Сорбционные и транспортные свойства пленок на основе хитозана

Шуршина, Анжела Саматовна

Сорбционные и транспортные свойства пленок на основе хитозана тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Шуршина, Анжела Саматовна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Сорбционные и транспортные свойства пленок на основе хитозана»

Автореферат диссертации на тему "Сорбционные и транспортные свойства пленок на основе хитозана"

На правах рукописи

Л 'СсСу^ии^'*)

ШУРШИНА Анжела Саматовна

СОРБЦИОННЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА

Специальность 02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 О ФЕВ 23И

005545313

Уфа 2014

005545313

Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных соединений и общей химической технологии Башкирского государственного университета

Научный руководитель: Кулиш Елена Ивановна

доктор химических наук, доцент

Официальные оппоненты: Иорданский Алексей Леонидович

доктор химических наук, профессор Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН (г. Москва) вед.науч.сотрудник

Самигуллина Зульфия Сабировна

кандидат химических наук «Уфимский государственный университет экономики и сервиса» (г. Уфа),

доцент кафедры химии и химической технологии

Ведущая организация: Институт биохимической физики

им. Н.М. Эмануэля

Защита состоится 27 марта 2014 года в 1400 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.013.10 на базе Башкирского государственного университета по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, Химический факультет, ауд. 311. e-mail: dissovet2@rambler.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан Q6 февраля 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук, профессор^-/-/'?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия проводятся интенсивные исследования по разработке полимерных систем с контролируемой доставкой лекарственных средств, поскольку использование для этой цели полимеров устраняет многие недостатки традиционных лекарственных форм. Так, например, такие традиционные лекарственные формы как повязки, с нанесенными лекарственными мазями, гелями и пр., обычно применяемые для лечения ожоговых, хирургических и долго незаживающих ран, неспособны к необходимой сорбции ранеотделяемой жидкости с сохранением нормального воздухообмена, не позволяют обеспечить постоянство концентрации лекарственного препарата из-за разбавления раневым экссудатом и неравномерности контакта лекарственной формы с тканями пациента, а также сопровождаются крайне болезненной процедурой смены повязки. Достоинство полимерных систем, например, полимерных пленок, с включенными в полимерную матрицу лекарственными препаратами, заключается в возможности длительного поддержания требуемого уровня лекарственного препарата на тканях пациента весь необходимый период времени. Более того, полимерная пленка может соответствовать ряду специальных требований, включающих: атравматичность, обусловленную возможностью постепенного биоразрушения пленки на ране, высокую сорбционную способность, защиту от инфицирования извне и др. Уникальные свойства аминополисахарида хитозана (ХТЗ) -биосовместимость с тканями организма, бактериостатичность, способность усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, биодеградируемость, способность к пленкообразованию и т.д., предопределяют возможность использования ХТЗ в качестве полимера-носителя лекарственного препарата для создания пленочных защитных покрытий пролонгированного действия для лечения ожоговых, хирургических и долго незаживающих ран. В связи с этим, разработка физико-химических основ создания лекарственных пленок на основе ХТЗ с регулируемыми сорбционными и транспортными характеристиками, представляется важной и актуальной задачей.

Работа выполнена при поддержке государственного задания Министерства РФ «Научные основы создания биодеградируемых пленочных систем на основе хитозана для регулируемого транспорта лекарственных препаратов» № 107.13; гранта РФФИ и республики Башкортостан (грант р_поволжье_а № 11-03-97016); Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (проект по госконтракту №02.740.11.0648 на

2010-2012 гг. и проект по заявке 2012-1.1-12-000-1015-027 (соглашение 8444, утв. 31.08.12 г.) на 2012-2012 гг.).

Целью работы является установление физико-химических закономерностей сорбционных и транспортных свойств хитозановых пленок для создания пленочных систем с пролонгированным выходом лекарственных препаратов.

Задачи работы:

-Установление закономерностей сорбции паров воды в хитозановые пленки и пленки хитозан — лекарственное вещество;

-Установление закономерностей диффузии низкомолекулярных лекарственных веществ из хитозановых пленок;

-Выявление факторов, позволяющих направленно регулировать сорбционные свойства пленок и скорость высвобождения лекарственных веществ из полимерной матрицы.

Научная значимость работы. В ходе диссертационного исследования впервые установлено:

-взаимодействие ХТЗ с лекарственными веществами приводит к структурной модификации полимерной матрицы, имеющей как поверхностный, так и объемный характер. Изменения в структуре полимерной матрицы, в свою очередь, являются причиной отклонения закономерностей процесса сорбции воды хитозановыми пленками от классического фиковского режима;

-закономерности процесса сорбции воды хитозановыми пленками определяют закономерности процесса транспорта молекул лекарственного вещества из этих пленок;

-обнаружено, что выход лекарственных веществ из хитозановой пленки может быть целенаправленно пролонгирован за счет проведения термомодификации, сопровождающейся релаксацией неравновесной надмолекулярной структуры и изменением химической структуры полимерной матрицы, в том числе за счет частичного сшивания макромолекулярных цепей. Показано, что потеря растворимости хитозановых пленок в воде приводит к смене режима сорбции, что, в свою очередь, влечет за собой значительное уменьшение скорости высвобождения лекарственного вещества как на начальном, так и на конечном этапе диффузии.

Практическая значимость работы.

Предложены пути управления транспортными свойствами пленочных материалов на основе ХТЗ на стадии их формирования в отношении контролируемого выделения лекарственных препаратов.

Несомненной практической значимостью работы можно считать выявленную высокую противовоспалительную активность

лекарственных пленочных материалов на основе ХТЗ в отношении двух наиболее частых возбудителей госпитальной раневой инфекции -Stahhylococcus aureus и Pseudomonasaerugenosa.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 6-ой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Modern problems of polymer science», Санкт- Петербург, 2010; XVIII, XIX и XX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2011», «Ломоносов-2012», «Ломоносов-2013», Москва, 2011, 2012, 2013; Международной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», Уфа, 2011, 2012; 6 всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев - 2012», Санкт-Петербург, 2012; Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений», Уфа, 2012; Одиннадцатой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании Хитина и хитозана (РосХит 2012)», Мурманск, 2012; Международной конференции «PolymericMaterials 2012», Halle (Saale), Germany, 2012; Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений», Уфа, 2012; Международной молодежной конференции «Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов», Казань, 2012; IX Всероссийской конференции «Химия и медицина», Уфа, 2013.

Публикации. По материалам работы опубликовано 6 статей в рецензируемых журналах, тезисы 15 докладов на Международных и Всероссийских конференциях.

Авторский вклад. Автор принимал непосредственное участие во всех этапах исследования. Все приведенные в диссертации экспериментальные результаты получены автором лично либо при его участии.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 203 источника, и приложения. Работа включает 10 таблиц и 43 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, указаны ее цель и задачи, представлены научная новизна, практическая значимость работы.

В первой главе диссертации представлен обзор литературы, посвященный описанию полимерных систем доставки лекарственных средств, лекарственных форм, используемых для создания полимерных систем доставки лекарственных средств, и режимы высвобождения лекарственных веществ из полимерных систем.

Вторая глава содержит описание объектов и методов исследования, методику получения полимерных пленок.

Для получения пленок в работе использовали природный полимер хитозан (ХТЗ) с молекулярной массой Msd=334000 Да, степенью деацетилирования 84%, производства ЗАО «Биопрогресс», Щелково.

В качестве лекарственных веществ были использованы антибиотики цефалоспоринового ряда - цефазолина натриевая соль (ЦФЗ), цефотаксима натриевая соль (ЦФТ), цефтазидима натриевая соль (ЦФД) и антибиотики аминогликозидного ряда - амикацина сульфат (AMC) и гентамицина сульфат (ГМС).

Методы исследования: ИК-, УФ- и ПМР-спектроскопия, эксикаторный (весовой) метод, вискозиметрия, лазерная сканирующая микроскопия.

Третья глава посвящена обсуждению и интерпретации полученных экспериментальных результатов.

Изучение кинетики и режима сорбции паров воды хитозановыми пленками

Установление физико-химических закономерностей диффузии низкомолекулярных веществ, например, лекарственных веществ (ЛВ) из хитозановых пленок в водную фазу диктует необходимость первостепенного изучения процесса диффузии воды в полимерную матрицу, поскольку обязательным условием, обеспечивающим диффузионный транспорт ЛВ из полимерной матрицы, является ее набухание в воде.

Для описания процессов диффузии в полимерных матрицах существует ряд моделей. Например, диффузия веществ в пленках набухающих полимеров (пластинах конечной толщины), описывается уравнением Ritger -Peppas:

-Si-=ktn, (1)

m„

где mt и т„,- текущее и равновесное количество диффузанта в полимерной матрице, к - константа, связанная с параметрами взаимодействия полимер — диффундирующее вещество, п - показатель режима переноса вещества Преимуществом использования данной модели является то, что по значению степенного показателя п можно охарактеризовать систему в целом. Так, в классическом диффузионном режиме, решение уравнения Фика имеет вид m/m,. ~ \'t, т.е. в этом случае значение показателя п в уравнении (1) равно 0.5. При этом, значения коэффициентов диффузии, рассчитанные на начальном Dsa (условие mt/rru<0.5) и на завершающем этапе диффузии D\ (условие mt/m„>0.5), совпадают. Выполнение равенства Dsa=DSb свидетельствует об отсутствии каких-либо осложнений в диффузионной системе полимер — низкомолекулярное вещество. При любом отклонении от нормального (классического) режима диффузии значения показателя п не равны 0.5. Так, если под влиянием диффузанта меняется структура полимерной матрицы и скорость релаксационных переходов VR в полимере меньше скорости диффузии VD, показатель п>0.5 и такая диффузия называется аномальной. Если скорость Vu оказывается меньше скорости VR, то значение степенного показателя п<0.5. Такой режим диффузии относят к псевдонормальному. При этом Dsa>DV Оба этих случая обнаружены при исследовании массопереноса в пленках хитозана.

На рис. 1-2 представлены кинетические кривые сорбции паров воды пленками ХТЗ и ХТЗ-ЛВ. Кривые сорбции пленок ХТЗ, ХТЗ-ЦФЗ и ХТЗ-ЦФТ имеют вид, типичный для неограниченно набухающих полимеров и процесс заканчивается растворением пленки. При добавлении к ХТЗ AMC и ГМС при мольном соотношении ХТЗ:ЛВ>1:0.1 вид сорбционной кривой изменяется - она приобретает вид, характерный для ограниченно набухающих полимеров (рис. 2). Увеличение количества ЛВ, введенного в пленку ХТЗ, приводит к уменьшению количества равновесно сорбированной воды m«,.

Значение параметра п, определенного для пленки индивидуального ХТЗ, равно 0.63 (т.е. >0.5, аномальный режим), что типично для полимеров, находящихся в неравновесном (стеклообразном) состоянии. Однако, добавление ЛВ в процессе получения хитозановой пленки во всех изученных случаях сопровождается уменьшением значения показателя п (табл. 1). При этом, для систем ХТЗ-AMC и ХТЗ-ГМС при содержании ЛВ в пленке >0.1 моль/моль ХТЗ значения показателя п лежат в диапазоне значений, характерных для случая псевдонормальной сорбции (п<0.5).

|»|.| I \T1

Л1 . i i ЧГ J

Iv.u 2Mi .(oti I. .,.„

Рис. 1 - Кинетическая кривая сорбции воды пленкой индивидуального ХТЗ (1) и пленкой ХТЗ-ЦФЗ в мольном соотношении 1:0.01 (2), 1:0.1 (4) и пленкой ХТЗ-ЦФТ 1:0.1 (3)

*ll IIMI 21Ю 251» .Чт

Рис. 2 - Кинетическая кривая сорбции воды пленкой индивидуального ХТЗ (1) и пленкой ХТЗ-АМС в мольном соотношении 1:0.01 (2), 1:0.05 (3), 1:0.1 (4) и 1:0.2 (5)

Таблица 1 - Параметры сорбции паров воды хитозановыми пленками

Состав пленки Содержание JIB в пленке, моль/моль ХТЗ щ», г/г ХТЗ п

ХТЗ 0 2.60±0.08 0.63±0.02

ХТЗ-ЦФЗ 0.01 2.42±0.07 0.62Ю.02

0.10 1.6б±0.0.5 0.59±0.02

ХТЗ-АМС 0.01 1.83±0.06 0.55±0.02

0.10 1.11±0.03 0.33±0.01

ХТЗ-NaCl 0.01 1.97±0.06 0.63±0.02

0.10 1.60±0.05 0.61±0.02

ХТЗ-АМХ 0.01 1.94±0.06 0.56±0.02

0.10 1.31±0.04 0.50±0.01

ХТЗ-ЦФД 0.01 1.35±0.04 0.48±0.01

0.10 1.00±0.03 0.33±0.01

Смена режима сорбции свидетельствует об изменениях, происходящих в системе полимер-диффундирующее вещество.

Возможные причины, приводящие к смене режима сорбции в системе ХТЗ-ЛВ

Вследствие того, что используемые в работе JIB представляют собой низкомолекулярные электролиты, их присутствие в растворе ХТЗ неизбежно вызывает увеличение ионной силы раствора и некоторое подавление эффекта полиэлектролитного набухания. Об этом свидетельствует закономерное уменьшение значений

характеристической вязкости ХТЗ (размеров макромолекулярного клубка) по мере добавления в раствор JIB (рис. 3, кривые 1 и 2). Уменьшение размеров макромолекулярных клубков, в свою очередь, приводит к увеличению плотности полимерных пленок (табл. 2), вследствие изменения конформационно-надмолекулярного состояния макромолекул ХТЗ. Аналогичного рода зависимости наблюдаются и в том случае, когда добавляется любой другой низкомолекулярный электролит, например, хлорид натрия (рис. 3, кривая 3). В этом случае также наблюдается некоторое увеличение плотности (табл. 2) и уменьшение показателя п (табл. 1).

Рис. 3 - Зависимость характеристической вязкости ХТЗ в растворе 1% уксусной кислоты в присутствии AMC (1), ЦФЗ (2), NaCl (3)

Таблица 2 - Значение плотности хитозановых пленок

Состав пленки Содержание JIB в пленке, моль/моль ХТЗ Плотность, г/см3

ХТЗ 0 1.37±0.03

ХТЗ-ЦФЗ 0.01 1.44±0.03

ХТЗ-АМС 0.01 1.46±0.03

ХТЗ-NaCl 0.01 1.40±0.03

Другой причиной, которая может привести к изменению режима сорбции, может стать перестройка химической структуры матрицы, сопровождающаяся потерей растворимости пленки в воде. Данное предположение вполне логично, учитывая, что смена

диффузионного режима с аномального на псевдонормальный при определенных соотношениях компонентов наблюдалась только в тех системах, где ЛВ представляло собой соль двухосновной кислоты, а именно, сульфатов амикацина и гентамицина.

Потеря растворимости пленки ХТЗ в воде в присутствии соли двухосновной кислоты может быть обусловлена протеканием обменных взаимодействий (схема 1), что с одной стороны, приводит к закреплению ЛВ на полимерной цепи, а с другой - к «сшиванию» хитозановых цепей. Если же ЛВ использовать не в виде соли двухосновной кислоты, а в виде соли одноосновной кислоты, например, хлорида, обменная реакция между ацетатом ХТЗ и АМХ (или ГМХ) сводится к образованию диссоциирующих в воде солей и смены режима сорбции не происходит (см. табл. 1).

Схема 1

о -ОШ,* ына+о" о

а-ын3'снасоо- -н ^ в ^^мл"^ к ' —

л) / ' сн,соо-

а!м-

СНзСОО"

о-„

ш3

о. , СНаСОО ЫНа ^ МН/СЦСОО-

2 ^ 5 +

о > снзсоо'ынз'''^ \>ш3*смзсоо-

Если причина смены режима сорбции паров воды с аномального на псевдонормальный связана с потерей растворимости пленок в воде, то к подобному результату должен привести любой способ модификации пленки, обеспечивающий потерю растворимости.

Например, пленки ХТЗ теряют растворимость в воде (и изменяют сорбционный режим) не только в присутствии солей двухосновной серной кислоты, но и в присутствии антибиотика

цефалоспорикового ряда - ЦФД, представляющего собой натриевую соль двухосновной цефтазидимовой кислоты (см. табл. 1).

Другим способом модификации может стать термическая модификация пленки. В процессе термомодификации происходит целый ряд процессов, приводящих к потере растворимости пленок в воде. В частности, обнаружено, что помимо реакции ацшгарования, происходит частичная деструкция полимера, увеличивающая содержание концевых альдегидных групп, которые реагируя с аминогруппами, сшивают макромолекулы ХТЗ за счет образования азометиновых связей. Потеря растворимости пленок в воде и в этом случае сопровождается изменением степенного показателя п (табл. 3), а, следовательно, и режима сорбции. Важно то, что наряду с уменьшением численного значения показателя п, происходит уменьшение скорости и степени сорбции воды хитозановыми пленками.

Таблица 3 - Параметры сорбции паров воды хитозановыми пленками, подвергнутыми термомодификации_

Состав Концентрация ЛВ Время п т,,

пленки в пленке, модифика г/г ХТЗ

моль/моль ХТЗ ции, мин

ХТЗ 0 15 0.50±0.01 2.50±0.07

30 0.48±0.01 2.48±0.07

60 0.44±0.01 2.48±0.07

120 0.43±0.01 2.47±0.07

ХТЗ-ЦФЗ 0.01 30 0.44±0.01 2.14±0.06

60 0.42±0.01 1.86±0.05

120 0.41±0.01 1.44±0.04

ХТЗ-АМС 0.01 30 0.34±0.01 1.58±0.05

60 0.27±0.01 1.46±0.04

120 0.25±0.01 1.31±0.04

Обращает на себя внимание факт, что несмотря на то, что все пленки, прошедшие термомодифшсацию, нерастворимы в воде, тем не менее, существует довольно значительная разница между значениями показателя п для различных систем ХТЗ - ЛВ. В связи с этим, можно говорить о том, что растворимость пленок является весомым фактором, определяющим режим процесса сорбции, но, не единственным. Еще одной причиной уменьшения показателя п может стать взаимодействие между полимером и ЛВ.

Для изучения возможного взаимодействия ХТЗ с JIB были использованы методы УФ-, ИК-, ПМР-спектроскопии и лазерной сканирующей мшфоскопии.

Химическое взаимодействие между антибиотиками и ХТЗ имеет место уже в растворах. При добавлении в раствор ЛВ эквивалентного количества ХТЗ (который в УФ-области не поглощает), интенсивность пика поглощения ЛВ заметно возрастает, а максимум поглощения батохромно сдвигается примерно на 5-10 нм. Сдвиг максимума поглощения в длинноволновую область свидетельствует об изменении (уменьшении) энергии системы ХТЗ-ЛВ, что связано с переходом системы в энергетически более выгодное состояние вследствие образования комплексного соединения.

Использование метода мольных отношений позволило определить, что соотношение стехиометрических коэффициентов для комплексов ХТЗ с ЦФЗ и ЦФТ составляет 1:1, для комплексов ХТЗ с AMC, ГМС и ЦФД- 2:1 (рис. 4-5).

■Um

_да ни' и

-|—1—Г—1—1—п*

М 1л 1.5 м

Рис. 4 - Кривая насыщения для комплекса ХТЗ с ЦФЗ в 1% уксусной кислоте

" А

Ii 1..

!М (; |>ЙВ< I

~Г"—Г*— i.'t : я .'л

Рис. 5 - Кривая насыщения для комплекса ХТЗ с AMC в 1% уксусной кислоте

Обращает на себя внимание тот факт, что прирост интенсивности пика поглощения аддукта реакции ХТЗ-ЛВ по сравнению с оптической плотностью ЛВ увеличивается в ряду ЦФЗ<ЦФТ<ГМС<АМС<ЦФД и коррелирует со значениями степенного показателя п.

По различию в значениях длин волн Лк, соответствующих максимуму поглощения комплекса и индивидуального ЛВ, можно оценить энергию связи в комплексном соединении по формуле Планка:

^ (2)

где ЛЕ -энергия связи, А - постоянная Планка, с - скорость

света.

Значение энергии связи в комплексах ХТЗ с изучаемыми JIB, оцененные по сдвигу максимумов поглощения в УФ-спектрах, составляют порядка 10-15 хДж/моль. Небольшие значения величин энергий связи позволяют предположить, что комплексообразование осуществляется посредством водородных связей.

Взаимодействие изучаемых аитибиогиков с ХТЗ подтверждается данными ИК-спектроскопии. Сдвиг

характеристических полос поглощения и в JIB, и в ХТЗ (табл. 4) в подавляющем большинстве случаев происходит а сторону меньших значений волновых чисел, что позволяет говорить об имеющем место комплексообразовании ХТЗ с ЛВ, осуществляемом за счет водородных связей, в образовании которых принимают участие аминогруппы ХТЗ, карбонильные групп ЦФЗ, ЦФТ и ЦФД и аминогруппы AMC и ГМС.

Таблица 4 - Влияние комплексовбразования на значения характеристических полос поглощения ХТЗ в ИК-спектрах __анализируемых соединений XT3-JIB_

Анализируемая группа Сдвиг (в см"1) характеристической полосы поглощения деформационных колебаний анализируемой группы в соединении

ХТЗ- ЦФЗ ХТЗ-ЦФТ ХТЗ-ЦФД ХТЗ-АМС ХТЗ-ГМС

Первичная МН-группа в ХТЗ +5 -8 -17 -58 -35

Вторичная МН-группа в ХТЗ -27 -47 -56 -10 +3

Гидроксильная группа в ХТЗ -5 -6 -7 0 0

Карбоксильная группа в ЛВ -15 -15 -20 -

Лахтамная группа в ЛВ -18 -53 -37 - -

Первичная МН-группа в ЛВ - -35 -44 -83 -60

Вторичная КН-группа в ЛВ -37 -60 -55 -6

Взаимодействие ХТЗ с ЛВ носит не только объемный, но и поверхностный характер и сопровождается изменением рельефа поверхности пленки Данные лазерной сканирующей микроскопии свидетельствуют о том, что все пленочные образцы, полученные

удалением растворителя, имеют шероховатую поверхность и развитую систему микропор (ряс. 6). Проведение термомодификации и введение в пленку ЛВ (рис. 7) приводит к некоторому уменьшению шероховатости поверхности. Вследствие шероховатости реальная поверхность Эр пленки существенно выше, нежели геометрическая 8Г, что может найти отражения в численных значениях коэффициентов диффузии (табл. 5).

» . . • v

1 „■■ л. <.'■' 1

«.ее- - . Л- %ув,а 5

л. ^ - " -Г 'И

¿9 *« ** * -и , * * 1

• '-Ч-

- и

- - V - ..

ь. ' ^ *

« « 1.« 1.5

Рис. 6 - Микрофотография и профиль поверхности пленки индивидуального ХТЗ

см

Т"1 ' «■" 1

р. и

'й г? I.» I.'

Е-млпя!

Рис. 7 - Микрофотография и профиль поверхности пленки ХТЗ-АМС

Таблица 5 - Значения коэффициентов диффузии воды в пленки

Исследуе мая система вр/ Бг Без учета рельефа поверхности С учетом рельефа поверхности

*10п, см2/сек В5Ь *Юи, см2/сек О", 'МО11, см2/сек В\*10и, см2/сек

Исходная пленка ХТЗ 3.3 36.29±1.09 36.05±1.08 11.00±0.33 10.92±0.33

Пленка ХТЗ-ЦФЗ 2.0 3.30±0.09 2.02±0.0б 1.65±0.05 1.01±0.03

Пленка ХТЗ-АМХ 2.4 3.25±0.10 1.70±0.05 1.25±0.04 0.71±0.03

Пленка ХТЗ-ЛМС 2.9 2.94±0.09 0.90±0.03 1.01±0.03 0.31±0.01

Пленка 3.0

ХТЗ-ЦФД 1.41±0.04 0.45±0.01 0.47±0.01 0.15±0.01

Обращают на себя внимание два момента. Во-первых, это то, что коэффициенты диффузии воды в пленках ХТЗ-ЛВ выстраиваются в

закономерный

ряд

Ds(

'в(ХТЗ-ЦФЗ)>08(ХТЗ-АМХК1-'8(ХТЗ-.АЛ1С)''^'!(ХТЗ-ЦФД|,

:«>Ц

>DS,

коррелирующий со значениями степенного показателя п. А во-вторых, то, что введение ЛВ при формировании пленки ХТЗ приводит к существенному уменьшению значений коэффициентов диффузии, что однозначно говорит об имеющей место модификации полимерной матрицы.

Отметим также то, что значения коэффициентов диффузии, рассчитанные на начальном и конечном этапе диффузии не совпадают что является дополнительным подтверждением отклонения режима сорбции паров воды лекарственными хитозановыми пленками от классического фиковского режима и реализации псевдонормального режима диффузии. Более того, для всех изученных систем ХТЗ-ЛВ, значения коэффициентов диффузии закономерно уменьшаются при увеличении содержания ЛВ в пленке ХТЗ, и при увеличении времени термической модификации (рис. 8 и 9), что свидетельствует в пользу того, что и в том, и в другом случае имеет место структурно-химическая модификация полимерной матрицы.

|> « 10 . сч 'сек ' 3+

2.5

2.0

1,5

1.0

1>1 к). сч" сек i i.VO

2.5

2.0

1,5

40 КО I» время терчомилнфнкаини. мин

Рис. 8 - Зависимость коэффициентов диффузии воды от времени термомодификации на начальном D'a (1, 3) и завершающем этапе D\ (2, 4) кривой сорбции для пленок ХТЗ с • - AMC и □ -ЦФЗ состава 1:0.01

0.И4 0.08

сшшншк'пие .IBATJ. ilaib Müfb

Рис. 9 - Зависимость коэффициентов диффузии воды от состава на начальном D"a (1,

3) и завершающем этапе Dsb (2,

4) кривой сорбции для пленок ХТЗ с • -AMC и о -ЦФЗ. Время термомодификации - 30 минут

Таким образом, взаимодействие ХТЗ с ЛВ может быть, по крайней мере, двух типов. Во-первых, это комплексообразование между ХТЗ и ЛВ, которое осуществляется посредством кооперативного взаимодействия макромолекулы за счет водородных связей. Во-вторых, это солеобразование, которое в случае систем ХТЗ-ЦФЗ, ХТЗ-ЦФТ и ХТЗ-АМХ приводит к образованию растворимых в воде солей, а в случае систем AMC, ГМС и ЦФД - нерастворимых в воде полимерных солей. И комплексообразование, и солеобразование приводит к связыванию ЛВ с хитозановой цепью.

Данные о доле антибиотика, связанного в полимерные аддукты (ß), полученные из растворов в уксусной кислоте, представлены в табл. 6.

Таблица 6 - Массовая доля антибиотика ß, определенная в

аддуктах реакции, полученных из 1% уксусной кислоты

Используемый антибиотик Концентрация ЛВ, моль/ моль ХТЗ ß

ЦФЗ 1.00 0.141±0.003

0.10 0.082±0.002

0.05 0.040±0.001

0.01 0.019±0.001

ЦФТ 1.00 0.162±0.003

0.10 0.093±0.002

0.05 0.054±0.001

0.01 0.023±0.001

AMC 1.00 0.721±0.014

0.10 0.335±0.007

0.05 0.213±0.004

0.01 0.074±0.002

ГМС 1.00 0.690±0.014

0.10 0.301±0.007

0.05 0.202±0.004

0.01 0.059±0.002

АМХ 1.00 0.372±0.007

0.10 0.201±0.004

0.05 0.083±0.002

0.01 0.044±0.001

ЦФД 1.00 0.655±0.013

0.10 0.480±0.010

0.05 0.425±0.008

0.01 0.321±0.007

Можно отметить, что именно в том случае, когда ЛВ способно образовывать нерастворимые в воде соли (системы ХТЗ-АМС, ХТЗ-ГМС и ХТЗ-ЦФД), массовая доля антибиотика Р, определенная в аддуктах реакции, существенно больше, нежели в том случае, когда адцукт реакции состоит только из комплекса ХТЗ-ЛВ (системы ХТЗ-ЦФЗ, ХТЗ-ЦФТ и ХТЗ-АМХ). Более того, существует четкая корреляция между степенным показателем п, характеризующим режим сорбции воды хитозановыми пленками (рис. 10), а также значениями коэффициентов диффузии воды в пленки и долей антибиотика Р, определенной в аддуктах реакции.

ni 1

«.7 -

0.6 il .

0,5 ж Я

•Ы

0.2 -

0.1 1 1 1

0,1 (1.1 0.J

О 2

0.4

Рис. 10 - Зависимость степенного показателя п, характеризующего режим сорбции воды пленками ХТЗ-ЛВ, определенного для растворимых (кривая 1) и нерастворимых в воде пленок (кривая 2) от доли ЛВ ß, обнаруживаемого в аддуктах реакции ХТЗ с: • -ЦФЗ; □ -ЦФТ; О -ЦФД; ■ -AMC; о -ГМС; Д -АМХ. Время термомодификации (кривая 2) - 30 минут

Поскольку существует очевидная взаимосвязь между процессами сорбции воды хитозановыми пленками и транспортом ЛВ из них, можно ожидать, что найденные закономерности процесса сорбции найдут свое отражение в особенностях диффузии лекарственных препаратов - антибиотиков из хитозановой матрицы.

Кинетика и режим диффузии лекарственного вещества из хитозановых пленок

На рис. 9 представлены экспериментальные кривые выхода ЛВ из лекарственных хитозановых пленок. Как видно из сравнений кинетических кривых, их вид в случае растворимых и нерастворимых в воде пленок существенно различается. В том случае, когда пленка является водорастворимой, процесс выделения ЛВ из хитозановой пленки происходит быстро (рис. 11, кривые 1,2) и скорость высвобождения ЛВ в этом случае определяется соотношением скоростей диффузии ЛВ из пленки и скорости растворения полимерной матрицы.

Рис. 11 - Кинетические кривые высвобождения ЛВ из пленочных систем ХТЗ-ЦФЗ с мольным соотношением 1:0.1 (1), ХТЗ-АМС с мольным соотношением 1:0.01 (2) и 1:0.1(4) и ХТЗ-ГМС с мольным соотношением 1:0.1 (3)

В том случае, когда пленка является нерастворимой в воде, диффузия ЛВ происходит существенно медленнее, при этом кинетическая кривая выходит на явно выраженный предел, соответствующий равновесному выходу ЛВ (G»), Чем больше ЛВ находится в пленке, тем меньше доля ЛВ а, предельно выделяющаяся в результате диффузии. Для реализации псевдонормального режима диффузии и обеспечения пролонгирования выхода ЛВ, все лекарственные хитозановые пленки были переведены в нерастворимое состояние путем термомодификации.

Действительно, как показали проведенные исследования, во всех изученных случаях режим диффузии является псевдонормальным (табл. 7). Значения степенного показателя m, характеризующего режим диффузии ЛВ из хитозановых пленок, так же как и значения коэффициентов диффузии D"3 и D'b, определенные на начальном и конечном участке кинетической кривой в координатах Gs/G„-t и 1п(1-G,/G„)-t, соответственно, находятся в закономерной взаимосвязи с долей ЛВ (5, обнаруживаемого в адцуктах реакции (рис. 12-13). Факт зависимости коэффициентов диффузии ЛВ из полимерной пленки от доли ЛВ, закрепленного на полимерной матрице и от времени проведения термомодификации, являются подтверждением имеющей место модификации хитозановой матрицы, происходящей и под действием ЛВ, и в процессе термомодификации.

Таблица 7 - Параметры диффузии ЛВ из хитозановых пленок

Состав пленки Концентрация ЛВ в пленке, моль/моль ХТЗ Время модификации, мин а m

ХТЗ-ЦФЗ 1:0.01 30 0.97±0.03 0.39±0.01

60 0.95±0.03 0.35±0.01

120 0.93±0.03 0.31±0.01

1:0.05 30 0.95±0.03 0.33±0.01

1:0.1 30 0.90±0.03 0.29±0.01

ХТЗ- 1:0.01 30 0.94±0.03 0.30±0.01

АМС 60 0.90±0.03 0.22±0.01

120 0.85±0.03 0.20±0.01

1:0.05 30 0.80±0.02 0.18±0.01

1:0.1 0 0.87±0.03 0.29±0.01

1:0.1 30 0.70±0.02 0.16±0.01

0,4 0,3 0,2 0,1

♦ о

-i.

0,1 0.2 0.3 0,4 0.5 Рис. 12 - Зависимость степенного показателя т, характеризующего режим диффузии ЛВ из хитозановых пленок от доли ЛВ ß, обнаруживаемого в аддуктах реакции, для пленок ХТЗ с • -ЦФЗ; о -ЦФТ; О -ЦФД; ■ -AMC; о -ГМС; А -АМХ. Время термомодификации - 30 минут

Рис. 13 - Зависимость коэффициен-тов диффузии на начальном D5a (1,3,5) и конечном этапе D\ (2,4,6) кинетической кривой, от доли ЛВ Р, обнаруживаемого в аддуктах реакции, для пленок ХТЗ с • -ЦФЗ; d -ЦФТ; О ЦФД; а -АМС; о -ГМС; А -АМХ. Время

термомодификации - 30 (1,2), 60 (3,4) и 120 (5,6) минут

Таким образом, можно констатировать, что закономерности процесса транспорта ЛВ из хитозановой матрицы аналогичны тем, что имели место в процессе сорбции пленками паров воды. Показатели п и m закономерно изменяются вследствие целого ряда причин, среди которых - конформационная перестройка макроцепей в присутствии ЛВ и соответственное увеличение плотности пленочных образцов; перевод ХТЗ в нерастворимую форму, вследствие реакции термомодификации или образования нерастворимых солей; взаимодействие между хитозановой матрицей и ЛВ, фактически приводящее к структурной модификации полимерной матрицы. Во всех изученных случаях симбатно изменению показателя п, характеризующего режим транспорта воды в полимерную пленку, изменяется и показатель га,

характеризующий режим транспорта антибиотика из полимерной пленки.

Фактически, изменение режима диффузии свидетельствует об изменении соотношения между скоростями релаксации структуры полимерной матрицы Vr и диффузии Vd- Например, скорость диффузии VD может уменьшиться вследствие химического удерживания полимером молекул антибиотиков, а также вследствие ухудшения растворимости пленок, т.е. уменьшения сорбции воды. Другой возможной причиной может стать увеличение скорости Vr, вследствие приближения конформаций макромолекул к равновесному состоянию в результате подавления эффекта полиэлектролитного набухания при добавлении низкомолекулярных электролитов - антибиотиков. В результате соотношение скоростей диффузии и релаксации изменяется, что сказывается на изменении режима диффузии, а также степени пролонгирования выхода ЛВ.

Для установления общих подходов, позволяющих направленно изменять скорость выхода лекарственных препаратов из полимерной матрицы, существенен тот факт, что время выделения ЛВ будет определяться временем растворения пленки на раневой поверхности. Перевод пленки в нерастворимую форму с соответственным пролонгированием выхода ЛВ может быть осуществлен двумя способами. Во-первых, посредством термомодификации, а во-вторых, благодаря частичному переводу растворимого в воде ацетата ХТЗ, в нерастворимую соль, например, в сульфат ХТЗ. В обоих случаях происходит структурно-химическая модификация полимерной матрицы, которая приводит к важному следствию - смене режима диффузии, в результате чего быстрый равномерный полный выход ЛВ по линейному закону, имеющий место вследствие растворения пленки, меняется на неравномерный, состоящий из двух этапов - короткого по времени начального, в котором имеет место относительно быстрое выделение ЛВ, и гораздо более длительного завершающего, скорость выделения ЛВ на котором существенно меньше. Смена режима диффузии сопровождается значительным уменьшением скорости высвобождения ЛВ как на начальном, так и на завершающем участке (табл. 8) и обеспечивает пролонгирование выхода ЛВ.

Таблица 8 - Кинетические характеристики пленок ХТЗ:ЦФЗ состава 1:0.01 __

Содержание сульфата натрия, моль/мольХТЗ Время термомодификации, мин. ш скорость высвобождения ЛВ на начальном участке, % масс./час

0 0 0.63±0.02 100.00±3.00

30 0.39±0.01 18.52±0.55

60 0.35±0.01 17.44±0.52

0.1 30 0.36±0.01 18.10±0.54

0.2 0 0.29±0.01 7.80±0.23

30 0.29±0.01 7.50±0.22

ВЫВОДЫ:

1. Обнаружено, что процесс сорбции паров воды пленками индивидуального хитозана с неравновесной надмолекулярной структурой подчиняется аномально-диффузионному режиму. Потеря растворимости пленок, вызванная процессом химической модификации, имеющей место при проведении термомодификации или добавлении лекарственного препарата, представляющего собой соль двухосновной кислоты, обусловливает структурные изменения в полимерной матрице, носящие как объемный, так и поверхностный характер и сопровождается сменой режима сорбции с аномально-диффузионного на псевдонормальный.

2. Показано, что процесс сорбции паров воды хитозановыми пленками обусловливает закономерности транспорта лекарственного вещества из полимерной пленки. Во всех изученных случаях симбатно изменению степенного показателя в уравнении Кк£ег-Рерраз, характеризующего режим транспорта воды в полимерную пленку, изменяется и степенной показатель, характеризующий режим транспорта антибиотика из полимерной пленки.

3. Установлена корреляция между значениями коэффициентов диффузии и степенных показателей, характеризующих диффузию воды в полимерную пленку и диффузию лекарственного вещества из нее и долей лекарственного вещества, связанного с полимерной цепью. Чем больше доля лекарственного вещества, связанного с полимерной цепью, тем меньше при прочих равных условиях значения коэффициентов диффузии и степенных показателей, определяющих процессы диффузии

в хитозановых пленках, и тем медленнее происходит транспорт лекарственного вещества из полимерной матрицы.

4. Значения равновесной сорбции, доли лекарственного вещества, участвующего в процессе диффузии и степенных показателей, определяющих режимы диффузии, закономерно уменьшаются при увеличении времени термомодификации и при увеличении количества лекарственного вещества, введенного в полимерную матрицу.

5. Найдены практически удобные подходы к регулированию транспортных свойств хитозановых пленок, заключающиеся в целенаправленной химической модификации за счет проведения термомодификации или обменной реакции с получением ограниченно набухающих пленок, позволяющие направленно изменять скорость и степень выхода лекарственных препаратов - антибиотиков из полимерной матрицы.

Список опубликованных работ по теме диссертации: Статьи в журналах:

1. Кулиш Е.И., Мурзагильдина A.C.. Мударисова Р.Х., Кузина Л.Г., Колосов C.B. Об особенностях взаимодействия хигозана с антибиотиком гентамицином в уксуснокислых растворах Н Вестник Башкирского университета.

2012. - Т. 17. -№ 1. -С. 25-27.

2. Кузина Л.Г., Мурзагильдина A.C.. Чернова В.В., Кулиш Е.И Влияние степени протежирования хигозана на некоторые его свойства // Вестник Башкирского университета. 2012. - Т. 17.-№2. -С. 902-905.

3. Мурзагильдина A.C.. Кулиш Е.И., Кузина Л.Г., Мударисова Р.Х, Колесов C.B., Заиков Г.Е. Модифицированные хигозановые пленки с регулируемыми транспортными свойствами// Пластические массы. 2012. - №10. -С. 48-51.

4. Кулиш Е.И., Шур шина A.C.. Колесов C.B. Аппликационные антибактериальные материалы на основе хигозана // Перспективные материалы.

2013,-№8. -С. 45-51.

5. Кулиш Е.И., Шур шина АС.. Колесов C.B. Особенности сорбции паров воды Х1ггозановыми пленками // Журнал прикладной химии. 2013. -№10. -С. 15831590.

6. Kulish Е. I., Shurshina A. S., and Kolesov S. V. Specific Feature of Water Vapor Sorption by Chitosan Medicated Films // Russian Journal of Applied Chemistry. 2013. -№. 10. -P. 1537-1544.

Статьи в сборниках научных трудов и тезисы докладов:

7. Мурзагильдина A.C.. Туктарова И.Ф. Некоторые подходы к созданию пленочных антибактериальных покрытий на основе хигозана пролонгированного действия // Межвузовский сборник научных трудов «Химия биологически активных веществ». Саратов. -2012. -С. 338-339.

8. Чернова В.В., Мурзагильдина A.C.. Кузина Л.Г., Кулиш Е.И. Влияние кислотности среды на конформационное состояние хигозана и на его реакционную способность // Материалы 11 международной конференции

«Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». Мурманск. -2012. -С. 228-232.

9. Мурзагильдина A.C.. Кулиш Е.И., Кузина Л.Г., Колесов C.B. Подходы к созданию антибактериальных пленочных покрытий на основе хитозана пролонгированного действия // Материалы 11 международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». Мурманск. -2012. -С. 381-385.

10. Щуршина A.C.. Кулиш Е.И., Колесов C.B. Раневые покрытия на основе хитозана // Сборник материалов Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании». Уфа. -2012. -С. 89-98.

11. Мурзагильдина A.C.. Мударисова Р.Х., Кулиш Е.И.Исследование пленок хитозана, иммобилизованных аминосо держащими антибиотиками // Тезисы докладов 6-ой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых "Modem problems of polymer science». Сашсг- Петербург. -2010. -С. 15.

12. Мурзагильдина A.C. Иодсодержащие хитозановые пленки // Материалы 18 международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Москва -2011. -С. 114.

13. Мурзагильдина A.C. Взаимодействие хитозана с гентамицином // Тезисы докладов VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев - 2012». Санкт-Петербург. -2012.-С. 361-363.

14. Мурзагильдина A.C.. Туктарова И.Ф. Антибактериальные пленочные покрытия на основе хитозана пролонгированного действия // Материалы 19 международного научного форума «Ломоносов-2012». Москва. -2012. -С. 126.

15. Мурзагильдина A.C. Пленочные покрытия на основе хитозана пролонгированного действия // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений». Уфа. -2012. -С. 110-111.

16. Murzagildina A.S.. Kulish E.I., Kuzina L.G., Mudarisova P.Kh., Kolesov S.V., Zaikov G.E. Modification of chitosan films as way of regulation then-transport properties // Международная конференция «Polymerie Materials». Germany, Halle-Saale. -2012. -С. 74-75.

17. Щуршина A.C.. Кулиш Е.И. Диффузия в системе хитозан -лекарственное вещество // Сборник тезисов Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений». Уфа. -2012. -С. 64.

18. Щуршина A.C.. Кулиш Е.И. Изучение диффузии в пленочных покрытиях пролонгированного действия на основе хитозана // Международная молодежная конференция «Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов». Казань. -2012. -С. 56-57.

19. Щуршина A.C. Изучение процесса сорбции воды пленочной системой хитозан-амикацин // Материалы 20 между народного научного форума «Ломоносов-2013». Москва. -2013. -С. 126.

20. Щуршина A.C.. Захарова А.И., Кулиш Е.И. Коэффициент диффузии

в системе хитозан - хлорид амикацина // Тезисы докладов Международной школы-конференции для студентов, аспирантов и молодых зченых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» Уфа. -2013 -С. 166.

21. Шукшина A.C.. Кулиш Е.И. Определение диффузионных характеристик системы хитшан-антибиотик цефалоспоринового ряда // Тезисы докладов IX всероссийской конференции «Химия и медицина» с молодежной научной школой по органической химии. Уфа-Абзаково. -2013. -С. 338.

ШУРШИНА Анжела Саматовна

СОРБЦИОННЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА

Специальность 02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 021319 от 05.01.99 г.

Подписано в печать 03.01.14 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,38. Уч.-изд. л. 1,04. Тираж 150 экз. Заказ 31.

Редакционно-издательский центр Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. ЗакиВалиди, 32.

Отпечатано на множительном участке Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Шуршина, Анжела Саматовна, Уфа

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Башкирский государственный университет

На правах рукописи

0420145^745

ШУРШИНА АНЖЕЛА САМАТОВНА

СОРБЦИОННЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НА

ОСНОВЕ ХИТОЗАНА

(02.00.04 - Физическая химия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук доцент Е.И. Кулиш

Уфа -2014

Содержание

Введение 5

1. Литературный обзор 9

1.1. Полимерные системы доставки лекарственных средств 9

1.1.1. Полимеры, используемые для создания систем доставки

лекарственных средств 10

1.1.1.1. Полимер с собственной физиологической активностью -

хитозан 11

1.2. Лекарственные формы, используемые для создания полимерных систем доставки лекарственных средств 15

1.2.1. Лекарственные формы с направленной доставкой 16

1.2.2. Лекарственные формы с контролируемой доставкой. Раневые покрытия 19

1.2.2.1. Пленочные покрытия на основе хитозана 25

1.3. Режимы высвобождения лекарственных веществ из полимерных систем 28

1.3.1. Диффузионный режим высвобождения лекарственных

средств 29

1.3.1.1. Аномалии процесса диффузии и причины их вызывающие 3 5

Заключение по литературному обзору 44

2. Экспериментальная часть 46

2.1. Характеристика исходных веществ и реагентов 46

2.2. Методика эксперимента 49

2.2.1. Приготовление раствора ацетатного буфера 49

2.2.2. Приготовление пленок хитозана 49

2.2.3. Приготовление пленок хитозан-лекарственное вещество (низкомолекулярный электролит) 50

2.2.4. Термомодификация хитозановых пленок 50

2.2.5. Изучение кинетики и режима сорбции воды хитозановыми пленками 51

2.2.6. Изучение кинетики и режима высвобождения лекарственных веществ из пленочных систем 52

2.2.7. Изучение взаимодействия хитозана с лекарственными веществами методом УФ-спектрофотометрии 53

2.2.8. Определение состава комплекса 53

2.2.9. Изучение взаимодействия хитозана с лекарственными веществами методом ИК-спектроскопии 54

2.2.10. Изучение взаимодействия хитозана с лекарственными веществами методом ПМР-спектроскопии 54

2.2.11. Определение доли лекарственного вещества, прочно закрепленного на хитозановой матрице 54

2.2.12. Оценка конформационного состояния хитозана методом вискозиметрии 55

2.2.13. Определение плотности хитозановых пленок 56

2.2.14. Изучение структуры поверхности пленок 57

2.2.15. Обработка результатов измерений 57

3.Обсуждение результатов 59

3.1. Изучение кинетики и режима сорбция паров воды хитозановыми пленками 59

3.1.1. Влияния конформационно-надмолекулярного состояния полимерной матрицы на кинетику и режим сорбции паров воды хитозановыми

пленками 64

3.1.2. Влияние растворимости полимерной матрицы на кинетику и режим сорбции паров воды хитозановыми пленками 69

3.2. Взаимодействие хитозана с лекарственными веществами 79

3.2.1. Исследование взаимодействия хитозана с лекарственными веществами методом УФ-спектроскопии 79

3.2.2. Исследование взаимодействия хитозана с лекарственными веществами методом ИК-спектроскопии 86

3.2.3. Исследование взаимодействия хитозана с лекарственными веществами методом ПМР-спектроскопии 89

3.2.4. Исследование взаимодействия хитозана с лекарственными веществами методом лазерной сканирующей микроскопии 92

3.3. Кинетика и режим диффузии лекарственного вещества из хитозановых пленок 106

3.4. Некоторые практические следствия 115 Заключение 120 Выводы 122 Список литературы 124 Приложение 145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последние десятилетия проводятся интенсивные исследования по разработке полимерных систем с контролируемой доставкой лекарственных средств, поскольку использование для этой цели полимеров устраняет многие недостатки традиционных лекарственных форм. Так, например, такие традиционные лекарственные формы как повязки, с нанесенными лекарственными мазями, гелями и пр., обычно применяемые для лечения ожоговых, хирургических и. долго незаживающих ран, неспособны к необходимой сорбции ранеотделяемой жидкости с сохранением нормального воздухообмена, не позволяют обеспечить постоянство концентрации лекарственного препарата из-за разбавления раневым экссудатом и неравномерности контакта лекарственной формы с тканями пациента, а также сопровождаются крайне болезненной процедурой смены повязки. Достоинство полимерных систем, например, полимерных пленок, с включенными в полимерную матрицу лекарственными препаратами, заключается в возможности длительного поддержания требуемого уровня лекарственного препарата на тканях пациента весь необходимый период времени. Более того, полимерная пленка может соответствовать ряду специальных требований, включающих: атравматичность, обусловленную возможностью постепенного биоразрушения пленки на ране, высокую сорбционную способность, защиту от инфицирования извне и др. Уникальные свойства аминополисахарида хитозана (ХТЗ) -биосовместимость с тканями организма, бактериостатичность, способность усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, биодеградируемость, способность к пленкообразованию и т.д., предопределяют возможность использования ХТЗ в качестве полимера-носителя лекарственного препарата для создания пленочных защитных покрытий пролонгированного действия для лечения ожоговых, хирургических и долго незаживающих ран. В связи с этим, разработка физико-химических основ создания лекарственных пленок на основе ХТЗ с регулируемыми сорбционными и транспортными характеристиками, представляется важной и актуальной задачей.

Задачи работы;

-Установление закономерностей сорбции паров воды в хитозановые пленки и пленки хитозан - лекарственное вещество;

-Установление закономерностей диффузии низкомолекулярных лекарственных веществ (JIB) из хитозановых пленок;

Научная значимость работы. В ходе диссертационного исследования впервые установлено:

-закономерности процесса сорбции воды хитозановыми пленками определяют и закономерности процесса транспорта молекул лекарственного вещества из этих пленок;

-обнаружено, что выход ЛВ из хитозановой пленки может быть целенаправленно пролонгирован за счет проведения термомодификации, сопровождающейся релаксацией неравновесной надмолекулярной структуры и изменением химической структуры полимерной матрицы, в том числе за счет частичного сшивания макромолекулярных цепей. Показано, что потеря растворимости хитозановых пленок в воде приводит к смене режима сорбции, что, в свою очередь, влечет за собой значительное уменьшение скорости высвобождения ЛВ как на начальном, так и на конечном этапе диффузии.

Практическая значимость работы.

Несомненной практической значимостью работы можно считать выявленную высокую противовоспалительную активность лекарственных пленочных материалов на основе ХТЗ в отношении двух наиболее частых возбудителей госпитальной раневой инфекции - Stahhylococcus aureus и Pseudomonas aerugenosa.

Международной конференции «PolymericMaterials 2012», Halle (Saale), Germany, 2012; Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений», Уфа, 2012; Международной молодежной конференции «Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов», Казань, 2012; IX Всероссийской конференции «Химия и медицина», Уфа, 2013.

1. Литературный обзор

1.1. Полимерные системы доставки лекарственных средств

В последние десятилетия проводятся интенсивные исследования по разработке полимерных систем с контролируемой доставкой лекарственных веществ [1-17]. Главное достоинство этих систем заключается в возможности длительного и стационарного поддержания требуемого уровня лекарственного препарата в крови и/или тканях пациента на необходимый период времени. Это позволяет избегать высоких стартовых концентраций препарата и уменьшить число процедур. Применение таких систем позволяет устранить многие ограничения перорального, инъекционного, аэрозольного и других способов путем использования традиционных лекарственных форм. Полимерные системы с контролируемой доставкой ЛВ также позволяют: 1) обеспечить постоянную концентрацию терапевтически активного соединения; 2) варьировать время и скорость высвобождения; 3) целенаправленно вводить препарат в организм; 4) устранить побочные эффекты лекарств и частое дозирование; 6) решить проблемы, связанные со стабильностью лекарств [18].

Полимерные системы доставки ЛВ по сути представляют собой пролонгированные лекарственные формы, в которых ЛВ распределено в массе полимера или защищено полимерной оболочкой. Пролонгированная доставка препаратов остро востребована при различных, в том числе долготекущих и системных заболеваниях. Особенно актуальны полимерные системы с контролируемой доставкой лекарственных препаратов на основе биодеградируемых полимерных матриксов для депонирования противоопухолевых препаратов, для лечения длительно текущих инфицированных костных тканей, в лечении сахарного диабета, а также для лечения ожогов и трудно заживаемых ран.

Многообразие материалов, используемых для получения систем с контролируемой доставкой ЛВ, позволяет создавать системы для разнообразных

лекарственных средств различных типов, которые можно классифицировать различным образом. Например: 1) по типу используемого полимера, который может обладать, а может и не обладать собственной физиологической активностью; 2) по способу пролонгирования, который может быть физиологическим, физическим и химическим; 3) по способу доставки полимерные системы доставки JIB делятся на лекарственные формы с контролируемым высвобождением и контролируемой доставкой; 4) по режиму высвобождения JIB - на контролируемые диффузией, контролируемые растворением и контролируемые деструкцией; 5) по используемому материалу -на биодеградируемые и не биодеградируемые [19]. Также полимерные системы с контролируемой доставкой JIB можно классифицировать по месту применения, способу введения, биологическому действию и т.д.

1.1 Л.Полимеры, используемые для создания систем доставки лекарственных

средств

Успех конструирования полимерных систем с контролируемым высвобождением физиологически активных соединений во многом определяется наличием адекватного материала, используемого в качестве матрикса для депонирования лекарства. Такие материалы должны быть:

1) абсолютно безвредными для организма;

2) иметь определенные физико-механические свойства;

3) не инактивировать лекарственные препараты и смешиваться с ними в различных фазовых состояниях;

4) должны позволять удерживать большое количество лекарства;

5) должны быть легко имплантируемыми и извлекаемыми и не должны вызывать дискомфорт у пациента и т.д.

Для создания систем с контролируемой доставкой JIB могут быть использованы самые различные полимеры. Их условно можно разделить на две группы [20]. Первую группу составляют полимеры, не обладающие собственной

физиологической активностью (ФА). Основное направление их использования -пролонгаторы действия лекарственных средств, а также изготовление шовных материалов, хирургических клеев и пр. [20, 21].

Вторую группу полимеров составляют те полимеры, которые обладают собственной ФА. Механизм действия этих полимеров обусловлен свойствами макромолекул, в частности кооперативными реакциями полимеров с биополимерами организма. Среди полимеров с собственной ФА особо хотелось бы выделить поликатионы, физиологическая активность которых связана с их полиэлектролитной природой и зависит в первую очередь от плотности и распределения положительных зарядов и только затем - от конкретной структуры. Полимеры этой группы кооперативно взаимодействуют с биополимерами с образованием полиэлектролитных комплексов и сильно связываются поверхностью клеток. Поликатионы способны:

1) повышать проницаемость клеточных мембран, вследствие сшивания электроотрицательных областей клеточных мембран;

2) останавливать кровотечения;

3) работать как противоопухолевые и противовирусные агенты и т.д.

К физиологически активным полимерам - поликатионам относится и полимер природного происхождения - хитозан. Одно из преимуществ ХТЗ среди других ФА поликатионов заключается в том, что он способен разрушаться под действием неспецифических ферментов организма человека [22], поставляя таким образом в организм олигомеры и М-ацетилглюкозамин для строительства других биополимеров [23-27], усиливая тем самым регенеративные процессы при заживлении ран.

1.1.1.1. Полимер с собственной физиологической активностью - хитозан

Хитозан представляет собой линейный полисахарид, полимерная цепь которого построена из Р-1,4-связанных остатков глюкозамина и небольшого количества ТЧ-ацетилглюкозаминовых (хитиновых) звеньев.

Хитин - поли [(1—>4)-2-ацетоамидо-2-дезокси-р-Б-глюкоза], линейный гомополисахарид, построенный из остатков 1Ч-ацетилглкжозамина, соединенных 1 —>4-Р-гликозидными связями. В хитозане (поли[(1—>4)-2-амино-2-дезокси-Р-0-глюкоза]) ацетамидные группировки гидролизованы до аминогрупп (рисунок 1). Однако на практике хитин всегда содержит некоторое количество аминогрупп, а ХТЗ - ацетамидных групп [28].

О »ААЛЛ

n н

о н

(б)

Рисунок 1 - Структура элементарных звеньев хитина (а) и хитозана (б)

Хитозан представляет собой аморфно-кристаллический полимер. Конформация макромолекул при переходе от хитина к хитозану существенно не изменяется, но заметно уменьшается общая упорядоченность структуры (степень кристалличности) [28, 29].

Основные структурные параметры ХТЗ, определяющие его физиологичекую активность - степень деацетилирования, характер расположения ацетилированных и деацетилированных остатков вдоль полимерной цепи и молекулярная масса (ММ) полимера. Так, к примеру, степень деацетилирования играет важную роль в проявлении ХТЗ биологической активности. Было показано, что антимикотическую и антибактериальную активности ХТЗ проявлял, когда его аминогруппы были протонированы [30]. Именно наличие в молекуле протонированного биополимера положительных зарядов во многом определяет его биологическую активност