Полимерные гидрогели для иммобилизации лекарственных веществ, обладающие эффектом памяти

Та бл и ца 3 . Степень набухания гидрогелей в растворах цефазолина

Ги д р ог е ль	Степень набухания, г/г
	1.5*/4.88**	5.0*/4.63**	10.0*/4.63**
1	0.733	0.873	1.146
1 “imprinted”	0.880	1.247	1.538
2	0.656	0.808	0.894
2 “imprinted”	0.799	0.976	1.625
3	0.733	0.811	0.976
3 “imprinted”	0.795	1.083	1.299

* Концентрация цефазолина, мас. %. ** Концентрация рН раствора.
сополимера. Поскольку синтезированные сополимеры имеют практически одно и то же содержание звеньев ГЭМА и сшивающего мономера МБАА, их различия в способности набухать в воде связаны прежде всего с типом звеньев функционального мономера. Наиболее высокой степенью набухания в воде обладают амфолитные гидрогели, содержащие оба типа функциональных групп (карбоксильные и аминные), общее мольное содержание которых в 2 раза выше, чем в анионных и катионных гидрогелях. Хотя следует заметить, что степень набухания амфолитных гидрогелей не является аддитивной величиной, если ее сопоставить с данными по набуханию карбоксил- и аминосодержащих гидрогелей. Величина степени набухания гидрогелей в растворах электролитов в принципе имеет ожидаемые значения, которые детального обсуждения не требуют. Все исходные гидрогели в изотоническом растворе хлористого натрия имеют меньшие величины S₀ по сравнению с соответствующими параметрами в воде. Анионные гидрогели в кислых растворах заметно коллапсируют, тогда как катионные имеют наиболее высокие параметры набухания. В растворе фосфата натрия (рН 8.1) наиболее сильно набухают анионные гидрогели. Амфолитные гидрогели имеют достаточно высокие величины S₀ во всех типах использованных водных растворов.

Ранее [6–8, 12] было показано, что наличие цефалоспоринов в водном растворе усиливает набухание некоторых гидрогелей вследствие дополнительной гидратации, обусловленной присутствием в гидрогеле высоко гидрофильных лекарственных веществ. Этот факт имеет принципиальное значение, так как дополнительное набухание гидрогеля может вызвать изменение его сорбционной активности по отношению к целевому лекарственному веществу. Поэтому целесообразно изучить набухание как обычных, так и гидрогелей “imprinted” в зависимости от

концентрации цефазолина в растворе. Из данных табл. 3 видно, что для всех типов синтезированных гидрогелей характерно увеличение степени набухания в растворах цефазолина при повышении концентрации лекарственного вещества, причем более сильно эффект выражен для гидрогелей “imprinted”. Отметим, что в большинстве случаев степень набухания у анионных гидрогелей (1 и 1 “imprinted”) несколько выше, чем у ка-тионных (2 и 2 “imprinted”), несмотря на относительно невысокие значения рН растворов цефазолина (в растворах НСl наблюдается обратная закономерность).

Транспорт воды в полимерном гидрогеле связан с различными механизмами, главными из которых являются простая диффузия и релаксационные явления в набухающем полимере. Если перенос обусловлен преимущественно указанными процессами, то кинетика набухания гидрогеля может быть описана уравнением

S/S0 = ktn, (5)

где S — степень набухания гидрогеля в момент времени t, к — константа, связанная с параметрами взаимодействия полимер–диффундирующее вещество, и – показатель, характеризующий механизм переноса вещества. Если транспорт вещества осуществляется по диффузионному механизму, то показатель и близок к 0.5. Строго говоря, он немного зависит от формы гидрогеля (отношение диаметра к толщине диска), но для тонких дисков при величине указанного отношения больше 20 изменяется в не очень широких пределах (0.48–0.50) [14]. Если перенос вещества лимитируется релаксационными явлениями, то и = 1. Иногда величина и более 0.5, но менее 1. Это значит, что одновременно работают оба механизма.

При диффузионном переносе вещества по уравнению (6) можно вычислить коэффициент диффузии D вещества, диффундирующего в гидрогель:


На рис. 1 приведены типичные кинетические зависимости набухания гидрогелей. Угол наклона линейной части зависимости, построенной в логарифмических координатах, позволяет вычислить параметр п. Как показано в табл. 4, во всех случаях величина и близка к 0.5, что указывает на диффузионный характер переноса воды в гидрогелях. Вычисленные коэффициенты диффузии воды немного ниже величин, приводимых для других гидрогелей [13, 15]. Возможно, это обусловлено высокой плотностью сшивки изучаемых нами гидрогелей вследствие большого содержания сшивающего мономера в сополимере. Интересно также отметить, что для гидрогелей “imprinted” величина D несколько ниже, чем для обычных гидрогелей того же химического состава. Для всех гидрогелей характерно снижение коэффициентов диффузии воды при введении в раствор цефазолина. В этих случаях, по-видимому, величину D следует рассматривать как эффективную, в связи с тем что степень набухания определяется по массе образца, которая обусловлена наличием в образце не только воды, но и це-фазолина.
Нейтронные исследования гидрогелей

Данные по набуханию гидрогелей дают представление о степени влияния лекарственного вещества на общий объем пор, которые могут быть заполнены водой. Нейтронные исследования позволяют получить сведения о внутренней структуре гидрогелей с оценкой размера пор в зависимости от условий синтеза полимеров. Ниже приведены результаты изучения гидрогелей, набухших в тяжелой воде, методом малоуглового рассеяния нейтронов.

Cравнение импульсных зависимостей сечений рассеяния da(q)/dQ. для серии гидрогелей 1–3 (а также 1–3 “imprinted”) (рис. 2) показывает, что в случае анионных гидрогелей 1 и 1 “imprinted” сечения рассеяния возрастают с уменьшением импульса при q < 0.2 нм^-1 на два порядка относительно постоянного уровня некогерентного сечения, da/dQ. —> b ~ 0.1 см^-1 при q ~ 0.6–0.8 нм^-1, связанного в основном с наличием протонов в составе полимеров. В отличие от гидрогелей 1 и 1 “imprinted”, катионные (2 и 2 “imprinted”) и ам-фолитные (3, 3 “imprinted”) гидрогели демонстрируют меньший рост сечений рассеяния (1– 1.5 порядка) без радикального изменения характера импульсных зависимостей da/dQ.: в верхней части диапазона q (0.4–0.8 нм^-1) вклады некогерентного фона и когерентной компоненты, несущей информацию о структуре гидрогеля, сопоставимы.

Указанные различия величин и поведения сечений рассеяния da(q)/dQ, свидетельствуют о том, что в гамме гидрогелей образцы 1 и 1 “imprinted” обладают наиболее масштабными структурами. Чтобы получить представление о размерах элементов этих структур, данные для гидрогелей 1 и 1 “imprinted” были аппроксимированы моделью Гинье в трехмодовом приближении




где b – вклад некогерентного фона, σ_0i – парциальные когерентные сечения рассеяния в пределе q → 0, а R_gi – радиусы инерции наблюдаемых в рассеянии структурных элементов гидрогеля (ячейки сетки и другие поры, заполненные водой) (табл. 5).

Данные для гидрогелей 2, 3 и 2 “imprinted”, 3 “imprinted” описываются той же функцией (8), но с использованием констант
Та бл и ца 4 . Кинетические параметры набухания гидрогелей в воде и растворе цефазолина (5.0 мас. %)

Гидрогель	Среда для набухания	l, мм	п	-lgAr	t1/2, мин	Dx 107, cм2/с
1	Вода	0.55	0.53	0.991	20.0	1.23
1 “imprinted”	»	0.55	0.55	1.038	21.0	1.18
2	»	0.63	0.55	1.115	30.2	1.07
2 “imprinted”	»	0.47	0.55	1.111	29.7	0.61
3	»	0.56	0.44	0.850	17.7	1.45
3 “imprinted”	»	0.56	0.44	0.862	18.9	1.36
1	Раствор цефазолина	0.55	0.49	0.969	23.1	1.07
1 “imprinted”	То же	0.55	0.51	1.130	43.3	0.57
2	»	0.63	0.46	1.005	34.0	0.96
2 “imprinted”	»	0.47	0.47	1.014	33.5	0.54
3	»	0.56	0.53	1.051	25.4	1.01
3 “imprinted”	»	0.56	0.50	1.132	46.7	0.55

b_H = b(N_H/N),

(9)

вычисленных из экспериментальных значений b для гидрогелей 1 и 1 “imprinted” (табл. 5) с поправками на разную степень набухания образцов. Здесь N_H/N – отношение объемной концентрации протонов в гидрогелях 2, 3 и 2 “imprinted”, 3 “imprinted” к аналогичной величине для гидрогеля 1. Учитывая, что массовые содержания протонов во всех сухих полимерах практически одинаковые, а плотности полимеров и гидрогелей

также являются близкими друг к другу, получаем оценку

N_H/N = (W_dH/W_wH)/(W_d/W_w), (10)

где W_d/W_w – отношение массы сухого и набухшего образца 1, а W_dH/W_wH – аналогичное отношение для гидрогелей 2, 3 и 2 “imprinted”, 3 “imprinted”. Данные по сечениям рассеяния гидрогелей 2, 3 и 2 “imprinted”, 3 “imprinted” были аппроксимированы функцией (8) с использованием констант b_H. Полученные параметры σ_0i и R_gi приведены в табл. 5.



Таблица 5 . Параметры гинье-аппроксимации кривых рассеяния нейтронов на образцах гидрогелей функцией (9)

Ги д р о г е л ь	I01, см–1	Rg1, нм	I02, см–1	Rg2, нм	I03, см–1	Rg3, нм	Ъ, см 1
1	0.10 ± 0.02	4.8 ± 0.8	0.9 ± 0.3	16.8 ± 1.9	51.2 ± 1.8	45.5 ± 0.9	0.083 ± 0.004
1 “imprinted”	0.074 ± 0.014	5.3 ± 0.7	1.4 ± 0.6	21.0 ± 2.0	46.0 ± 4.0	48.0 ± 2.0	0.083 ± 0.002
2	0.24 ± 0.03	2.6 ± 0.2	0.43 ± 0.04	7.4 ± 0.7	3.3 ± 0.2	31.4 ± 1.1	0.075
2 “imprinted”	0.332 ± 0.015	2.46 ± 0.07	0.76 ± 0.02	7.7 ± 0.2	20.7 ± 0.3	39.6 ± 0.3	0.068
3	0.06 ± 0.05	2.0 ± 1.2	0.16 ± 0.04	5.5 ± 1.3	1.69 ± 0.16	31.2 ± 1.8	0.082
3 “imprinted”	0.10 ± 0.02	1.9 ± 0.3	0.256 ± 0.018	6.1 ± 0.5	1.32 ± 0.08	27.3 ± 1.1	0.081

Из кривых рассеяния с вычтенным некогерентным фоном b с помощью программы “gnom” пакета программ ATSAS [16] восстановлены корреляционные функции в прямом пространстве в зависимости от расстояния γ(R) . На ри с. 3 по казаны корреляционные функции в сферическом представлении P(R) = γR², которые описывают корреляции плотности длины когерентного рассеяния в сферических слоях на расстоянии радиуса R вокруг любой выбранной частицы. Такое представление позволяет судить о наличии корреляций рассеивающих объектов разных размеров, которыми являются поры, заполненные тяжелой водой.

Гидрогели 1 и 1 “imprinted” (анионные) не сильно отличаются друг от друга и имеют широкое распределение рассеивающих объектов по размерам (до 95–100 нм) с преобладанием корреляций объектов средних размеров (около 50 нм) (рис. 3а). Гидрогель с памятью имеет немного меньшую интенсивность корреляций, что говорит о немного меньшем количестве объектов рассеяния, но их размеры и распределение для двух образцов одинаковы.

Гидрогели 2 и 2 “imprinted” (катионные) сильно различаются (рис. 3б), что определяется их значительной разницей по степени набухания и содержанию воды. Эти гидрогели содержат рассеивающие объекты с размерами до 80 нм. В гидрогеле 2 велика доля объектов небольшого и среднего размера, до 40 нм. В гидрогеле 2 “imprinted” преобладают объекты с размерами 40–60 нм. Иначе говоря, при введении в катионные гидрогели цефазолина значительно меняется их структура – сохраняются поры небольшого размера и значительно увеличивается количество пор большего размера. Гидрогель становится более пористым, что увеличивает его способность к влагопо-глощению.

В амфифильных гидрогелях 3 и 3 “imprinted” (рис. 3в) наблюдаются корреляции с размерами до 80 нм, причем в гидрогеле 3 содержатся объекты как небольшого размера (3–5 нм), так и более крупные (30–50 и 70 нм). В гидрогеле 3 “imprinted” наблюдается смещение корреляций в сторону

меньших размеров, преобладают объекты небольших (3–5 нм) и средних размеров (20–40 нм).

Сами кривые рассеяния с вычтенным некогерентным фоном Ъ наилучшим образом описываются моделью



где первое слагаемое относится к плотным объектам больших размеров, отвечающим рассеянию на самых малых импульсах q. Такие объекты состоят из более рыхлых небольших ячеек полимерной сетки, описываемых вторым слагаемым и имеющих размер порядка радиуса корреляции В^ (рис. 4; табл. 6). Параметр А пропорционален площади поверхности больших образований, а коэффициент В зависит от количества малых ячеек.

Такая обработка позволила установить двухуровневый характер строения гидрогелей и оценить радиусы ячеек сетки (на уровне ~4–7 нм). При этом подтверждаются выводы, сделанные из анализа корреляционных функций. Так, для анионных гидрогелей наличие цефазолина при синтезе приводит к некоторому уменьшению количества рассеивающих объектов. Для катионных гидрогелей “imprinted” наблюдается сильный рост количества ячеек и больших образований, заполненных водой, что объясняет большие различия величин S₀ для образцов 2 и 2 “imprinted”. В амфифильных гидрогелях с памятью увеличивается количество малых ячеек и уменьшается