсул определяли по данным сканирующей электронной микроскопии (прибор JEOL-35JX), оптической микроскопии и фотон - корреляционной спектроскопии ^ш^г SP). В главе 3 рассмотрены результаты эксперимента и их обсуждение.

Микроэмульсионное инкапсулирование представляет собой совокупность ряда последовательных процессов:

- микроэмульгирование (область существования микроэмульсии, распределение, агрегация, адсорбция ПАВ на межфазной границе вода/масло).

- образование оболочки (адсорбция полимера, состав и свойства монослоев)

- формирование микрокапсул (агрегативная устойчивость нанодисперсных систем, взаимосвязь свойств микрокапсул и состава микроэмульсии). Разработка метода микроэмульсионного инкапсулирования БАВ

Фазовая диаграмма микроэмульсии вода+альбумин/АОТ/гексан в координатах Т - \у0 (= отношению [вода] /[АОТ]) представлена на рис. 1. Как видно, в интервале значений = 40 - 80 микроэмульсия устойчива в диапазоне температур 10-50 °С. Установлено, что добавление сывороточного альбумина (SA) обуславливает снижение верхней температурной SA/AOT/гексан

О 25 50 75 «г0 100

Рис. 1. Фазовая диаграмма системы: -о-вода/АОТ/гексан, -•- вода+

границы (Tj) микроэмульсии, тогда как нижняя температурная граница (Тг) остается практически неизменной. Чем выше концентрация альбумина в микроэмульсии, тем больше смещение Т] (рис. 1).

В присутствии маслорастворимого соПАВ - Span-20 наблюдается смещение Tj в область более высоких температур, причем влияние Span-20, преимущественно, определяется мольным отношением [Span-20]/[AOT]. Таким образом, введение добавок в трехкомпонентные системы вода/АОТ/масло оказывает заметное влияние на Т|: гидрофильные добавки снижают, а липофильные соединения повышают температурную устойчивость микроэмульсии.

Формирование оболочки на поверхности капель микроэмульсии проводили методом простой коа-цервации, поскольку изученные полимеры не растворяются в углеводородных средах. Оптические спектры микроэмульсий во-да/АОТ/гексан при различных временах выдержки после введения PCL приведены на рис. 2.

Снижение оптической плотности во времени (С = 0,02-0,03 % мас), по-видимому, обусловлено уменьшением частичной концентрации дисперсной фазы при адсорбции полимера на поверхности микроэмульсионных капель. Резкий рост оптической плотности (С =0,03-0,037 % мас.) отражает интенсивную адсорбцию полимера. Показано, что при низком содержании полимера (С < 0,03 % мас.) зависимости D(t) описываются кинетическим

X, мин

Рис. 2. Кинетические кривые изменения оптической плотности микроэмульсии при различном содержании PCL (%

мае.): -о- 0,02; -■- 0,025; -о- 0,03; -□0,034; -•- 0,037.

уравнением 1-го порядка, указывая, что лимитирующей стадией является диффузия частиц полимера к поверхности капель микроэмульсии.

При повышенном содержании полимера кинетические кривые изменения оптической плотности отклоняются от уравнения 1-го порядка. Распределение и мицеллообразование ПАВ в вводно-органических системах.

В двухфазных водно-органических системах распределение вещества количественно описывается коэффициентом распределения кр (= С0/Св, где С0 и Св - концентрации вещества в органической и водной фазах). Установлено, что изотермы распределения коллоидных ПАВ (рис. 3) имеют сложный вид, что обусловлено мицеллообразованием распределяемого компонента в одной из сопряженных фаз. Данные по распределению ПАВ в системе вода - органический растворитель представлены в табл. 1.

В соответствии с моделью разделения фаз, энергия Гиббса мицеллообразования равна: АО|°= ЯТ1п ККМ. Вместе с тем, с учетом данных распределения ПАВ в двухфазных системах, свободную энергию Гиббса мицеллобразова-ния можно рассчитать согласно следующему соотношению: ДО20=ЯТ 1п (к2/к|),

где - коэффициент распределения при - коэффициент распреде-

ления при С < ККМ. Различие значений А01° и Д02° (табл.1) связано с тем, что в последнем случае энергия Гиббса представляет собой истинную энергию Гиббса перехода мономерный раствор ПАВ - мицеллярный раствор ПАВ. Низкие значения свидетельствует о термодинамической выгодности мицеллообра-

зования и объясняет образование трехкомпонентных микроэмульсий, стабилизированных АОТ. Изотермы распределения для систем, содержащих гексан в качестве масляной фазы, свидетельствуют об образование предмицеллярных ассоциатов.

Таблица 1. Термодинамические параметры распределения и мицеллообразова-ния ПАВ в двухфазных системах.

Система ККМ, -АО,0, к, к2 Тип -АС2°,

мМ КДж/моль мицелл КДж/моль

вода/АОТ/декан 0,37 19,2 1,2 5,6 обратный 3,8

вода/АОТ/гексан 1,50 15,8 0,22 0,12 обратный 1,5

Вода/ АОТ/ 1,70 15,5 0,11 0,20 обратный 1,1

метиленхлорид

водаЛХ)АВ/декан 0,63 17,9 4,0 1,1 прямой зд

вода/8П8/октан 0,50 12,3 0,067 0,05 прямой 0,75

0,5М№ОН/ 29 8,5 0,65 0,50 прямой 0,60

8Е)СА/ этилацетат

В условиях микроэмульсионного инкапсулирования параметры распределения определяют остаточное содержание ПАВ внутри наночастицы.

Поверхностные свойства ди-2-этилгексилсульфосукцината натрия

Тензометрическими исследованиями показано, что адсорбция АОТ на границе раздела фаз вода/воздух характеризуется следующими параметрами: предельная емкость монослоя а посадочная площадка

= 49 А2. В двухфазных водно-органических системах параметры адсорбции зависят от природы органической фазы (рис. 4).Повышенная адсорбционная способность АОТ объясняет его способность к стабилизации микроэмульсионных систем.

Низкие значения Авг0 свидетельствует о термодинамической выгодности мицеллообразования и объясняет образование трехкомпонентных микроэмульсий, стабилизированных АОТ. В системах, содержащих гексан в качестве масляной фазы, обнаружено образование предмицеллярных ассоциатов.

Интересно отметить, что установленный рост 8о согласуется с известными данными о более разреженном состоянии монослоев ПАВ на границах раздела жидкость/жидкость.

Адсорбция биодеградируемых полимеров.

Установлено, что поверхностная активность биодеградируемых полимеров убывает в ряду (рис. 5):

Би^й:КЬ>Би^й:К8>РЬОЛ>РСЬ Найденные параметры адсорбции отражают изменения в составе полимера (даже при сходных значениях молекулярных масс).

Данные по адсорбции биодеградируемых полимеров обобщены в табл. 2. Изучение монослоев РЬвЛ при помощи весов Ленгмюра свидетельствуют о том, что в зависимости от концентрации полимера образуются монослои с различным агрегатным состоянием (рис.6): газообразным в, жидким Ь], I и Ц, твердым 8 с последующим разрушением - коллапсом монослоя. При средних значениях поверхностного давления к -8-кривые относятся к типу ■

Таблица 2. Параметры адсорбции полимеров на границе раздела во-да/метиленхлорид.

Полимер Ало*107, моль/м2 №> -АС,0, кДж/моль

РСЬ 5,0 2,9 16,1

РЬвА 47 2,6 14,7

Еи&а^ ЫБ 9,0 5,0 28,0

ЕисЬа^КЬ 6,0 7,8 43,7

Введение в водную фазу ПАВ и электролитов приводит к формированию более разреженных монослоев и наблюдается менее выраженный переход

пленки из жидко-растянутого состояния в твердообразное. Изменения изотерм поверхностного давления связаны с дегидратацией макромолекул, а также отражают конкурентную адсорбции ПАВ и полимера на исследуемой границе раздела фаз.

Поверхностные свойства белковых соединений.

Установлено, что поверхностная активность в ряду SA, гиалуроновая кислота и трипсин увеличивается.

Поверхностные свойства изученных веществ тесно связаны с соотношением и распределением полярных/неполярных фрагментов в биомолекуле. Рассчитанные значения поверхностной активности g и минимальное значение поверхностного натяжения раствора БАВ приведены в табл. 3.

О 200 400 600 -800

Э, см

Рис. 6. Изотерма поверхностного давления РЬвА при концентрации С (% мае.):

-о- 3;.- 0,02, -А- 2;-Ф- 1; -□- 0,5; -0-0,3; -

■- 0,1; -Д-0,01.

Таблица 3. Поверхностные свойства биоактивных веществ.

Анализ полученных данных позволяет предположить, что в условиях микроэмульсионного инкапсулирования трипсин и альбумин, преимущественно, локализуются в водном ядре микроэмульсии, не оказывая значительного влияния на межфазную область. Важно подчеркнуть, что именно такое поведение их в микроэмульсии обеспечивает сохранность биологической активности.

Форма и агрегативное поведениемикрокапсул.

Результаты исследования нанокапсул методами сканирующей электронной микроскопии и динамического светорассеяния свидетельствуют о значительном влиянии содержания и состава водной фазы, количества полимера и условий проведения процесса микроэмульсионного инкапсулирования на свойства полученных систем.

При значении wD= 30 и толщине пленки полимера 14 Ä нанокапсулы агрегируют. При увеличении содержания водной фазы и одновременном росте толщины пленки (до 3-4 нм) происходит заметный рост агрега-тивной устойчивости частиц. Аналогичная закономерность наблюдается при малых значениях w0 (толщина оболочки 4 нм, рис. 7 а). Избыток полимера приводит к образованию полимерной сетки и упорядоченных агрегатов (рис. 7 б).

Таким образом, природа и концентрация полимера оказывает значительное влияние на свойства частиц: применение PCL, по сравнению с PLGA приводит к получению более агрегированных и полидисперсных частиц. Совокупность полученных в работе данных предоставляет возможность оптимизиро-

вать микроэмульсионное инкапсулирование биологически активных веществ и получить наночастицы с размерами 200 - 800 нм.

Рис.7. Микрофотографии инкапсулированных систем при различных Увеличение в 5000 раз. Концентрация БА - 2 % мае. Толщина пленки Р1ЛЗА 40 А, а - 30; б -70.

ВЫВОДЫ

Проведено систематическое исследование межфазных явлений, имеющих место при микрокапсулировании биологически активных веществ биоде-градируемыми полимерами.

Определены коэффициенты распределения ряда ПАВ в водно-органических системах. Обнаружено, что при мицеллообразовании ПАВ в одной из фаз имеет место резкое изменение коэффициента распределения, что позволило рассчитать чистую энергию Гиббса мицеллоообразования

Установлены закономерности адсорбции биодеградируемых полимеров на межфазной границе вода/метиленхлорид. Выявлены особенности изменения межфазного натяжения и поверхностного давления совместной адсорбции полимера и поверхностно-активного вещества на границе раздала жидкость/газ и жидкость/жидкость. Показано, что в монослоях изученных низко- и высокомолекулярных соединений специфические взаимодействия не значительны.

Методами светорассеяния и электронной микроскопии определены параметры дисперсности полученных нанокапсул. Показано, что размеры и агре-

гативное состояние наночастиц зависит от условий микроэмульсионного инкапсулирования: соотношения w0, природы и концентрации полимера.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Колотухина ТА, Ким В., Кильдеева Н.Р. Микроэмульсионное инкапсулирование биоактивных веществ // Сб. научн, труд. «Научная сессия МИФИ-2001», 14 т.: Перспективные наукоемкие технологии. - М.: МИФИ, 2001. - Т. 9.-С. 110-111;

2. Kolotuhina TA, Martchenko O.N., Kim V. et all. Microemulsion encapsulation ofbioactive substances by biodegradable polymers // In: Proc. XV Int. Symp. "Art Separatoria". - Poland, 2001. - P.81;

3. Ким В., Колотухина Т.А. Мироэмульсионное инкапсулирование биоактивных веществ // Тез. III межд. конф. «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии». - С. -Пб, 2001. - С. 142;

4. Марченко О.Н., Яровая О.В., Колотухина ТА, Мухтарова С.Э., Киенская К.И., Ким В. Инкапсулирование биоактивных веществ в везикулярных и полимерных системах // В: Тр. XV междун. конф. мол. уч. «Успехи в химии и химической технологии МКХТ-2001». - М.: РХТУ, 2001. - Т. 6. - С. 100;

5. Martchenko O.N., Kolotuhina TA, Kim V. et all. Microemulsion encapsulation of bioactive substances by biodegradable polymers // Proc. Int. conf. «Reactivity in organised microstructures: Euroconference in physical aspects and applications to biology and chemistry». - Italy, 2002. - P. 156;

6. Марченко О.Н., Колотухина ТА, Ким В. Микроэмульсионное инкапсулирование альбумина // Сб. научн, труд. «Научная сессия МИФИ-2002» 14 т.: Перспективные наукоемкие технологии. - М.: МИФИ, 2002. - Т. 9.- С. 140-141;

7. Kim V., Babak V.G., Kolotuhina TA, Marchenko O.N. Microemulsion encapsulation ofproteins with lactide-glicolide copolymers // Proc. Int. conf. «Particles -2002». - USA, 2002. - P.220;

8. Kim V., Babak V., Kolotuhina Т., Martchenko O. Microemulsion encapsulation with biodegradable polymers // Proc. bit. conf. "ECIS-2002". - France, 2002. -P.135;

9. Колотухина Т.А., Марченко О.Н., Ким В., Бабак В.Г. Межфазные явления при микроэмульсионном инкапсулировании биоактивных веществ // Тез. XIV Межд. конф. по хим. термодинам. - С-Пб, 2002. - С.459;

10. Kim V., Kolotuhina Т.А., Martchenko O.N., Bykov G.M. Partitioning of mi-cellar surfactants in the oil-water systems // In: Proc. XVI Int. Symp. "Ars Separatoria 2002". - Poland, 2002. - P. 97-99;

11. Martchenko O.N., Kolotuhina T.A., Kim V. Microemulsion nanoencapsulation of bioactive substances // In: Proc. XVI Int. Symp. "Ars Separatoria 2002".- Poland, 2002. - P. 125-126;

12. Martchenko O.N., Kolotuhina T.A., Kim V. Microemulsion nanoencapsulation ofbioactive substances // In: Proc. 2 Int. Symp. "Molecular design and synthesis of supramolecular architectures". - Russia, Kazan, 2002. - P. 100.

13. Марченко О.Н., Колотухина Т.А., Ким В. Микроэмульсионное инкапсулирование биоактивных веществ // В: Тр. XVI междун. конф. мол. уч. «Успехи в химии и химической технологии МКХТ-2002». - М.: РХТУ, 2002. - Т. 16. - С. 98 - 99;

14. Колотухина Т. А., Пенкина Ю. А., Ким В. Межфазные явления при микроэмульсионном инкапсулировании биологически активных веществ // Тез. VIII межд. конф., секц. молодых ученых «Космет. ср-ва и сырье: безопасность и эффективность». - М. 2003;

15. Пенкина Ю. А., Колотухина Т. А., Мухтарова С.Э., Ким В. Структурно-механические свойства косметических средств, содержащих микрокапсули-рованные биоактивные вещества // Тез. IX межд. конф., секц. молодых ученых «Космет. ср-ва и сырье: безопасность и эффективность». - М. 2004.

/4.

Заказ №_Объем 1 п.л._Тираж 100 экз.

Издательский центр РХТУ им. Д. И. Менделеева

OZ.oo

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. МЕЖФАЗНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МИКРОЭМУЛЬСИОННОМ ИНКАПСУЛИРОВАНИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ.

2.1. Общая характеристика методов микрокапсулирования.

2.2. Физико-химические методы получения микрокапсул.

2.3. Межфазные явления при микрокапсулировании биологически активных веществ.

2.3.1. Межфазные явления в растворах поверхностно-активных веществ.

2.3.2. Межфазные явления в растворах высокомолекулярных соединений.

2.4. Основы микроэмульсионного инкапсулирования.

2.4.1. Микроэмульсии.

2.4.2. Микроэмульсии - как носители лекарственных систем.

2.5. Биодеградируемые микрокапсулированные системы.

2.6. Биологическая активность веществ в нанодисперсных системах.

2.7. Выводы по литературному обзору.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Характеристика исходных веществ.

3.2. Методики исследования.

3.2.1. Методика фазовых исследований.

3.2.2. Методика фазовых исследований с использованием спектрофотометрического титрования.

3.2.3. Определение параметров распределения ПАВ.

3.2.4. Фотон - корреляционная спектроскопия.

3.2.5. Методика кондуктометрических исследований.

3.2.6. Измерение поверхностного и межфазного натяжения.

3.2.6.1. Определение поверхностного натяжения методом максимального давления

3.2.6.2. Определение поверхностного натяжения методом Вильгельми.

3.2.6.3. Определение межфазного натяжения методом веса - объема капли.

3.2.7. Методика изучения монослоев на весах Ленгмюра.

3.2.8. Методика микроэмульсионного инкапсулирования.

Получение микроэмульсии:.

Формирование полимерной оболочки:.

Выделение микрокапсул.

3.2.9. Методика электронно-микроскопических исследований.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ.

4.1 Общая характеристика микроэмульсионного инкапсулирования.

4.2. Микроэмульгирование биологически активных веществ.

4.2.1 Фазовые равновесия в системах вода + БАВ/АОТ/масло.

4.2.2. Микроэмульсионное инкапсулирование методом простой коацервации.

4.3. Распределение и мицеллообразование ПАВ в водно-органических системах.

4.4. Поверхностные свойства ди-2-этилгексилсульфосукцината натрия.

4.5. Адсорбция биодеградируемых полимеров.

4.5.1. Кинетика и термодинамика адсорбции полимеров на границе раздела фаз жидкость/жидкость.

4.5.2. Состояние и свойства мономолекулярных полиэфирных пленок.

4.5.3. Поверхностные свойства смешанных систем полимер-ПАВ.

4.6. Поверхностные свойства белковых соединений.

4.7. Характеристики полученных микрокапсул.

5. ВЫВОДЫ.

Микроэмульсионное инкапсулирование - интенсивно развивающаяся область нанотехнологии, связанная с получением монодисперсных нанокап-сул биологически активных веществ. Использование биодеградируемых полимеров для получения оболочки нанокапсул обеспечивает контролируемую по времени и локализации доставку активных веществ. Вместе с тем многие вопросы микроэмульсионного инкапсулирования остаются до настоящего времени слабо разработанными.

Микроэмульсионное инкапсулирование представляет собой совокупность ряда межфазных явлений, связанных с микроэмульгированием биоактивных веществ, адсорбцией и образованием межфазных слоев полимеров на границе раздела фаз жидкость/жидкость, агрегативной устойчивостью полученных нанокапсул.

Развитые термодинамические и структурные представления свидетельствуют о тесной взаимосвязи между природой эмульгатора и свойствами микроэмульсии. Закономерности распределения коллоидных поверхностно-активных веществ в водно-органических системах позволяют углубить теоретические представления о лиофильных дисперсных системах.

При микроэмульсионном инкапсулировании поверхностные свойства биоактивных веществ определяют свойства микроэмульсий, параметры полимерной оболочки и агрегативную устойчивость наночастиц. Закономерности адсорбции биоактивных веществ на жидких границах раздела фаз являются важными в плане развития представлений о сохранности биологической активности веществ в нанокапсулах.

Структура и свойства монослоев биодеградируемых высокомолекулярных соединений определяют особенности формирования полимерной оболочки и пенетрации через нее биоактивных веществ и, в конечном итоге, определяют эффективность нанокапсулированных систем. Установление взаимосвязи между межфазными явлениями и свойствами нанокапсул при микроэмульсионном инкапсулировании предоставляет основу для научного обоснования технологии микроэмульсионного инкапсулирования.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом РАН по коллоидной химии и физико-химической механике, планом научно-исследовательских работ РХТУ им. Д.И. Менделеева и в рамках государственного заказа Министерства обороны РФ.

Цель работы. Установление закономерностей межфазных явлений при микроэмульсионном инкапсулировании биологически активных веществ, перераспределении коллоидных ПАВ, формировании межфазных слоев биодеградируемых полимеров и научное обоснование технологии микроэмульсионного инкапсулирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить условия микроэмульгирования водных растворов модельных белков и установить фазовые границы существования микроэмульсии; установить взаимосвязь между параметрами распределения и мицел-лообразованием коллоидных ПАВ в водно-органических системах; определить адсорбционную способность биодеградируемых полимеров и биоактивных веществ на границе жидкость/жидкость; выявить влияние состава водной фазы на состояние монослоев; рассмотреть влияние межфазных явлений при микроэмульсионном инкапсулировании на дисперсность и агрегативную устойчивость нанокапсул.

Научная новизна. Проведено систематическое исследование межфазных явлений, имеющих место при микроэмульсионном инкапсулировании биологически активных веществ биодеградируемыми полимерами. Установлены коэффициенты распределения коллоидных ПАВ различного состава в водно-органических системах. Установлено, что при мицеллообразовании ПАВ в одной из фаз имеет место резкое изменение коэффициента распределения. Предложен метод расчета энергии Гиббса мицеллообразования по данным параметров распределения ПАВ.

Определены параметры адсорбции биодеградируемых полимеров на границе раздела фаз вода/метиленхлорид. Показана взаимосвязь между составом биодеградируемых полимеров и их поверхностной активностью.

Выявлены закономерности изменения межфазного натяжения и поверхностного давления на жидких границах раздела фаз, содержащих ПАВ и биодеградируемый полимер. Показано отсутствие специфических взаимодействий в смешанных монослоях ПАВ и полимера. Обнаружено, что с ростом содержания неорганических солей или ПАВ в водной фазе происходит снижение плотности монослоя полимера.

Определены морфология, форма и размеры полученных нанокапсул. Показано, что межфазные явления при микроэмульсионном инкапсулировании оказывают значительное влияние на дисперсность и агрегативную устойчивость нанокапсул.

Практическая ценность. Комплекс фазовых, адсорбционных, тензомет-рических и дисперсионных данных и установленные на их основе закономерности составляют научную основу технологии микроэмульсионного инкапсулирования.

Развитые представления о перераспределении коллоидных ПАВ, микроэмульгировании водных растворов БАВ, формировании межфазных слоев биодеградируемых полимеров могут быть использованы при разработке лекарственных и косметических форм с заданными свойствами.

Результаты работы переданы для использования в Вирусологический Центр НИИ микробиологии МО РФ.

5. ВЫВОДЫ. Проведено систематическое исследование межфазных явлений, имеющих место при микрокапсулировании биологически активных веществ биодеградируе-мыми полимерами.

Определены коэффициенты распределения ди-2этилгексилсульфосукцината натрия, додецилсульфата натрия, дидодецилдимети-ламмоний бромида, додеканоата натрия в вводно-органических сиситемах. Показано, что при мицеллообразовании ПАВ в одной из фаз имеет место скачкообразное изменение коэффициента распределения. Найденные значения коэффициентов распределения ПАВ позволили рассчитать чистую энергию Гиббса мицеллоообразова-ния

Установлена закономерности адсорбции биодеградируемых полимеров на межфазной границе вода/метиленхлорид. Проведена количественная оценка адсорбционной способности исследованных в работе полимеров.

Выявлены особенности изменения межфазного натяжения и поверхностного давления при совместной сорбции полимера и поверхностно-активного вещества. Показано, что изученные низко- и высокомолекулярные компоненты не взаимодействуют специфически в межфазных адсорбционных слоях.

Проведена сравнительная оценка сорбции белков и гиалуроновой кислоты на границе раздела фаз вода/ воздух и вода/метиленхлорид. Показано, что гиалуро-новая кислота характеризуется повышенной адсорбционной способностью, что от-4 -крывает новые пути ее использования в составе косметических композиций.

Выполнено систематическое исследование микрокапсулирования биологически-активных веществ методом простой коацервации обратных микроэмульсий.

Комплекс полученных в работе данных предоставляет основу для разработки научно обоснованной технологии получения микрокапсулированных систем, содержащих БАВ и биодеградируемые полимеры.

1. Афанасьев А.Г. Микрокапсулированне и некоторые области его применения. - М.: Знание серия Химия. - 1982. - №3. - С. 64.

2. Karsa D. R., Stephenson R. A. Chemical aspects of drug delivery systems. London: Royal Chem. Soc. - 1996. - P. 161.

3. Cleland J. L. Solvent evaporation processes for the production of controlled release biodegradable microsphere formulations for therapeutics and vaccines // Biotech-nol. Prog. 1998. - V. 14. -P. 102 - 107.

4. Uhrich К. E. et al. Polymeric systems for controlled drug release // Chem. Rev. -1999. -V. 99.-P. 3181 -3198.

5. Бабак В. Г. Коллоидная химия в технологии микрокапсулирования. Свердловск: Урал, инс-та. - 1991. - С. 171.

6. Солодовник В.Д. Микрокапсулированне. M.: Химия, - 1980. - С. 215.

7. Виладот Ж. Л. Новая улучшенная система доставки активных ингредиентов, созданная с помощью хитозановых технологий // J. SOFW. - 2001. - № 3. - С. 21 -28.

8. Arshady R. Microspheres and microcapsules, a survey of manufacturing techniques. Part II: Coacervation // Polym. Eng. Sci. 1990. - V. 30, № 15. - P. 905 - 914.

9. Афанасьев А.Г. Прикладные и коллоидные аспекты применения микрокапсул // Современные технологии в отрасли бытового обслуживания населения. -М.: Моск. технол. инс-т. 1991. - С. 248-264.

10. Ребиндер П.А. Избранные труды: поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука. - 1978. - С. 368.

11. Фролов Ю.Г. Краткое изложение основ экстракционного и адсорбционного равновесия // Труды МХТИ. LXXXIX. - 1975. - С. 3 - 13.

12. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные14