На правах рукописи
Ильюшенко Екатерина Вячеславовна
Инкапсулирование биологически
активных веществ с использованием
обратных микроэмульсий
(02.00.11 – Коллоидная химия)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Москва – 2012
www.sp-department.ru
Работа выполнена на кафедре технологии химико-фармацевтических и косметических средств Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Авраменко Григорий Владимирович
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Тихонов Анатолий Петрович, профессор кафедры композиционных материалов и технологий защиты от коррозии РХТУ им. Д. И. Менделеева кандидат химических наук Богданова Юлия Геннадиевна, старший научный сотрудник кафедры коллоидной химии Химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»
Защита состоится _ 2012 г. на заседании диссертационного совета Д 212.204.11 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047, Москва, Миусская пл., д. 9) в _
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Автореферат диссертации разослан _ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.11 Мурашова Н. М.
www.sp-department.ru
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Микрокапсулирование – это процесс заключения мелких частиц вещества (твердого, жидкого или газообразного) в оболочку из пленкообразующего материала. Первоначально микрокапсулирование биологически активных веществ осуществлялось с целью повышения их эффективности, снижения токсичности или для стабилизации, в основном – в фармацевтической промышленности и в производстве пестицидов. В настоящее время микрокапсулирование – это хорошо известная, интенсивно разрабатываемая и широко используемая в различных отраслях промышленности технология.
Разнообразные свойства микрокапсулированных систем, такие, как контролируемый и селективный массоперенос через оболочку микрокапсул, пролонгированное действие инкапсулированных веществ, возможность контролирования их реакционной способности и т. д., позволяют говорить о микрокапсулировании как о перспективной и наукоемкой технологии, представляющей основу для разработки принципиально новых материалов и препаратов.
Различные методы микрокапсулирования позволяют получить частицы различных размеров - от долей микрона до сотен микрон. Один из методов, позволяющих получить частицы в нанометровом диапазоне – микроэмульсионное инкапсулирование. Микроэмульсия – дисперсная система, содержащая капли размером до 500 нм и состоящая в общем случае из трех обязательных компонентов – масла, воды и поверхностно-активного вещества (ПАВ). В отличие от эмульсий, которые могут обладать только кинетической устойчивостью, микроэмульсия представляет собой термодинамически устойчивую систему.
Большинство биологически активных веществ (БАВ) представляют собой водорастворимые соединения, поэтому для их микроэмульсионного инкапсулирования необходима отработка методик получения обратных микроэмульсий, капли которых, содержащие БАВ, впоследствии будут заключены в полимерную оболочку.
Для получения микрокапсулированных препаратов с заданными свойствами методом микроэмульсионного инкапсулирования необходимо располагать знаниями об основных коллоидно-химических свойствах данных микроэмульсионных систем областях существования микроэмульсий, размере их капель, величинах межфазного натяжения, а также о том влиянии, которое оказывают строение и свойства инкапсулируемого биологически активного вещества (БАВ) на свойства микроэмульсии.
закономерностей микроэмульсионного инкапсулирования ряда биологически активных водорастворимых веществ различной природы: гидрохлорида Nбензилморфолина (ГХБ), гидрохлорида тригексифенидила (ГТГФ), инсулина; а также исследовании возможности получения нанодисперсий металлического серебра в обратных микроэмульсиях без использования токсичных реагентов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
отработать методики получения микроэмульсий, содержащих в дисперсной фазе БАВ различного химического строения – ГХБ, ГТГФ, инсулина и частиц металлического серебра;
установить области существования микроэмульсий и выявить факторы, влияющие на области существования микроэмульсий – природа и концентрация БАВ, температура, природа ПАВ-стабилизаторов;
подобрать полимер-пленкообразователь, способный формировать оболочку микрокапсул, содержащих БАВ;
выделить микрокапсулы, содержащие БАВ, определить их размер и степень включения основного вещества;
исследовать кинетику высвобождения БАВ из полученных микрокапсул.
Научная новизна. На основании установленных коллоидно-химических закономерностей для ряда водорастворимых биологически активных веществ - ГХБ, ГТГФ и инсулина – с использованием обратных микроэмульсий впервые получены микрокапсулированные системы. Определены области существования микроэмульсий, содержащих указанные БАВ. Установлена взаимосвязь области существования микроэмульсий и поверхностной активности ГХБ и ГТГФ. Выявлены факторы, влияющие на область существования микроэмульсий – температура, концентрация БАВ, концентрация ПАВ и со-ПАВ. Определены основные характеристики полученных микрокапсул – распределение частиц по размерам, величина -потенциала и скорость высвобождения БАВ из микрокапсул. Показано, что в исследованных микроэмульсиях возможно получение устойчивых нанодисперсий металлического серебра с использованием реактива Толленса без использования токсичных реагентов.
Практическая значимость. Разработанный способ микрокапсулирования позволяет получать микрокапсулы, содержащие водорастворимые БАВ, со степенью включения основного вещества не менее 50%. Такие микрокапсулы могут быть использованы как в медицине, так и в косметологии, с последующим созданием на их основе средств пролонгированного действия.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на Всероссийской научной молодежной школе-конференции "Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии" (Омск, 2010), XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Суздаль, 2010), а также на XXV международной конференции «Ars Separatoria» (Польша, Торунь, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа представлена на 115 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 44 рисунка, библиографический список включает 138 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основная цель работы и научная новизна.
В первой главе представлен аналитический обзор литературных данных.
Рассмотрены основные методы микрокапсулирования, изложена суть метода микроэмульсионного инкапсулирования. Описаны некоторые аспекты термодинамики микроэмульсионных систем. Рассмотрены основные критерии выбора компонентов для получения микроэмульсий. Описаны основные механизмы высвобождения БАВ из микрокапсул, изложена основа некоторых методов микрокапсулированных препаратов по сравнению с обычными лекарственными формами.
Во второй главе приведены характеристики исходных материалов и методики определения физико-химических и коллоидно-химических свойств исследуемых систем Молекулярную массу высокомолекулярных соединений определяли методом капиллярной вискозиметрии. Межфазное натяжение на границе жидкость-жидкость определяли методом объема-веса капли. Поверхностное натяжение водных растворов БАВ определяли методом максимального давления.
Спектры поглощения растворов БАВ были записаны на спектрофотометре Specord UV VIS М-40 с диапазоном длин волн 186 – 900 нм. Определение концентрации БАВ в растворах спектрофотометрическим методом осуществлялось при помощи спектрофотометра СФ-16 с диапазоном длин волн 186 – 1100 нм.
Фазовые исследования проводились методом турбидиметрического титрования. Размеры капель микроэмульсий и размеры микрокапсул, полученных микроэмульсионным инкапсулированием, измеряли методом фотон-корреляционной спектроскопии на установке ФК-22. Определение размеров частиц в системе после введения в нее полимера проводилось турбидиметрическим методом. Определение размеров микрокапсул, полученных по методу упаривания легколетучего растворителя, осуществлялось при помощи оптического микроскопа Olympus BX51.
Измерение дзета()-потенциала осуществляли методом макроэлектрофореза с подвижной границей.
В третьей главе изложены основные коллоидно-химические закономерности микроэмульсионного инкапсулирования гидрохлорида N-бензилморфолина.
Процесс микроэмульсионного инкапсулирования складывается из двух стадий: получения обратной микроэмульсии, содержащей в дисперсной водной фазе инкапсулируемое БАВ, и заключения капель полученной микроэмульсии в полимерную оболочку. В качестве дисперсионной среды для всех полученных в данной работе микроэмульсионных систем был использован гексан. Для стабилизации обратных систем, содержащих в водной фазе ГХБ, был использован ди-2-этилгексилсульфосукцинат натрия (АОТ) – поверхностно-активное вещество, растворимое как в гексане, так и в воде.
Возможность микроэмульсионного инкапсулирования определяется областью существования микроэмульсии в конкретной системе. Исследование положения микроэмульсионная область в этой системе невелика и максимальное достигнутое содержание дисперсной фазы не превышает 23% (масс.).
H2O/АОТ/гексан при температуре 25 С Введение в водную фазу системы ГХБ в концентрации 0,05% (масс.) уже приводит к расширению микроэмульсионной области на диаграмме и увеличению максимального содержания дисперсной фазы в системе. Дальнейшее повышение концентрации ГХБ в системе ведет к дальнейшему увеличению микроэмульсионной области и позволяет достичь концентрации дисперсной фазы порядка 44% (масс.) при концентрации ГХБ в водной фазе 0,25% (масс.) (рисунок 2). По данным ФКС, размер капель дисперсной фазы составлял для всех вышеперечисленных систем от до 40 нм (радиус). Полученные микроэмульсии представляли собой прозрачные реагирующие на изменение температуры.
позволило предположить, что это соединение обладает поверхностно активными свойствами. Это предположение было подтверждено данными о поверхностном натяжении водных растворов ГХБ, а также рассчитанными на их основе изотермами Гиббсовской адсорбции (рисунок 3).
Поверхностное натяжение, мН/м происходит небольшое снижение межфазного натяжения вода-гексан (рисунок 4).
Однако при дальнейшем увеличении концентрации ГХБ (более 0,5 % масс.) межфазное натяжение резко возрастает, и микроэмульсионная область сужается, а затем полностью исчезает. Поэтому для инкапсулирования ГХБ была использована микроэмульсия с содержанием ГХБ в дисперсной фазе 0,5% масс, поскольку такая концентрация обеспечивает удовлетворительное количество БАВ в системе, не приводя при этом к резкому росту межфазного натяжения (рисунок 4).
в системе тесно связаны друг с другом. Рисунок 5 иллюстрирует взаимосвязь температурного диапазона существования микроэмульсии в системе H2O/АОТ/гексан и количественного содержания водной фазы в системе. Соотношение ПАВ и масляной фазы сохранялось постоянным и составляло 0,0065 моль АОТ/моль гексана.
существования микроэмульсии не сужается, но смещается в область более низких температур. Влияние содержания ГХБ на температурный диапазон существования микроэмульсии в системе Н2О + ГХБ/АОТ/гексан иллюстрирует рисунок 6.
Содержание водной фазы во всех системах постоянно и составляет порядка 15% (масс.). Из рисунка видно, что с ростом концентрации ГХБ температурный диапазон существования микроэмульсии сужается и смещается в область более высоких температур. По-видимому, это обусловлено тем, что в присутствии хорошо растворимого ГХБ растворимость АОТ в водной фазе уменьшается.
Температура, С Результаты проведенных фазовых и температурных исследований позволили перейти к разработке второй стадии микроэмульсионного инкапсулирования – инкапсулирования ГХБ была использована триацетилцелюллоза (ТАЦ). Процесс осуществляли следующим образом: к обратной микроэмульсии, стабилизированной АОТ и содержащей в дисперсной фазе ГХБ, добавляли раствор ТАЦ в метиленхлориде. Дисперсионная среда микроэмульсионной системы (гексан) не является растворителем для ТАЦ, поэтому при введении в систему раствора ТАЦ происходит ухудшение качества растворителя для полимера и начинается процесс простой коацервации, завершающийся образованием микрокапсул.
Для того, чтобы оценить время, необходимое для формирования оболочки, была исследована динамика изменения размеров частиц дисперсной фазы в процессе коацервации (Таблица 1). Возникающие коацерваты локализованы вблизи границы раздела фаз «масло-вода», по-видимому, именно этим обусловлен резкий рост размеров частиц системы через 1 час после добавления полимера. В течение последующих 72 часов размер частиц системы продолжает уменьшаться, что, повидимому, соответствует уплотнению оболочки. По прошествии 72 часов с момента введения полимера размеры частиц практически не изменялись.
Средний радиус частиц системы H2O + 0,5% (масс.) ГХБ/АОТ/гексан/ТАЦ в зависимости от времени, прошедшего с момента введения в систему раствора ТАЦ Наивероятнейший радиус частиц составлял 165 нм, что предполагает широкий спектр применения полученных микрокапсул.
Численное содержание, % исследована в водной среде с рН = 1,2 (рисунок 8). Выбранное значение рН соответствует условиям высвобождения при пероральном введении. В течение дней во внешнюю среду высвобождается около 50% от общего количества ГХБ.
Из рисунка 8 видно, что начальный (в пределах первых суток) всплеск при адсорбции ГХБ на поверхности микрокапсул с оболочкой из ТАЦ не происходит.
В четвертой главе описаны некоторые коллоидно-химические принципы микроэмульсионного инкапсулирования гидрохлорида тригексифенидила (ГТГФ) холинолитического препарата, применяемого при болезни Паркинсона, болезни Литтля, спастических параличах. Обратные микроэмульсии, содержащие в водной фазе ГТГФ, получали аналогично микроэмульсиям, содержащим ГХБ. В качестве масляной фазы был использован гексан, а в качестве ПАВ для стабилизации системы было выбрано неионогенное ПАВ под торговым названием Crodafos T5A оксиэтилированный тридецилмонофосфат (степень оксиэтилирования n = 5). Выбор ПАВ в данном случае был обусловлен невозможностью использования АОТ в системах, содержащих ГТГФ, поскольку при химическом взаимодействии ГТГФ и АОТ образуется нерастворимое соединение.
Первоначально, как и в предыдущем случае, была предпринята попытка получения трехкомпонентной микроэмульсии Н2О/Crodafos T5A/гексан. Однако без введения вспомогательных компонентов получить микроэмульсию при температуре 25С не удалось. При введении в дисперсную фазу системы ГТГФ в концентрации 0,5% (масс.) в системе существует достаточно протяженная микроэмульсионная область (рисунок 9, серая заливка). Максимальное достигнутое содержание водной H2O + 0,5% ГТГФ/CrodafosT5A/гексан при температуре 25С сопровождавшаяся резким ростом вязкости системы. Вязкость всех остальных полученных в данной работе обратных микроэмульсионных систем практически не отличалась от вязкости дисперсионной среды. Область аномально высокой вязкости обозначена на диаграмме (рисунок 9) штриховкой. Электропроводность таких систем составляла порядка 23 мкСм/см, что соответствует низкому содержанию воды в системе и не позволяет предположить наличие в системе бинепрерывной структуры.
Рисунок 10. Изотермы поверхностного для водного раствора ГТГФ (22°С).
Микроэмульсионное инкапсулирование ГТГФ было осуществлено согласно той же схеме, что и микрокапсулирование ГХБ. В качестве материала оболочки был использован поли(лактид-гликолид) с соотношением молочной и гликолевой кислот 75:25 (PLGA 75:25). Этот полимер, в отличие от ранее использованной ТАЦ, является биодеградируемым. В качестве растворителя для полимера был использован метиленхлорид. Размер полученных микросфер составил порядка 150 нм (радиус).
Кинетика высвобождения ГТГФ из микрокапсул с оболочкой из PLGA 75: была исследована в водной среде с рН = 7,4 (рисунок 11). В течение 18 дней во внешнюю среду высвобождается более 50% от общего количества ГТГФ. Поскольку степень включения ГТГФ в микросферы в ходе настоящей работы не определялась, за инкапсулировании. Кроме того, из графика видно, что начальный (в пределах первых суток) всплеск при высвобождении отсутствует, следовательно, сколько-нибудь существенной адсорбции ГТГФ на поверхности микрокапсул с оболочкой из PLGA 75:25 не происходит.
-потенциала частиц дисперсной фазы. Чем выше значение -потенциала, тем более агрегативно устойчива система. Эти знания могут быть полезны при прогнозировании устойчивости суспензии микрокапсул, приготавливаемой непосредственно перед предназначенная для парентерального применения, не должна расслаиваться в течение 5 минут. В таблице 2 приведены величины -потенциала водных суспензий микрокапсул при различных величинах рН дисперсионной среды. Исследованный интервал рН соответствует физиологическим значениям.
Высвобождение ГТГФ, % Рисунок 11. Кинетика высвобождения ГТГФ устойчивые дисперсии микрокапсул в интервале рН от 6,5 до 7,5, что и требуется для их использования в составе лекарственных препаратов. Резкое падение -потенциала при переходе в щелочную область приводит к расслоению суспензии.
инкапсулирования и упаривания легколетучего растворителя для получения микросфер, содержащих инсулин.
инсулина в концентрации 0,5% (масс.) в водную фазу системы H2O/АОТ/гексан и без того небольшая микроэмульсионная область сужается еще сильнее (рисунок 12), и повышение температуры до 30С не позволяет ее расширить (рисунок 13).
микроэмульсии составляло 24% (масс.), что соответствует содержанию инсулина в системе порядка 0,12% (масс.). Микроэмульсионное инкапсулирование инсулина в оболочку из PLGA 75:25 было осуществлено согласно описанной ранее схеме.
Поскольку метод микроэмульсионного инкапсулирования не позволили Рисунок 14. Микрокапсулы инсулина, полученные методом упаривания Полученную первичную эмульсию вводили в водный раствор поливинилового спирта метиленхлорида из системы. Таким образом, были получены микрокапсулы из PLGA 75:25, содержащие инсулин, средний радиус которых составил 80 мкм (рисунок 14).
В шестой главе описано применение обратных микроэмульсионных систем H2O/АОТ/гексан для синтеза наночастиц металлического серебра без использования токсичных реагентов. Для этого использовали реакцию «серебряного зеркала», в которой восстановителем для ионов Ag+ служит глюкоза. Применение данной реакции для получения дисперсий металлического серебра описано в литературе, однако данные о ее проведении именно в микроэмульсиях отсутствуют.
Оптимальный состав исходных микроэмульсий был подобран на основе металлического серебра в обратных мицеллах определяется областями существования исходных микроэмульсий. В каплях первой микроэмульсии содержался реактив Толленса (аммиачный комплекс серебра) с концентрацией 3% (масс.), в каплях второй – водный раствор глюкозы с концентрацией 1% (масс.). Для стабилизации всех систем был использован АОТ. Выбор концентраций реагентов был обусловлен «серебряного зеркала».
и 16) приводит либо к фазовому расслоению, либо к образованию вязкой бинепрерывной структуры. Замена гексана на парафиновое масло позволила использовать полученные дисперсии серебра в составе косметических композиций.
ионов серебра до металла, свидетельствует спектр, представленный на рисунке 17.
Максимум спектра, обусловленного поверхностным плазмонным резонансом, соответствует 433 нм, что хорошо согласуется с литературными данными.
Оптическая плотность Рисунок 19. Сводная фазовая диаграмма для 1 – ГХБ, 2 – ГТГФ, 3 – инсулин, 4 - глюкозу, водорастворимых биологически активных веществ различного химического строения - гидрохлорида N-бензилморфолина, гидрохлорида тригексифенидила, инсулина.
данные БАВ. Показано, что при температуре 25С во всех системах содержание водной фазы в микроэмульсиях составляет не менее 22% (масс.). Установлено, что чем выше поверхностная активность БАВ, тем шире область существования микроэмульсии.
3. Установлено, что размеры микроэмульсионных капель, содержащих исследованные БАВ, лежат в интервале 30 - 40 нм (радиус). Определено распределение по размерам для микрокапсул, содержащих гидрохлорид N-бензилморфолина.
4. На базе полученных микроэмульсий, с использованием полимеров пленкообразователей получены микрокапсулы, содержащие БАВ, размером от 90 до 170 нм, при этом степень включения основного вещества составляет не ниже 50% от исходного количества. Показано, что скорость высвобождения низкомолекулярных БАВ из полученных микрокапсул позволяет обеспечить пролонгированное действие препарата (до 18 дней).
«