Полимерные гидрогели для иммобилизации лекарственных веществ, обладающие эффектом памяти

Та б ли ц а 6. Параметры аппроксимации функцией (12) кривых рассеяния нейтронов на образцах гидрогелей

Ги д р о г ел ь	А х 105, см-1 нм–4	В, см 1	Rc, нм
1 1 “imprinted” 2 2 “imprinted” 3 3 “imprinted”	4.42 ± 0.02 3.673 ± 0.015 0.461 ± 0.018 2.246 ± 0.013 0.241 ± 0.017 0.212 ± 0.011	0.18 ± 0.04 0.11 ± 0.03 0.83 ± 0.03 1.108 ± 0.016 0.30 ± 0.02 0.454 ± 0.014	6.7 ± 1.1 6.9 ± 1.3 4.58 ± 0.13 4.28 ± 0.05 4.1 ± 0.3 4.07 ± 0.11

количество больших образований, при этом размеры самих ячеек (R_C) остаются практически неизменными.



Таким образом, показана связь эффекта памяти при использовании целевого лекарственного вещества (цефазолина) с внутренним строением

гидрогелей, в зависимости от их состава. В анионных образцах при введении цефазолина при синтезе наблюдается незначительное изменение количества пор, способных удерживать воду. В кати-онных гидрогелях при этом значительно увеличиваются количество и средние размеры пор, что приводит к увеличению степени набухания образца при насыщении водой. В амфифиль-ных образцах введение цефазолина при синтезе приводит к уменьшению среднего размера пор при мало изменяющейся степени набухания гидрогеля в насыщенном состоянии, что указывает на сохранение общего объема пор.
Сорбция цефазолина гидрогелями

При определении равновесной сорбции цефа-золина в большинстве случаев данные получали из экспериментов по десорбции, находя максимальное количество лекарства, выделившееся из гидрогеля после равновесного насыщения из относительно концентрированного раствора вещества. В таких условиях концентрация лекарства в растворе изменяется незначительно. Получение данных по сорбции из прямого эксперимента (по убыли концентрации цефазолина в растворе) возможно при использовании очень разбавленных растворов цефазолина. Результаты таких экспериментов представлены на рис. 5, 6 и в табл. 7. Обработку полученных данных проводили так же, как в опытах по набуханию гидрогелей, используя равновесные C₀ и текущие C концентрации цефазолина в растворе и соответствующие им количества поглощенного гидрогелем вещества (W₀ и W).

Из табл. 7 видно, что сорбция цефазолина гидрогелями в сухом состоянии и состоянии равновесного набухания в воде примерно одинакова. Однако кинетика поглощения лекарственного вещества зависит от исходного состояния гидрогеля. Если в раствор цефазолина погружаются высушенные образцы, то величина параметра n, связанного с механизмом транспорта вещества в гидрогеле, заметно выше 0.5, что указывает на определенный вклад релаксационных процессов, сопровождающих одновременное поглощение полимером воды и цефазолина. Напротив, при сорбции цефазолина образцами, подвергнутыми предварительному равновесному набуханию в воде, величина n даже немного меньше 0.5, что свидетельствует о преобладании простого диффузионного механизма переноса вещества, т.е. гидрогель до начала сорбции цефазолина находится уже в отрелаксированном состоянии. При этом состояние гидрогеля в процессе сорбции практически не изменяется ввиду малой концентрации цефазолина. Вычисленные коэффициенты диффузии для цефазолина существенно ниже соответствующих величин для воды, что связано с вы сокой молекулярной массой лекарственного вещества

Следует обратить внимание на то, что коэффициенты диффузии цефазолина, так же как и воды (табл. 4), в гидрогелях “imprinted” меньше, чем в аналогичных обычных гидрогелях, несмотря на более высокие величины S₀ для систем первого типа.

Данные по сорбции цефазолина из более концентрированных растворов приведены в табл. 8.

Из них видно, что величина сорбции лекарственного вещества практически пропорциональна его концентрации в растворе. Во всех случаях гидрогели “imprinted” сорбируют большие количества цефазолина по сравнению с обычными гидрогелями того же химического состава. Этот результат является прямым доказательством наличия эффекта памяти в гидрогелях первого типа. По мере увеличения концентрации лекарства в растворе
Та бл и ца 7 . Кинетические параметры сорбции цефазолина из раствора с концентрацией 0.055 мг/см³ катионны-ми гидрогелями

Ги д р о г е л ь	Исходное состояние гидрогеля	W0 , мг/см3	w'0, мг/г	l, мм	n	-lgk	t1/2, мин	Dx 109, см2/с
2 2 “imprinted” 2 2 “imprinted”	Высушенный Равновесно набухший в воде	3.12 3.14 3.13 3.18	4.40 4.80 4.41 4.86	0.63 0.47 0.63 0.47	0.56 0.60 0.44 0.46	2.036 2.131 1.580 1.672	1286 1137 765 929	2.52 1.59 4.24 1.95

Та бл и ца 8 . Параметры сорбции цефазолина гидрогелями из растворов с концентрацией 15, 50 и 100 мг/см³ соот-

ветственно

Гид р о гел ь	w0, мг/см3	w'0, мг/г	К
1 1 “imprinted” 2 2 “imprinted” 3 3 “imprinted”	10.10/27.99/54.90 12.89/33.02/71.72 24.32/51.12/78.41 25.26/69.99/103.55 21.74/44.44/78.82 22.70/55.55/93.21	15.0/45.38/103.8 21.0/65.73/146.7 34.27/79.7/128.8 38.65/120.6/244.8 32.29/73.4/135.8 35.10/101.6/190.3	0.673/0.560/0.549 0.859/0.676/0.660 1.621/1.022/0.784 1.684/1.400/1.035 1.449/0.889/0.788 1.513/1.111/0.932

Примечание. Первое, второе и третье значения относятся к концентрации цефазолина 15, 50 и 100 мг/см³ соответственно.



различия по величине сорбции между “imprinted” и обычными гидрогелями усиливаются. Наиболее сильно эффект выражен для катионных гидрогелей. В данном случае при сорбции из концентрированных растворов полимерная часть гидрогеля “imprinted” способна связать почти в два раза больше цефазолина в сравнении с обычным гидрогелем. Это объясняется тем, что антибиотик связывается с полимером не только благодаря образованию водородных связей, но и вследствие ионного обмена. Коэффициенты распределения K, выраженные через отношение концентраций цефазолина в гидрогеле и растворе, при увеличении концентрации антибиотика в растворе снижаются, что связано с приближением системы гидрогель–раствор к предельной сорбции w_∞, которая может быть вычислена из уравнения Лэнгмюра

1/K = (1 + k1w∞) + (1/w∞)C, (12)

по тангенсу угла наклона зависимости, построенной в координатах 1/K–C (рис. 7).

Например, для катионных гидрогелей 2 и 2 “imprinted” величинa w_∞ равнa 131 и 227 мг/см³ соответственно. Приведенные данные можно также рассматривать как проявление эффекта памяти в гидрогелях “imprinted”.
Высвобождение цефазолина из гидрогелей

Выделение цефазолина из гидрогеля является процессом, обратным сорбции данного вещества из раствора. Поэтому для его кинетического описания можно использовать те же закономерности, которые были рассмотрены при насыщении гидрогелей цефазолином. Отличие заключается в



концентрации вещества в растворе. При сорбции используются сравнительно концентрированные растворы, тогда как при десорбции концентрация близка к нулю, поскольку высвобождение лекарства осуществляется в большой объем изотонического раствора хлористого натрия. Иными словами и в том, и в другом случае концентрацию можно считать постоянной величиной, а наблюдаемые кинетические особенности относить только за счет изменения концентрации вещества в объеме гидрогеля. На рис. 8 в качестве примера приведены кинетические зависимости десорбции цефазолина из катионных гидрогелей, в которых под величиной W следует понимать количество вещества, выделившееся из гидрогеля к определенному моменту времени. Параметры n и время полувыделения лекарства t_1/2 вычисляли из линейной части зависимостей, построенных в логарифмических координатах. Ввиду того, что экспериментальные образцы имели различную толщину, для более объективной оценки параметров десорбции также использовали величины t_1/2/l².


Та бл и ца 9 . Параметры десорбции цефазолина из гидрогелей при различной концентрации раствора антибиотика при насыщении геля

Гид р о гел ь	и	t1/2 , мин	t1/2/l2, мин/мм2
1	0.25/0.24/0.25	45.4/38.8/27.9	150.2/128.3/92.4
1 “imprinted”	0.27/0.29/0.25	50.1/34.2/25.7	165.7/113.2/84.9
2	0.34/0.35/0.38	110.8/124.4/87.0	279.2/313.5/219.2
2 “imprinted”	0.44/0.41/0.42	84.6/64.4/40.0	382.8/291.7/181.2
3	0.41/0.33/0.33	81.9/105.2/83.7	261.3/335.6/266.8
3 “imprinted”	0.44/0.39/0.44	100.6/82.4/61.0	320.9/262.8/194.6

Примечание. Первое, второе и третье значения относятся к концентрации цефазолина 1.5, 5.0 и 10.0 мас. % соответственно.

При анализе полученных результатов (табл. 9) в первую очередь следует обратить внимание на аномально низкие значения параметра n для большинства гидрогелей, причем отклонение от величины 0.5, как правило, тем больше, чем меньше общая сорбция и степень набухания гидрогеля. В связи с этим гидрогели “imprinted” характеризуются бóльшими величинами n, чем обычные гидрогели. Подобные отклонения от законов простой диффузии (закона Фика) наблюдали и другие исследoватели [13], объясняя их сильными физическими взаимодействиями лекарства с полимером. Однако такого объяснения, по-видимому, недостаточно. Необходимо также учитывать то, что в ходе десорбции происходит значительное изменение свойств гидрогеля вследствие удаления из него лекарственного вещества. Достаточно указать на изменение степени набухания гидрогелей в зависимости от содержания в них цефазолина (табл. 3).

С данным явлением связаны и параметры, определяющие скорость выделения лекарства из гидрогеля. Более медленное выделение цефазо-лина из гидрогеля “imprinted”, чем из его обычного аналога, наблюдалось только при насыщении полимеров из наименее концентрированных растворов лекарства. В таких системах, как видно из табл. 3, переход от гидрогеля в растворе лекарства с концентрацией 1.5 мас. % к гидрогелю в изотоническом растворе хлористого натрия (в который производилась десорбция, табл. 2) не приводит к существенным изменениям параметров набухания гидрогеля. По этой причине эффекты памяти (увеличение сорбции и пролонгация высвобождения) в данном случае проявлялись в полной мере (табл. 8 и 9). В наибольшей степени они выражены для катионных гидрогелей, характеризующихся самыми высокими значениями сорбции.

При насыщении гидрогелей из концентрированных растворов цефазолина происходит их сильное дополнительное набухание за счет сорбции лекарства. Известно, что повышение влаго-содержания гидрогеля вызывает увеличение коэффициента диффузии воды [17], что приводит к ускорению высвобождения вещества, сорбированного гидрогелем. По сути наблюдаемый эффект подобен увеличению коэффициента диффузии низкомолекулярного вещества в растворе полимера при уменьшении его вязкости, которое описывается уравнением Стокса–Эйнштейна или более точно уравнением, представленным в работе [18]. В настоящем исследовании мы не пытались из данных по десорбции вычислять коэффициенты диффузии, поскольку показатель n значительно отличался от величины 0.5, хотя некоторые авторы [13], на наш взгляд ошибочно, делают это в подобных системах (при n = 0.143– 0.268). Если рассмотреть данные, приведенные в табл. 3, то можно обнаружить, что параметры набухания гидрогелей “imprinted” существенно превышают соответствующие величины для обычных гидрогелей, особенно если насыщение

гидрогелей производится из растворов цефазоли-на с концентрациями 5 и 10 мас. %. Вероятно, в этих системах происходит увеличение коэффициентов диффузии лекарственного вещества, что отражается на скорости высвобождения лекарства из гидрогеля (параметры t/l² у гидрогелей “imprinted” выше, чем у обычных аналогов).

Таким образом, эффект памяти при рассмотрении сорбции цефазолина реализуется во всем изученном диапазоне концентраций лекарства, применяемого для насыщения гидрогеля. При использовании гидрогелей “imprinted” с целью пролонгации действия лекарственного вещества следует ограничивать концентрацию лекарства при насыщении гидрогеля, если оно оказывает влияние на характеристики гидрогеля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе ГЭМА и функциональных мономеров АК и ДМАЭМА синтезированы гидрогели, проявляющие эффект памяти при иммобилизации целевого лекарственного вещества (цефазо-лина).

Определены параметры набухания гидрогелей в воде и водных растворах электролитов и цефазолина, на основании которых рассчитаны коэффициенты диффузии воды и лекарственного вещества. Установлено, что присутствие цефазолина в растворе вызывает дополнительное набухание гидрогеля.

Показано, что эффект памяти проявляется в повышенной величине сорбции цефазолина гидрогелем по сравнению с обычным гидрогелем такого же химического состава, причем повышение сорбции обусловлено прежде всего особой морфологией гидрогеля, возникающей при синтезе сополимера в присутствии цефазолина.

Обнаружено замедление процесса выделения антибиотика из гидрогеля с памятью по сравнению с обычным гидрогелем в тех случаях, когда насыщение цефазолином производилось из наиболее разбавленного раствора (1.5%). При использовании более концентрированных растворов наблюдается обратное явление, что обусловлено более сильным набуханием “imprinted” гидрогелей. Следовательно для реализации эффекта пролонгации выделения лекарства из гидрогеля необходимо насыщать последние из относительно разбавленных растворов цефазолина.

Методом малоуглового рассеяния нейтронов установлено внутреннее строение синтезированных гидрогелей и влияние на него иммобилизации цефазолина при синтезе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cunliffe D., Kirby A., Alexander C. // Adv. Drug Del. Rev. 2005. V. 57. № 12. P. 1836.

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Серия А том 53 № 4 2011

ПОЛИМЕРНЫЕ ГИДРОГЕЛИ

573

2. Alvarez-Lorenzo C., Concheiro A. // J. Chromatogra-phy. B. 2004. V. 804. № 1. P. 231.

3. Ali M., Horikawa S., Venkatesh S., Saha J., Hong J.W., Byrne M.E. // J. Control. Release. 2007. V. 124. № 3. P. 154.

4. Alonso M.J., Sánchez A. // J. Pharm. Pharmacol. 2003. V. 55. № 11. P. 1451.

5. Hiratani H., Fujiwara A., Tamiya Y., Mizutani Y., Alvarez-Lorenzo C. // Biomaterials. 2005. V. 26. № 11. P. 12 93 .

6. Даниличев В.Ф., Иванчев С.С., Ушаков Н.А., Павлю-ченко В.Н., Рейтузов В.А., Бобашева А.С., Муравьева Э.В. // Глаз. 2006. № 5. С. 11.

7. Даниличев В.Ф., Иванчев С.С., Новиков С.А., Павлю-ченко В.Н., Рейтузов В.А., Хайкин С.Я. // Современная оптометрия. 2007. № 10. С. 14.

8. Контактные линзы / Под ред. В.Ф. Даниличева, С.А. Новикова. СПб.: Рекламное агентство “Веко”, 2008. С. 236.

9. Alvarez-Lorenzo C., Yanez F., Barreiro-Iglesias R., Concheiro A. // J. Control. Release. 2006. V. 113. № 3. P. 236.

10. Hiratani H., Alvarez-Lorenzo C. // J. Control. Release. 2002. V. 83. № 2. P. 223.

11. Алексеев В.Л. Дис. …канд. хим. наук. Л.: Ленинградский ин-т ядерной физики, 1986.

12. Белевитин А.Б., Бойко Э.В., Даниличев В.Ф., Пав-люченко В.Н. // Вестн. Военно-медицинской академии. 2009. № 2 (26). С. 96.

13. Singh B., Chauhan N. // Acta Biomaterialia. 2008. V. 4. № 5. P. 1244.

14. Ritger P.L., Peppas N.A. // J. Control. Release. 1987. V. 5. № 1. P. 23.

15. Solpan D., Kolge Z., Torun M. // Macromol. Sci., Part A, Pure and Appl. Chem. 2006. V. 43. № 1. P. 129.

16. Svergun D.I. // J. Appl. Cryst. 1992. V. 25. № 4. P. 495.

17. Fornasiero F., Krull F., Prausnitz J.M., Radke C.J. // Biomaterials. 2005. V. 26. № 28. P. 5704.

18. Панченков Г.М., Борисенко И.И., Ерченко В.В. // Журн. физ. химии. 1970. Т. 44. С. 2668.