Автореферат и диссертация по медицине (14.04.02) на тему:Синтез и свойства титан- и кремнийтитансодержащих гидрогелей на основе биосовместимых полиолатов

На правах рукописи

Иваненко Мария Владимировна

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ТИТАН- И КРЕМНИИТИТАНСОДЕРЖАЩИХ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОЛИОЛАТОВ

14.04.02 - фармацевтическая химия, фармакогнозия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

5 ДЕК 2013

Казань 2013

005542484

005542484

Работа выполнена в ФГБУН Институте органического синтеза им. ИЛ. Постовского Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор химических наук Хонина Татьяна Григорьевна

Галкина Ирина Васильевна

доктор химических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Казанский

(Приволжский) федеральный

университет», профессор кафедры высокомолекулярных и элементо-органических соединений

Халиуллин Феркат Адельзянович

доктор фармацевтических наук, профессор, ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский

университет», зав. кафедрой фармацевтической химии

Ведущая организация: ГБОУ ВПО «Пермская государственная

фармацевтическая академия им. академика Е.А. Вагнера» Министерства здравоохранения РФ (г. Пермь)

Защита диссертации состоится » декабря 2013 г. в 12ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.080.07 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний ученого совета (А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Отзывы на автореферат в 2х экземплярах просим направлять по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса 68, КНИТУ, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.080.07

0

^у'/'

Автореферат разослан 7 • 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета — Нугуманова Гульнара Наиловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность исследования. Золь-гель синтез широко используется как метод препаративной химии, позволяющий получать разнообразные по структуре и свойствам ценные для практики неорганические и органо-неорганические продукты. Типичными прекурсорами в золь-гель процессе являются алкоксильные производные, среди которых наиболее часто используются тетраалкоксиды кремния и титана. Эти вещества вступают в реакции гидролиза и последующей конденсации, при этом химические процессы тесно связаны с физическими явлениями (коллоидными трансформациями).

Механизм золь-гель перехода для алкоксильных прекурсоров достаточно подробно описан в литературе. Алкоксильные производные титана обнаруживают гораздо большую активность по отношению к воде, что, в основном, приводит к вынадению осадка диоксида титана, а не к образованию геля.

В отличие от алкоксильных прекурсоров, полиолатные прекурсоры (кремний- и титансодержащие производные многоатомных спиртов) исследованы в значительно меньшей степени. Имеющиеся сведения носят, как правило, практическую направленность и касаются, в основном, использования полиолатов кремния (производных глицерина, 1,2-пропандиола, этиленгликоля, полиэтиленгликолей) в золь-гель процессе для биомедицинских целей. В этом случае выделяющиеся в результате гидролиза и конденсации полиолы не оказывают отрицательного влияния на биомакромолекулы, как, например, в случае денатурирующего и/или осаждающего действия одноатомных спиртов. Следует отметить, что имеющиеся в литературе немногочисленные сведения об использовании полиолатов титана в золь-гель процессе касаются только глицеролатов и этиленгликолятов; сведения об использовании титансодержащих производных других полиолов, например, полиэтиленгликолятов титана, отсутствуют.

Таким образом, изучение возможности использования в золь-гель процессе новых биосовместимых полиолатных прекурсоров с целью получение на их основе фармакологически активных гидрогелей, а также исследование физико-химических закономерностей процесса их образования и изучение свойств представляют несомненный научный и практический интерес и являются актуальными задачами.

Настоящая работа выполнена как часть плановых научно-исследовательских работ, проводимых в Институте органического синтеза им. И.Я. Постовского УрО РАН (ИОС УрО РАН) (тема гос.рег. № 01.2.00 950737); по госконтракгам с Правительством Свердловской области №№ ЛС-14 от 24.08.2009 г., ЛС-6 от 03.11.2010 г.; в рамках проекта РФФИ (грант № 10-03-96072-р_урал_а), а также программы Президиума РАН № 09-П-3-2001 и Уральского отделения РАН (грант № 11-3-НП-666).

Цель работы. Направленный синтез, исследование физико-химических закономерностей процесса образования фармакологически активных гидрогелей на основе титан- и кремнийтитансодержащих полиолатных прекурсоров.

* Автор выражает благодарность академику О.Н. Чупахнну за постоянное участие в руководстве работой.

Конкретные задачи работы.

1. Синтез новых фармакологически активных титан- и кремнийтитансодержащих гидрогелей на основе полиолатов - биосовместимых прекурсоров в золь-гель процессе; определение оптимальных условий получения гидрогелей и их состава.

2. Исследование физико-химических закономерностей образования и структуры гидрогелей на основе различных типов полиолатных прекурсоров; сравнительная оценка реакционной способности прекурсоров в золь-гель процессе.

3. Изучение токсичности, ранозаживляющей, регенерирующей и транскутанной активности, а также структурно-механических свойств и осмотической активности синтезированных веществ.

4. Выбор наиболее перспективного состава гидрогеля для возможного использования как в качестве самостоятельного лекарственного средства для местного и наружного применения, так и в качестве основы фармацевтических композиций.

5. Валидация методики количественного определения активных компонентов (кремния и титана) в кремнийтитансодержащих гидрогелях. Нормирование основных показателей качества разрабатываемого средства в соответствии с требованиями научно-технической документации на субстанцию.

Научная новизна.

1. С использованием в качестве прекурсоров титан- и кремнийтитансодержащих производных полиолов (глицерина, полиэтиленгликоля) синтезированы золь-гель методом новые стабильные к синерезису полиолатные гидрогели. Определены оптимальные условия их получения и состав.

2. Установлены общие закономерности золь-гель процесса и выявлены особенности гелеобразования (полимерного и коллоидного) для различных типов прекурсоров. Полимерный и коллоидный тип гелеобразования подтвержден методами динамического и электрофоретического рассеяния света.

3. Показано, что наибольшей активностью в золь-гель процессе обладают полиэтиленгликоляты титана. Замена двух полиолатных групп на метильные у атома кремния в тетрафункциональных комбинированных полиолатах приводит к снижению реакционной способности, но существенно повышает ранозаживляющую и транскутанную активность.

4. Установлены нормы качества на субстанцию диметилбис(2,3-дигидроксипропокси)силана и тетракис(2,3-дигидроксипропокси)титана глицерогидрогель по основным показателям, соответствующим требованиям нормативно-технической документации.

Практическая значимость. Выбранный оптимальный состав гидрогеля на основе комбинированных диметилглицеролатов кремния и глицеролатов титана представляет интерес для дальнейшего более углубленного изучения с целью внедрения в медицинскую практику как в качестве самостоятельного лекарственного средства для местного и наружного применения, так и в качестве основы фармацевтических композиций. Повышенная транскутанная активность глицерогидрогеля, используемого в качестве основы фармацевтических композиций, позволит снизить в них дозу активных лекарственных добавок, что приведет к снижению себестоимости средства, наряду с высокой эффективностью и низкой токсичностью.

Положения, выносимые на защиту.

1. Направленный синтез биологически активных титан- и кремнийтитансодержащих полиолатов и гидрогелей на их основе.

2. Выбор наиболее перспективного состава гидрогеля для стандартизации.

3. Нормирование основных показателей качества для субстанции выбранного состава.

Личный вклад автора. Автором проведен анализ литературных данных, выполнен в полном объеме химический эксперимент, изучена осмотическая и транскутанная активность синтезированных веществ, проведена валидация методики количественного определения кремния и титана, нормированы основные показатели качества разрабатываемого средства. Диссертант принимал непосредственное участие в обсуждении полученных результатов, их обобщении, формулировке выводов по теме диссертации и написании научных статей.

Исследования электрокинетических характеристик, размеров частиц в растворах прекурсоров, а также определение структурных параметров полимерных гелей были проведены совместно с д.физ.-мат.н., проф. Сафроиовым А.П. (Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ)). Фармакологические исследования (токсичность, ранозаживляющая активность) были выполнены совместно с д.м.н., проф. Ларионовым Л.П. (Уральский государственный медицинский университет (УГМУ)).

Публикации. Основные результаты работы изложены в 3-х статьях в журналах, рекомендованных для размещения материалов диссертаций, 1-й статье и 9-и тезисах докладов в сборниках материалов конференций, 2-х патентах на изобретение.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной и 9-и российских конференциях: VII Всероссийской конференции «Химия и медицина, 0рхимед-2009». (Уфа, 2009), Ежегодной конференции «Фармация и общественное здоровье» (Екатеринбург, 2010, 2011, 2012), XI Андриановской конференции «Organosilicon compounds. Synthesis, properties, applications» (Москва, 2010), I Всероссийской конференции «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 2010), XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011), Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2012), III Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2012: Россия - Украина - Беларусь» (Санкт-Петербург, 2012), IX Всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа-Абзаково, 2013).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов (7 разделов), экспериментальной части, выводов и списка литературы (115 наименований). Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 23 таблицы. В литературном обзоре рассмотрены алкоксиды кремния и титана в качестве традиционных прекурсоров в золь-гель процессе, выявлены особенности полиолатов кремния и титана в качестве биосовместимых прекурсоров, а также приведены краткие сведения об использовании полиолатов кремния и титана для разработки лекарственных средств.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Полиолаты кремния различной функциональности, тетрафункциональные полиолаты титана и гидрогели на их основе

Ранее в ИОС УрО РАН был синтезирован и запатентован гидрогель на основе комбинированных тетрафункциональных глицеролатов кремния и титана формального состава 28і(СзН703)4 • Ті(СзН70з)4 • 22СзН80з • 88Н20. Этот гидрогель прошел основной цикл доклинических исследований и рекомендован для стандартизации с целью внедрения в медицинскую практику.

Перспективным направлением модификации кремнийтитансодержащих глицеролатов и, соответственно, гидрогелей на их основе, с точки зрения повышения фармакологической активности является введение метальных групп в их структуру с образованием связи Бі-С. Такая модификация замедлит процессы связывания кремния в малоактивную дисперсную фазу при гелеобразовании, приведет к увеличению количественного содержания кремния в биологически доступной форме, и, кроме того, повысит липофильность молекул, что должно способствовать трансмембранному переносу кремния через липидный бислой клеточных мембран.

1.1. Синтез комбинированных полиолатов кремния и титана

Синтез комбинированных полиолатов кремния и титана 1-10 проводили совместным алкоголизом (метил)этоксисиланов различной функциональности (тетраэтоксисилан 8і(ОЕ04. метилтриэтоксисилан Ме8і(ОЕ0з,

диметилдиэтоксисилан Ме28і(ОЕі)2) и Ті(ОВи)4 избытком полиола (глицерин, ПЭГ-400) путем удаления образующихся спиртов до теоретического количества сначала при атмосферном давлении, затем в вакууме (схемы 1-3, табл. 1).

Схема 1

к&І((Ж)4 + ТІ(ОВи)4 + {Ак + х + 4)НСЖОН *

* Ш((ЖОІІ)4 • ТЇ(ОКОН)4 • *Н(ЖОН + 4/ШЮН + 4ВЮН 1,2

комбинированные тетрафункциональные полиэтиленгликоляты кремния и титана

Схема 2

Ше8і(ОЕі)з + ТІ(ОВи)4 + (Зк-> х + 4)Н(ЖОН »

^=г^Ше8і(СЖОН)3 " Ті(ОЯОН)4 • хНСЖОН + ЗШОН + 4ВиОН

3-6

комбинированные трифункциональные полиолаты кремния и тетрафункциональные полиолаты титана

Схема 3

Ше28і(ОЕі)2 + Ті(ОВи)4 + (2к + х + 4)Н01Ю11 »" *• Ше25і(ОКОН)2 • ТІ(ОЯОН)4 • хНОКОН + 2ШОН + 4ВиОН 7-10

комбинированные дифункциональные полиолаты кремния и тетрафункциональные

полиолаты титана

Состав комбинированных полиолатов кремния и титана, полученных в избытке полиола, формально соответствует формулам 1-10, приведенным в таблице 2 и обозначен нами условной записью через символ « • », что соответствует мольному соотношению полиолаты кремния : полиолаты титана : полиол.

Комбинированные полиолаты кремния и титана 1-10 в избытке полиола были получены с количественными выходами; они представляют собой жидкости различной вязкости; глицеролаты 3, 4, 7, 8 - жидкости белого цвета, неограниченно смешивающиеся с водой с образованием устойчивых золей, полиэтиленгликоляты 1, 2, 5, 6, 9, 10 - прозрачные светло-желтые жидкости, легко растворимые в воде. Все полиолаты охарактеризованы методами элементного анализа, рефрактометрии, ИК спектроскопии, вискозиметрии.

Синтезированные комбинированные полиолаты не являются механической смесью двух полиолатов - кремния и титана. В силу полифункциональности, они склонны к реакциям конденсации с выделением полиола и образованием олигомерных продуктов, содержащих полиолатные мостики между атомами кремния и титана 8М>-11-0-'П, что подтверждено данными физико-химического анализа. Атомно-эмиссионным анализом показано наличие кремния и титана в дисперсной фазе, выделенной из коллоидного раствора прекурсора 8 методом исчерпывающей холодной экстракции абсолютным этиловым спиртом.

Таблица 1

Состав комбинированных полиолатов кремния и титана в избытке нолиола

№ -Я- к X Общая формула

1 [СН2-СН20]8-СН2-СН2 1 2 /«¡(ОКОН).. ■ ~П(ОКОН)4 ■ хНОЫОН

2 2 3

3 СН2-СН(ОН)-СН2 1 11 Ше81((ЖОН)з • П((ЖОН)4 • .гНОКОН

4 2 12

5 [СН2-СН20]8-СН2-СН2 1 2

6 2 3

7 СН2-СН(ОН)-СН2 1 12 Ше25!((ЖОН)2 • Т1((ЖОН)4 • *НСЖОН

8 2 12

9 [СН2-СН20]8-СН2-СН2 1 2

10 2 3

То, что синтезированные полиолаты не являются механической смесью полиолатов кремния и полиолатов титана также подтверждается результатами по исследованию процесса гелеобразования: в случае механической смеси гели не образуются.

1.2. Синтез гидрогелей на основе комбинированных полиолатов

При взаимодействии комбинированных полиолатов кремния и титана 1-10 с водой в нейтральной или кислой (рН 2-4) средах при 80 °С получали гидрогели 11-20 (схема 4, табл. 2).

Формулы гидрогелей 11-20 соответствуют их формальному составу, но не отражает всю сложность протекающих в золь-гель процессе превращений прекурсоров в результате гидролиза и последующей конденсации. Условная запись

с использованием символа « • » соответствует мольному соотношению исходных веществ (полиолатов кремния, полиолатов титана, полиола и воды), используемых для получения гелей.

Схема 4

Ше^КСЖОН),, ■ И(СЖОН)4 • хНСЖОН + ^н20 — 1-10

—Ше4_ХОКОН)„ . Т;(ОКОН)4 • хНСЖОН • >Н20 11-20

Таблица 2

Кремнийтитансодержащие гидрогели оптимального состава_

№ к X У R Общая формула рН среды / время гелеобразования, мин

11 1 2 12 [СН2СН20]8СН2СН2 *Si(OROH)4 ■ Ti(OROH)4 • дгНСЖОН • ,уН20 6,5/8

12 2 3 18 6,5/10

13 1 11 40 СН2СН(ОН)СН2 4MeSi(OROH)3 • Ti(OROH)4 • jtHOROH • >н2о 2,0/180

14 2 12 40 2,0 / 200

15 I 2 12 [СН2СН20]8СН2СН2 4,0/15

16 2 3 18 4,0/20

17 1 12 40 СН2СН(ОН)СН2 *Me2Si(OROH)2 • Ti(OROH)4 ■ atHOROH • >н2о 2,0/600

18 2 12 40 2,0 / 720

19 1 2 12 [СН2СН20]8СН2СН2 3,0/7

20 2 3 18 2,0/9

Гидрогели 11, 12 на основе комбинированных тетрафункциональных полиэтиленгликолятов кремния и титана были получены в нейтральной среде; остальные гидрогели 13-20 в воде не образуются, их получали в кислой среде (рН 2-4).

Полученные гидрогели представляют собой светло-желтые прозрачные (11, 12, 15, 16) или полупрозрачные (19, 20) монолиты, или белые непрозрачные дисперсные системы, лишенные текучести (13, 14, 17, 18). Все гидрогели устойчивы к синерезису; при диспергировании легко переходят в мазеподобное состояние. Гидрогели также охарактеризованы методами элементного анализа, рефрактометрии, ИК спектроскопии, вискозиметрии.

Приведенные в таблице 2 составы гидрогелей являются оптимальными по содержанию полиолатов кремния и титана, полиола и воды, что определяется их устойчивостью к синерезису и наиболее приемлемой консистенцией для практического использования.

2. Полиэтиленгликоляты титана и гидрогели на их основе

Полиэтиленгликоляты титана в качестве биосовместимых прекурсоров в золь-гель процессе нами были использованы впервые.

8

2.1. Синтез полиэтнленгликолятов титана - водорастворимых

биосовместимых прекурсоров в золь-гель процессе

Синтез тетракис(со-гидроксиполиэтиленгликокси)титана

(тетраполиэтиленгликолята титана) Ті(0[СН2СН20]9Н)4 (21) и тетраполиэтиленгликолята титана в избытке полиэтиленгликоля Ті(0[СН2СН20]9Н)4 • ЮН0[СН2СН20],Н (22) - новых водорастворимых биосовместимых прекурсоров в золь-гель процессе - проводили реакцией алкоголиза тетрабутоксититана Ті(ОВи)4 нолиэтиленгликолем Н0[СН2СН20]9Н (ПЭГ-400) в мольном соотношении 1 : 4 и 1 : 14 соответственно при температуре 90°С с последующим удалением образующегося бутанола (схема 5).

Полиэтиленгликоляты титана 21 и 22 были синтезированы с количественными выходами; они представляют собой прозрачные светло-желтые жидкости различной вязкости, хорошо растворимые в воде, полиэтиленгликолях. При попытке перегнать в вакууме полиэтиленгликоляты разлагаются. Полученные вещества охарактеризованы методами элементного анализа, рефрактометрии, ИК спектроскопии и вискозиметрии. Методы ЯМР и масс-спекгрометрии с электрораспылительной ионизацией оказались неинформативны для характеристики синтезированных веществ.

Схема 5

Ті(ОВи)4 + (х+4)НСЖОН - Ті(СЖОІІ)4 • хІЮІШІІ + 4ВиОН

21,22

Я = -[СН2СН20]8СН2СН2-; х = 0 (21), л- = 10 (22)

Синтезированные продукты, аналогично комбинированным полиолатам, не являются индивидуальными веществами. Полиолаты титана склонны к реакциям межмолекулярной конденсации с выделением полиола и образованием олигомерных продуктов конденсации (олигоэфиров) по схеме 6:

Схема 6

\ / \ /

—Ті—окон + ноио—Ті--->ТІ-ОКО-Ті-— + нокон

/ \ / \

Образование агломератов (продуктов конденсации и сольватации) было подтверждено методом динамического рассеяния света (см. с. 13).

2.2. Синтез гидрогелей на основе полиэтнленгликолятов титана

Полиэтиленгликоляты титана 21 и 22 были использованы в качестве новых

биосовместимых прекурсоров в золь-гель синтезе гидрогелей.

Прекурсор 21 более реакционноспособен в реакциях гидролиза и последующей гидролитической конденсации, что приводит к образованию нестабильных к синерезису гидрогелей (синерезис - усадка геля, сопровождающаяся выделением жидкости) или выпадению осадка диоксида титана. Для того, чтобы снизить реакционную способность прекурсора и получить стабильные к синерезису гели, мы использовали раствор полиэтиленгликолята титана в ПЭГ-400 (прекурсор 22).

При взаимодействии прекурсора 22 с водой (у - мольное содержание Н20), при 25°С, без использования катализаторов гелеобразования (электролитов) был получен гидрогель 23 (схема 7). О гелеобразовании судили по потере в системе текучести, которую определяли визуально.

9

Схема 7

ТІ((ЖОН)4 • дгНСЖОН + уН20 -»► Ті(СЖОН)4 • хНОКОН • уН20

22 Я = -[СН2СН20]8СН2СН2-; у = 40 (3) 23

Полученный гель 23 представляет собой прозрачный, светло-желтый монолит, устойчивый к синерезису, при диспергировании легко переходящий в мазеподобное состояние. Гель не плавится до температуры разложения, нерастворим в обычных органических растворителях. Продукт охарактеризован методами элементного анализа, ИК спектроскопии, рефрактометрии и вискозиметрии (см. также разделы 3.1.4 и 3.1.5).

Прозрачные монолитные гели, устойчивые к синерезису, были получены при различном мольном соотношении воды.

3. Исследование физико-химических закономерностей образования и

структуры синтезированных гидрогелей 3.1. Исследование закономерностей образования гидрогелей на основе полиэтиленгликолятов титана

В работе исследовано влияние мольного содержания воды, рН среды и добавок солей-электролитов на время образования гидрогелей на основе прекурсора 22. Для сравнения были использованы известные глицеролаты титана в избытке глицерина Ті(СзН7Оз)4 • 10С3Н803 (24) и гидрогель на их основе ТІ(С3Н703)4 • ЮС3Н803 ■ 40Н20 (25).

3.1.1. Влияние мольного содержания воды

На рисунке 1 приведена зависимость времени гелеобразования от мольного содержания Н20 (у) для полиэтиленгликолятов титана 22 в сравнении с глицеролатами титана 24. Гидрогели на их основе были получены при 80°С в нейтральной и кислой (рН = 2) средах, соответственно.

і125

О 100 200 300 400 500 600 700 Мольное содержание воды (у)

Рис. 1. Зависимость времени образования гидрогелей от мольного содержания воды (у) при 80°С для прекурсоров: 1 - Ti(0[CH2CH20]9H)4 • 10HO[CH2CH2O]9H (22); 2 --П(СзН70з)4 • ЮСзН80з (24) (рН = 2)

Как видно из рисунка 1, в случае полиэтиленгликолятного прекурсора 22 гелеобразование происходит наиболее быстро, и время гелеобразования остается практически постоянным в широком интервале мольного содержания Н20 (20 <у< 600) (кривая 1). Все полученные гели представляют собой прозрачные монолиты, устойчивые к синерезису. При малом содержании Н20 (у < 20) время

гелеобразования резко возрастает, вероятно, вследствие недостаточной концентрации Н20 для гидролиза прекурсора. При большом содержании Н20 (у > 600) концентрация прекурсора уменьшается, скорость реакции конденсации замедляется, и время гелеобразования возрастает. При содержании Н20 у » 1000 наблюдается помутнение системы и образование осадка 'П02 (см. с. 13).

Полиэтиленгликоляты титана 22 более реакционноспособны, чем глицеролаты 24. Глицеролаты гитана образуют гидрогели только в кислых средах (0,5 < рН < 2,5), при этом время гелеобразования остается практически постоянным в узком диапазоне содержания Н20 (10 <у < 30) (кривая 2). Вероятно, низкая реакционная способность связана с тем, что глицеролаты титана, согласно литературным данным (ЯМР 13С в твердой фазе), существуют в форме гидрофобных хелатных комплексов и в избытке глицерина представляют собой коллоидный раствор (золь), в то время как полиэтиленгликоляты титана полностью растворимы в воде и легко вступают в реакцию гидролиза с последующей конденсацией.

3.1.2. Влияние рН среды

Зависимость времени гелеобразования от рН исходного водного раствора (у = 40) полиэтиленгликолятов титана 22 в сравнении с глицеролатами 24 при 80°С представлена на рисунке 2.

250 . 2

| 200 -

I 150 8

0 12 3 4 5 6 рН

Рис. 2. Зависимость времени образования гидрогелей от рН среды (у = 40) при 80°С для прекурсоров: 1 -Т1(0[СН2СН20]9Н)4 ■ ЮН0[СН2СН20]9Н (22); 2 - Т1(С3Н7Оз)4 • 10С3Н803 (24)

Полученная зависимость времени гелеобразования от рН исходного водного раствора полиэтиленгликолятов титана 22 (кривая 1) существенно отличается от аналогичной зависимости для глицеролатов титана 24 (кривая 2). В нейтральной и слабокислой средах гели на основе полиэтиленгликолятов титана образуются очень быстро, при этом время гелеобразования остается практически постоянным, затем при рН < 2 резко возрастает, и в сильнокислой среде (рН < 1,5) гели не образуются.

В отличие от полиэтиленгликолятов титана 22, которые хорошо растворимы и в воде, и в полиэтиленгликоле, гидрофобный глицеролат титана 24 нерастворим ни в воде, ни в глицерине. Установлено, что с водой глицеролаты титана образуют золь с четко выраженными границами раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой; коллоидные частицы рассеивают свет, обеспечивая отсутствие прозрачности. Высокое отрицательное значение ¿¡-потенциала (-46 мВ), определенное методом электрофоретического рассеяния света, свидетельствует о

высокой стабильности золя. Средний размер частиц по данным динамического светорассеяния составляет ~ 600-700 нм. В отличие от полиэтиленгликолятов титана 22, глицеролаты титана лиофобны; они образуют устойчивые в глицерине хелатные комплексы в виде частиц дисперсной фазы, на поверхности раздела которых со средой возникает двойной электрический слой, что и обеспечивает высокое (абсолютное) значение ^-потенциала. В то же время фазовые границы являются препятствием для дальнейшего протекания процессов гидролиза и конденсации. В этом случае для осуществления золь-гель процесса необходимы гораздо более жесткие условия: гели образуются только в кислых средах (рН < 2,5), при этом двойной электрический слой на поверхности коллоидных частиц разрушается, происходит их агрегация с образованием коагуляционной сетки с последующим химическим связыванием коллоидных частиц в результате гидролитической конденсации. При рН < 1,5 образуются растворимые в воде гидроксититанхлориды, что замедляет гелеобразование; в сильнокислых средах гели не образуются.

Как видно из рисунка 2, активность полиэтиленгликолятов титана в золь-гель процессе, как правило, выше, чем глицеролатов; однако при рН < 2 глицеролаты титана активнее.

3.1.3. Влияние солей-эле!стролитов

Исследовано влияние солей-электролитов (использовали 0,15М растворы солей (МН4)зР04, (ИВД^О.,, Ш4С1, СаС12, А1С13, А1(804)3, А1(Ы03)3) на время образования гидрогелей на основе полиэтиленгликолятного прекурсора 22 в сравнении с глицеролатным прекурсором 24 при 80°С.

В случае глицеролатов титана 24 гелеобразование имеет место только в присутствии солей алюминия: введение электролитов с высоким положительным зарядом катиона А1+3 (противоион) вызывает сжатие двойного электрического слоя, что характерно для коллоидных систем. Кислая среда растворов солей алюминия (рН 2-3) также способствует гелеобразованию.

В случае полиэтиленгликолятов титана 22 все исследуемые соли-электролиты ускоряют гелеобразование, что характерно для полимерного типа гелеобразования. Однако, поскольку полиэтиленгликоляты титана 22 проявляют высокую реакционную способность в золь-гель процессе и легко образуют гели даже при комнатной температуре, то использование солей-электролитов в этом случае для ускорения гелеобразования с практической точки зрения не является целесообразным.

3.1.4. Полимерные гидрогели на основе полиэтиленгликолятов титана*

Химические реакции, лежащие в основе золь-гель процесса, характерные для полиэтиленгликолятов титана 22, представлены на схеме 5, что, в целом, соответствует образованию полимерных гелей из полиолатов кремния.

При растворении полиэтиленгликолятов титана 22 в воде происходит их быстрый обратимый гидролиз с образованием групп Т1-ОН и И-ОКОН (реакции 1 и 2). Избыток полиэтиленгликоля смещает равновесие реакции гидролиза в сторону исходных полиэтиленгликолятов. Затем происходят реакции конденсации с образованием группировок "П-О-И (реакции 3 и 4). Происходящие поликонденсационные процессы приводят к возрастанию вязкости раствора и

Автор выражает благодарность проф., д.физ.-мат.н. Сафронову А.П. (кафедра высокомолекулярных соединений УрФУ) за проведение совместных исследований

12

формированию полимерного пространственного каркаса, что сопровождается потерей текучести в системе, при этом образуется прозрачный монолитный гель. Полиэтиленгликоль в реакционной среде дополнительно играет роль стабилизатора, который препятствует полному гидролизу полиэтиленгликолятов титана и последующей конденсации, приводящей к образованию неорганического геля или выпадению осадка ТЮ2.

Схема 5 \ \

—-T¡-OROH + Н20 - ' —Ti-ОН + HOROH (1)

——-ORO-Ti-—— + Н,0 - * -—^Ti-OROH + —^Ti-OH (2)

/ \ //

\ / \ /

——Ti-OROH + НО-^Ñ^" - • -0-Tí\~ + HOROH (3)

-OH + но-Tl^- - - -O-Tl^- + H20 (4)

R = -[CH2CH20]8CH2CH2-

Основываясь па концепции относительных скоростей реакций гидролиза и конденсации, мы можем заключить, что гидролиз полиэтиленгликолятов титана доминирует над гидролитической конденсацией.

Поскольку процесс образования пространственного каркаса гидрогелей на основе полиэтиленгликолятов титана 22 не включает стадию образования классического золя в золь-гель процессе и его дальнейшую коагуляцию, эти гели можно отнести к полимерным гелям.

Полимерный тип гелеобразования для полиэтиленгликолятных прекурсоров подтвержден данными динамического светорассеяния.

Сравнительная зависимость гидродинамического диаметра (DhJ) частиц прекурсора 22 при различном содержании воды (у = 40 и у » 1000) от времени в течение гидролитической конденсации представлена на рисунке 3.

При растворении прекурсора 22 в воде (у = 40) в начале измерений (2-ая мин после перемешивания) средний Dhd частиц равен 600 нм (кривая 1); при этом рассчитанное методом компьютерного моделирования ММ2 значение геометрического диаметра молекул Ti(0[CH2CH20]9H)4 не превышает 6,5 нм, что означает агрегацию молекул в прекурсоре. Эта агрегация может быть связана с конденсацией исходных молекул тетраполиэтиленгликолята титана, что характерно для полиолатов вследствие их полифункциональности, а также с процессами сольватации. Как видно из рисунка 3, DM достигает 1500 нм к 30 мин, после чего система теряет текучесть с образованием прозрачного монолитного геля. Таким образом, высокая концентрация прекурсора 22 в реакционной смеси О = 40) обеспечивает образование полимерных гидрогелей без стадии образования коллоидных частиц.

При растворении прекурсора 22 в большом избытке воды (у » 1000), первоначальный Dhd частиц близок к нулю, что говорит о разрушении агрегатов в начале гидролитической конденсации (кривая 2). Затем наблюдается резкое

возрастание размеров частиц (3800 нм на 7-ой минуте эксперимента), сопровождающееся помутнением реакционной смеси и выпадением осадка ТЮ2.

4000 3600 3000 2500 \ 2000 а 1500 10С0 500 0

0 5 10 15 20 25 30 35

время, мин

Рис. 3. Зависимость гидродинамического диаметра агрегатов (Dhd) полиэтиленгликолятов титана Ti(0[CH2CH20]9H)4 • ЮН0[СН2СН20]9Н (22) в течение гидролитической конденсации при различном мольном содержании воды (у), при 25°С: 1 - у = 40; 2 - у » 1000

Методом исчерпывающей холодной экстракции абсолютным этиловым спиртом была выделена твердая фаза гидрогеля Ti(0[CH2CH20]9H)4 • 10НО[СН2СН2О]9Н • 40Н20 (23). По данным ИК спектроскопии, она содержит полиэтиленгликоксильные группы, ковалентно связанные с атомами титана, со следующими полосами поглощения (v, см"1): 3300 (О-Н); 2880, 1460, 1350 (С-Н в -СН2-); 1060 (Ti-O в Ti-O-C). Поликонденсационный механизм гелеобразования подтвержден наличием в ИК спектрах полосы поглощения 400-700 см"1 (Ti-O-Ti). Элементный анализ также подтверждает присутствие органической составляющей в твердой фазе гидрогеля (~ 61,0% ТЮ2, органическая часть - остальное). По данным рентгенофазового анализа установлено, что твердая фаза гидрогеля является аморфной.

Жидкая среда гидрогеля представляет собой прозрачный вязкий раствор. Показано, что количественное распределение титана между твердой фазой и жидкой средой составляет 1,0 : 0,5, то есть, часть полиэтиленгликолятов титана находится в жидкой среде, вероятно, в виде водорастворимых продуктов гидролиза и конденсации.

3.1.5. Параметры сетчатой структуры полимерных гидрогелей

Сетчатая структура полимерного геля Ti(0[CH2CH20]9H)4 ЮН0[СН2СН20]9Н • 40Н20 (23) на основе прекурсора 22 была охарактеризована по методу Флори-Ренера, основанном на механических свойствах набухшей сетки из гибких полимерных цепей. Для сравнения исследовали сетчатую структуру кремнийсодержащего полиэтиленгликолятного гидрогеля Si(0[CH2CH20]9H)4 ■ 2Н20.

Экспериментальное значение Е (модуля упругости), рассчитанные значения р (плотность полимерной фазы в геле), <р( относительный объем фракции полимерной фазы в геле) и Мс (средняя молекулярная масса отрезков между узлами сшивки в эластичной сетке) приведены в таблице 3.

Значения Мс показывают, что отрезки цепи между узлами сшивки в сетке имеют значительную длину, которая обеспечивает их конформационную подвижность и эластичную деформацию гелей. Наибольшее значение М„ которое соответствует наименьшей плотности сетки, было получено для гидрогеля 23 - на основе полиэтиленгликолятов титана 22. Этот гель имеет наименьший модуль

упругости. Плотность сетки кремнийсодержащего полиолатного гидрогеля выше, поскольку объемное содержание жидкой среды в геле меньше, чем в случае геля

23.

Таблица 3

__Параметры сетчатой структуры __

Гидрогель р, г/см3 Е ■ 1<Г3, Па <? Ма г/моль

Ti(0[CH2CH,0],H)4 • • 101Ю[СН;,СН20]8.Ц ■ 40Н20 (23) 1,57 2,0 0,012 4- 105

Si(0[CH2CH20]sH)4 • 2Н20" 1,33 24,4 0,047 4-Ю4

Гидрогель приведен для сравнения и получен в 0,15М растворе KF

Таким образом, показано, что полнэтиленгликоляты титана 22 гораздо активнее в золь-гель процессе, чем глицеролаты 24, что выражается в мягких условиях синтеза гидрогелей (25°С, без использования катализаторов гелеобразования - электролитов).

3.2. Исследование закономерностей образования и структуры гидрогелей на основе комбинированных полиолатов кремния и титана Различие в природе полиолатных прекурсоров приводит к существенному различию в их реакционной способности, механизме гелеобразования и типе образующихся гидрогелей.

Все комбинированные полиэтиленгликолятные прекурсоры при растворении в воде образуют прозрачные растворы, аналогично полиэтиленгликоляту титана 22. Замена полиэтиленгликолятных групп на метальные приводит к последовательному снижению активности прекурсоров в гелеобразовании. Если гидрогели, полученные из комбинированных тетрафункциональных полиэтиленгликолятов кремния и титана 11, 12, легко образуются в нейтральной среде, то гидрогели на основе комбинированных три- и дифункциональных полиэтиленгликолятов кремния и тетрафункциональных полиэтиленгликолятов титана 15,16,19, 20 - только в кислой среде при рН 4 и 2 соответственно (табл. 2).

Все гидрогели на основе комбинированных полиэтиленгликолятов кремния и титана образуются по поликондснсационному механизму и являются полимерными, что также подтверждено методами физического и физико-химического анализа, аналогично гидрогелям, полученным на основе полиэтиленгликолятов титана 22 (схема 4, рис. 4а).

Комбинированные глицеролаты кремния и титана 3, 4, 7, 8, также как и глицеролаты титана 24, лиофобны и в воде образуют стабильные коллоидные растворы (золи), в которых на поверхности раздела частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой возникает двойной электрический слой. Значение С,-потенциала, определенное методом электрофоретического рассеяния света для водной дисперсии 2Ме281(С3Н703)4 ■ 'П(С3Н703)4 • 12С3Н803 (8) (-48 мВ), свидетельствует о высокой стабильности золя. Средний размер частиц золя по данным динамического светорассеяния составляет ~ 500-600 нм. В этом случае для осуществления золь-гель процесса также, как и для глицеролатов титана 24, необходимы более жесткие условия, чем для соответствующих полиэтиленгликолятов. В кислой среде силы электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы уменьшаются, и они начинают коагулировать (рН = 2), при этом кислая среда способствует процессам гидролиза, что приводит к

последующей конденсации и гелеобразованию аналогично процессам, приведенным на схеме 5. Образующиеся комбинированные гидрогели являются коллоидными, также как и гидрогели на основе глицеролатов титана 24 (рис. 46).

Диметилглицеролаты кремния в составе комбинированных глицеролатов кремния и титана 7, 8 также замедляют процесс гелеобразования по сравнению с комбинированными глицеролатами 3, 4, а также глицеролатами титана 24, что выражается в большем времени гелеобразования (табл. 2).

На примере комбинированного гидрогеля 2Me2Si(C3H703)4 • Т1(СзН703)4 ■ 12С3Н803 • 40Н20 (18) была выделена дисперсная фаза путем исчерпывающей холодной экстракции этиловым спиртом. Полученную дисперсную фазу анализировали методами элементного анализа (С, Н), атомно-эмиссионной спектрометрии (Si, Ti) и ИК спектроскопии. Методом ИК спектроскопии показано наличие в составе дисперсной фазы гидрогеля остаточных глицерокси- и диметилсилокси-групп. Это подтверждается полосами поглощения, которые соответствуют валентным и деформационным колебаниям связей и групп в соответствующих областях (v, см"1): 2925, 2865 (С-Н), 1214 (СН2); 1112 (С-0 в С-О-Н втор.); 1035 (С-О в С-О-Н перв.); 1112, 1035, 998, (Si-O-C, Ti-O-C); 866, 808 (Si-Me2). Установлено, что содержание оксидов кремния и титана в выделенной дисперсной фазе гидрогеля составляет 43,9%, содержание органической части -остальное.

Можно заключить, что при получении комбинированного глицеролатного гидрогеля 18 также, как и гидрогеля из глицеролатов титана 25, гидролиз и последующая гидролитическая конденсация кремнийтитансодержащего прекурсора 8 подавляются как за счет снижения его реакционной способности вследствие хелатообразования, так и за счет избытка глицерина, что приводит к наличию органической составляющей в дисперсной фазе и образованию гибридного органо-неорганического глицерогидрогеля.

Жидкая среда всех синтезированных гидрогелей по данным физико-химических методов анализа содержит низкомолекулярные полиолаты кремния и титана, которые не вошли в пространственный каркас гидрогеля и, по нашему мнению, в числе прочего, обеспечивают фармакологическую активность гидрогелей.

На рисунке 4 схематично показаны различия в структуре твердых фаз исследованных гидрогелей.

Рис. 4. Различия в структуре твердых фаз гидрогелей, полученных из прекурсоров: а -полиэтиленгликолятов титана 22 и комбинированных полиэтиленгликолятов кремния и титана 1, 2, 5, 6, 9, 10; б - глицеролатов титана 24 и комбинированных диметилглицеролатов кремния и тетраглицеролатов титана 7, 8

Таким образом, замена полиэтиленгликолятных групп на глицеролатные в составе комбинированных полиолатов приводит к существенному снижению реакционной способности. Замещение полиолатных групп у атома кремния на

метальные в структуре полиолата также значительно снижает активность прекурсора в гелеобразовании. В зависимости от типа полиола кремнийтитансодержащие полиолатные гидрогели могут быть как полимерными (полиэтиленгликолятные), так и коллоидными (глицеролатные).

4. Фармакологические исследования 4.1. Острая токсичность

Исследована острая токсичность* комбинированных полиолатов кремния и титана 1-10 и гидрогелей на их основе 11-20. Установлено, что все исследуемые вещества не оказывают отрицательного влияния на целостный организм экспериментальных животных. При изучении острой токсичности гидрогелей 11— 20 летальных исходов отмечено не было. Для комбинированных полиолатов 1-10 значения LD50 (внутрижелудочно) составляли более 6000 мг/кг. Все контролируемые показатели у животных опытных групп существенно не отличались от аналогичных показателей контрольных (интакгных) групп. Таким образом, синтезированные вещества согласно ГОСТ 12.1.007-76 относятся к IV классу опасности (малотоксичные вещества).

4.2. Ранозаживляющая и регенерирующая активность (in vivo)

Изучение ранозаживляющего действия синтезированных веществ проводили на примере кремнийтитансодержащих глицеролатов 8 и комбинированного глицерогидрогеля 18 в сравнении с разработанным ранее кремнийтитансодержащим глицерогидрогелем

281(Сз117Оз)4'Т1(СзН7Оз)4-22СзН8Оз'88Н20. Исследования проводили на модели термического ожога И-Ша степени у экспериментальных животных (крысы). Полное заживление ран в контрольной группе (без лечения) наблюдалось на 21-23-и сутки. В группе сравнения при лечении гидрогелем 281(СзН70з)4-Т1(СзН70з)4-22СзН80з-88Н20 полное заживление ран имело место на 17-18-е сутки. В опытных группах при лечении исследуемыми кремнийтитансодержащими глицеролатами и гидрогелем на их основе сроки заживления составляли ~ 14-15 суток; при этом значимых изменений в сроках заживления ран в этих опытных группах не наблюдалось. В целом, по срокам заживления эффективность лечения по сравнению с контролем составляла ~ 35%.

Общий и биохимический анализ крови у крыс опытных групп практически не отличался от показателей интактной группы животных.

При оценке морфологической структуры кожи были выявлены некоторые морфофункциональные проявления. Из анализа гистограмм поврежденного участка кожи контрольных крыс следует, что в области ожога определяется некроз эпидермиса с иерифокальной гранулоцитарной реакцией; капилляры и венулы сосочкового и подсосочкового слоев расширены с явлениями капилляростаза; в перифокальной области в сосочковом слое - пролиферация клеток фибробластного ряда; в толще дермы и гиподермы определяются периваскулярные лимфоидные инфильтраты, локализованные очагово. Наиболее благоприятные результаты наблюдались у крыс опытных групп при лечении комбинированными глицеролатами кремния и титана 8 и гидрогелем на их основе 18 с улучшением морфофункциональных показателей кожи.

* Автор выражает благодарность заведующему кафедрой фармакологии УГМУ, д.м.п., проф. Ларионову Л.П. за проведение фармакологических исследований.

17

Таким образом, наибольшую ранозаживляюшую и регенерирующую активность проявляет глицерогидрогель 18 на основе комбинировашшх глицеролатов кремния и титана, содержащий две метальные группы у атома кремния.

4.3. Транскутанная активность (/я уНго)

Транскутанную активность синтезированных веществ изучали на примере наиболее активного комбинированного глицерогидрогеля 2Ме28;(С-!Н7Оз)4 • Т1(С3Н703)4 • 12С3Н803 • 40Н20 (18) в сравнении с известными транскутанными проводниками. Для этого готовили композиции, содержащие 10% пефлоксацина (активной лекарственной добавки) на основе исследуемых веществ, которые наносили на кожу лягушки (эпидермис), прочно закрепленную в качестве мембраны на полых цилиндрах, помещенных в изотонический раствор (0,9% КаС1). Для сравнения использовали глицеролаты титана 24 и гидрогель на их основе 25, а также гидрогель на основе комбинированных тетрафункциональных глицеролатов кремния и титана 251(С3Н703)4 ■ Т1(С3Н703)4 • 22С3Н803 • 88Н20. Транскутанную активность оценивали путем измерения степени диффузии пефлоксацина через естественные биологические мембраны из кожи лягушки.

Наибольшей транскутанной активностью обладает гидрогель 18 на основе комбинированных глицеролатов кремния и титана, содержащий две метильные группы у атома кремния. При этом транскутанная активность уменьшается в ряду: 2Ме251(СзН7Оз)4 • Т1(С3Н703)4 • 12С3Н803 • 40Н20 (18) > 281(С3Н703)4 • Т1(С3Н703)4 ■ 22С3Н8Оз • 88Н20 > 281(С3Н703)4 • Т1(С3Н703)4 ■ 22С3Н803 > Т1(С3Н703)4 • 10С3Н803 • 40Н20 (25) > Т1(С3Н703)4 • 10С3Н803 (24).

Таким образом, замещение полиолатных групп у атома кремния на две метильные в структуре комбинированных тетрафункциональных полиолатов, как и предполагалось, повышает фармакологическую активность.

5. Эксплуатационно-потребительские характеристики 5.1. Реологические свойства

Исследование реологических свойств проводили на примере комбинированного глицерогидрогеля оптимального состава 2Ме251(С3Н7Оз)4 • ТКС3Н703)4 • 12С3Н803 • 40Н20 (18) в сравнении с известной гидрофильной мазевой основой - тизолем Т1(С3Н703)4 ■ 10С3Н803 • 40Н20 (25), а также с известными кремнийтитансодержащим глицерогидрогелем 281(С3Н703)4 Т1(СзН7Оз)4 • 22С3Н803 • 88Н20 и кремнийсодержащим глицерогидрогелем «Силативит» 51(С3Н70з)4 • 6С3Н803 ■ 24Н20. Исследовали зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига (реограммы течения), из полученных зависимостей определяли значения эффективной вязкости.

Установлено, что исследуемый глицерогидрогель 18 имеет неньютоновский тип течения, его вязкость зависит от напряжения сдвига, и реограмма течения имеет нелинейный характер, аналогично взятым для сравнения глицерогидрогелям. Реологический оптимум консистенции может быть охарактеризован эффективной динамической вязкостью 45,0-80,0 Пах в диапазоне скоростей сдвига 8,0-74,9 с-1, что соответствует нормам качества для мягких лекарственных форм.

5.2. Осмотическая активность

Одной из важнейших характеристик мягких лекарственных форм является осмотическая активность, для оценки которой был использован метод диализа по отношению к проницаемости воды с использованием полупроницаемой

целлофановой мембраны до установления постоянной массы исследуемых систем. Осмотическую активность оценивали на примере кремнийтитансодержащего глицерогидрогеля 18, в сравнении с титансодержащим 25, кремнийсодержащим 81(С3Н703)4 ■ 6С3Н803 ■ 24Н20, кремнийтитансодержащим 281(С3Н703)4 • Т1(С3Н703)4 ■ 22С3Н803 ■ 88Н20, а также смесью ПЭГ-400 и ПЭГ-1000.

Установлено, что наибольшую осмотическую активность проявляет смесь полиэтиленгликолей (~ 200% поглощенной воды в условиях эксперимента), которую обычно используют в мазях при лечении I фазы раневого процесса для снятия отека и воспаления. Кремний-, кремнийтитан- и титансодержащие глицерогидрогели значительно менее активны - поглощают в среднем 50-75% воды и могут быть использованы в последующих стадиях ранозаживления.

Таким образом, как следует из приведенных данных, наиболее активными и перспективными для дальнейшего исследования является комбинированный глицерогидрогель 18, содержащий в структуре две метальные группы у атома кремния. Этот гидрогель, также как и разработанный ранее глицерогидрогель на основе комбинированных тетрафункциональных глицеролатов кремния и титана 2Й1(С311703)4 • Т1(С3Н703)4 • 22С3Н803 • 881120, может быть рекомендован для использования в медицинской практике как в качестве самостоятельного средства, так и основы фармацевтических композиций для местного и наружного применения. Использование кремнийтитансодержащих глицерогидрогелей в качестве основ фармацевтических композиций позволяет снизить в них дозу активных лекарственных добавок вследствие транскутанной активности, что приводит к снижению себестоимости средства, наряду с высокой ранозаживляющей и регенерирующей активностью и низкой токсичностью.

6. Методы контроля качества кремнийтитансодержащих глицерогидрогелей 6.1. Определение подлинности

Для определения подлинности кремнийтитансодержащих

глицерогидрогелей использованы метод ИК спектроскопии и качественные химические реакции на компоненты средства.

Кремний в кремнийтитансодержащих гидрогелях открывают путем превращения кремния, содержащегося в исследуемом образце, в двуокись кремния вЮг с последующим растворением в плавиковой кислоте с образованием летучего тетрафторида кремния 81Р4, который обнаруживают по помутнению капли воды, внесенной в ушко платиновой проволоки.

Титан обнаруживают качественной реакцией с перекисью водорода в присутствии Н2804: образуется окрашенное в оранжево-желтый цвет соединение Н2[ТЮ(Н202)(804)2] (в разбавленных растворах окраска светло-желтая).

6.2. Валидация методики определения количественного содержания

нормированных компонентов и ее валидация Для определения кремния и титана в гидрогеле 2Ме281(С3Н703)2Т1(СзН70з)4-12С3Н803-40Н20 использовали методику

количественного определения кремния и титана в кремнийтитансодержащих глицерогидрогелях гравиметрическим методом .

Расчет метрологических характеристик и валидационнуго оценку методики количественного определения кремния и титана проводили на пяти образцах

* Методика разработана совместно с Хониной Т.Г.

19

модельных смесей по показателям: специфичность, аналитическая область, линейность, правильность и прецизионность в соответствии с ГФ XII, ч.2 (табл. 9, 10).

Для проведения анализов готовили модельные смеси, состоящие из диоксида кремния (аэросил-380), диоксида титана, глицерина и воды, соответствующие различному содержанию определяемых компонентов в аналитической области определения (80-120%) по отношению к их содержанию в кремнийтитансодержащем глицерогидрогеле формального состава 2Ме28;(СзН7Оз)2-Т1(СзН7Оз)4-12СзН8Оз-40Н2О (18) (вычисленное содержание 81, % - 2,07; "П, % - 1,76). Кроме того, готовили две смеси «плацебо», содержащие диоксид кремния, глицерин и воду в одном случае и диоксид титана, глицерин и воду - в другом; при этом содержание кремния, титана, а также глицерина и воды соответствовало их содержанию в анализируемом геле.

Специфичность определяли на примере смесей «плацебо» по методике, описанной выше. Во всех случаях происходило полное сгорание органической части и удаление всего кремния в виде Б1Р4 после обработки плавиковой кислотой, при этом ТЮ2 с НТ не реагирует.

Установлено, что в пределах аналитической области определения кремния и титана наблюдается линейная зависимость определяемых величин, при этом расчетная величина коэффициента корреляции г отвечает условию |г| > 0,99, и доверительные интервалы лежат в пределах 2% относительно значения определяемых величин.

Для оценки правильности анализировали модельные смеси, содержащие 80, 100 и 120% определяемых компонентов по отношению к их содержанию в анализируемом геле. Валидируемая методика может быть признана правильной, поскольку определяемые экспериментально значения лежат внутри доверительных интервалов, соответствующих средним результатом анализа. Рассчитанные значения I вьи оказались больше табличного, что позволяет с вероятностью 95% сделать вывод о наличии значимой систематической ошибки (5) не более 3%.

Прецизионность оценивали на модельных смесях по величине относительной ошибки результата отдельного определения (е), которая не превышает 3,64 % от истинного значения измеряемой величины (р).

Таблица 4

Метрологические характеристики методики количественного определения

кремния и титана

Элемент і X 52 в Р Т(Р,0 Дх £ 5

Зі 2,07 12 2,02 0,0005 0,0213 95 2,18 0,06 3,01 2,28

Ті 1,76 12 1,71 0,0006 0,0224 95 2,18 0,06 3,64 2,44

Таким образом, метрологические характеристики, полученные в результате статистической обработки данных количественного определения кремния и титана гравиметрическим методом в модельных системах, подтверждают обоснованность выбранной методики по показателям таких валидационных характеристик как специфичность, аналитическая область, линейность, правильность и

прецизионность; при этом относительная ошибка результата отдельного определения не превышает 3,64 %.

Для глицерогидрогеля 2Ме281(С3Н70з)2-И(СзН7Оз)4-12СзН8Оз-40Н20 (18) нами были нормированы основные показатели качества (таблица 5).

Таблица 5

Нормы качества субстанции диметилбис(2,3-дигидроксипропокси)силана и

Показатель Норма качества

Описание Органолептический (гелеобразная белая непрозрачная масса без цвета и запаха)

Подлинность ИК спектроскопия; качественные реакции на кремний, титан и глицерин

Показатель преломления ГФ XII (от 1,4805 до 1,4845)

рН ГФ XII Потенциометрически (от 4,20 до 4,70)

Тяжелые металлы ГФ XII (не более 0,001 %)

Коллоидная стабильность ГОСТ 24.12.1991 № 291883-91 (не наблюдается расслоения после центрифугирования в течение 5 мин при 6000 об/мин)

Микробиологическая чистота ГФ XII (категория 2.2)

Количественное определение ГФ XII Гравиметрический метод (определено не менее 2,01 и не более 2,13 % не менее 1,70 и не более 1,82 % то

Хранение В сухом, защищенном от света месте, при температуре не выше 25°С

Срок годности 2 года

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. С использованием золь-гель метода синтезирован ряд новых биоактивных гидрогелей на основе полиэтиленгликолятов титана и комбинированных полиолатов кремния различной функциональности и тетрафункциональных полиолатов титана - производных глицерина и полиэтиленгликоля (ММ 400). Определены оптимальные условия получения гидрогелей и их состав.

2. Установлено, что наиболее активными в золь-гель процессе являются полиэтиленгликоляты титана: замена полиэтиленгликолятных групп на глицеролатные приводит к существенному снижению реакционной способности; замещение полиолатных групп у атома кремния на метильные в структуре полиолата также значительно снижает активность прекурсора в гелеобразовании.

3. Показано, что в зависимости от типа полиола и/или условий процесса титан- и кремнийтитансодержащие полиолатные гидрогели могут быть как полимерными (полиэтиленгиколятные), так и коллоидными (гицеролатные). Выделены и охарактеризованы методами физического и физико-химического анализа твердые фазы гидрогелей. Полимерный и коллоидный тип гелеобразования подтвержден методами динамического и электрофоретического рассеяния света. С использованием теории Флори-Ренера определена молекулярная масса звена

между узлами сшивки в полимерных гидрогелях. Предложены модели структур для различных типов гидрогелей.

4. Установлена безопасность применения и высокая фармакологическая активность синтезированных гидрогелей (ранозаживляющая, регенерирующая и транскутанная). Показано, что замена двух полиолатных групп на метальные у атома кремния в тетрафункциональных полиолатах повышает фармакологическую активность.

5. Выбран наиболее перспективный состав гидрогеля 2Ме281(СзН7Оз)2-Т1(СзН70з)4-12СзН80з-40Н20 для возможного использования как в качестве самостоятельного лекарственного средства для местного и наружного применения с ранозаживляющей, регенерирующей и транскутаиной активностью, так и в качестве основы различных фармацевтических композиций.

6. Исследованы реологические свойства разрабатываемого глицерогидрогеля и его осмотическая активность. Показано, что значения эффективной динамической вязкости исследуемого геля соответствует оптимуму консистенции для мягких лекарственных форм, а его осмотическая активность соответствует известным кремний- и титансодержащим гидрогелям.

7. Валидирована методика количественного определения активных компонентов (кремния и титана) в кремнийтитансодержащем гидрогеле. Нормированы основные показатели качества для субстанции разрабатываемого гидрогеля.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных для размещения материалов диссертаций:

1. Хонина Т.Г., Чупахин О.Н., Ларионов Л.П., Сорокин П.В., Забокрицкий H.A., Суворов А.Л., Шадрина Е.В., Иваненко М.В. Синтез и биологическая активность крсмнийтитанорганических глицерогидрогелей // Хим.-фарм. журн. 2009, №2. С. 26-32.

2. Khonina T.G., Safronov А.Р., Shadrina E.V., Ivanenko M.V., Suvorova A.I., Chupakhin O.N. Mechanism of structural networking in hydrogels based on silicon and titanium glycerolates // J. Coll. Interface. Sei. 2012. V. 365. P. 81-89.

3. Иваненко M.B., Хонина Т.Г., Чупахин O.H., Ларионов Л.П., Сахаутдинова P.P., Сафронов А.П. Синтез фармакологически активных гидрогелей на основе комбинированных полиолатов кремния и титана // Изв. АН. Сер. хим. 2012, №11. С. 21462154.

Патенты:

1. Пат. 2417102 РФ. Фармацевтическая гелесодержащая композиция для местного и наружного применения / Чупахин О.Н., Хонина Т.Г., Ларионов Л.П., Сорокин П.В., Иваненко М.В., Бойко A.A., Коллерова М.С., Зобнина Г.А., Забокрицкий H.A.; заявл. 13.08.08; опубл. 27.04.11, бюл. № 12.

2. Пат. 2458929 РФ. Кремнийтитансодержащие производные полиолов и гидрогели на их основе / Чупахин О.Н., Иваненко М.В., Хонина Т.Г., Ларионов Л.П., Светозеров A.B.; заявл. 15.04.2011 ; опубл. 20.08.2012, бюл. № 23.

Материалы конференций:

1. Иваненко М.В., Хонина Т.Г., Чупахин О.Н. Фармакологически активные кремнийтитансодержащие гидрогели на основе полиолатов: в сб. науч. тр. Материалы XIV молодежной конференции по органической химии / Екатеринбург, 2011. С. 109-112.

2. Иваненко М.В., Хонина Т.Г., Чупахин О.Н. Гидрофильные мазевые основы: сравнительная оценка структурно-механических свойств, осмотической активности и способности к высвобождению лекарственных средств: тезисы докладов VII

Всероссийской конференции «Химия и медицина, 0рхимед-2009». Уфа, 1-5 июля 2009 г. С. 42-43.

3. Иваненко М.В., Хошша Т.Г., Братина И.П. Исследование процесса образования гидрогелей на основе сольватокомплексов глицеролатов кремния и. титана: тезисы докладов III Всероссийской конференции «Фармация и общественное здоровье». Екатеринбург, 25 февраля 2010 г. С. 169-171.

4. Ivanenko M.V., Khonina T.G., Larionov L.P., Sorokin P. V. Pharmaceutical compositions on the basis of organic silicon-titanium-containing hydrogels: materials of XI Andrianov conference «Organosilicon compounds. Synthesis, properties, applications». Moscow, September 26-30 2010. P. 139.

5. Хонина Т.Г., Шадрина E.B., Иваненко M.B., Чупахин О.Н. Исследование закономерностей процесса образования гидрогелей из глицеролатов кремния и титана: тезисы докладов Первой Всероссийской конференции «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем». Санкт-Петербург, 22-24 апреля 2010 г. С. 241.

6. Иваненко М.В., Хонина Т.Г., Ларионов Л.П., Светозеров A.B. Новые модифицированные кремнийтитансодержащие гидрогели: тезисы докладов Ежегодной конференции «Фармация и общественное здоровье». Екатеринбург, 19 мая 2011 г. С. XI-XIII.

7. Иваненко М.В., Хонина Т.Г., Ларионов Л.П., Сорокин П.В. Разработка и валидаыия методики количественного определения кремния и титана в кремнийтитансодержащих глицерогидрогелях: тезисы докладов Ежегодной конференции «Фармация и общественное здоровье». Екатеринбург, 18 апреля 2012 г. С. 87-89.

8. Иваненко М.В., Хонина Т.Г., Шадрина Е.В. Исследование процесса образования гидрогелей из полиэтиленгликолятов кремния и титана: тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы органической химии». Новосибирск, 9-14 июля 2012 г. С. 18.

9. Хонина Т.Г., Шадрина Е.В., Иваненко М.В., Ларченко Е.Ю., Чупахин О.Н. Фармакологически активные кремний- и кремнийтитансодержащие производные полиолов - перспективные лекарственные средства для использования в медицинской и ветеринарной практике: тезисы докладов III Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2012: Россия - Украина - Беларусь». Санкт-Петербург, 19-22 ноября 2012 года. С. 147.

10. Иваненко М.В., Шадрина Е.В., Хонина Т.Г. Полиэтиленгликоляты кремния и титана - новые водорастворимые биосовместимые прекурсоры в золь-гель процессе: тезисы докладов IX Всероссийской конференции «Химия и медицина». Уфа-Абзаково, 48 июня 2013 г. С. 66-67.

Соискатель ^J??/ M.B. Иваненко

Подписано в печать 21.11.2013 Формат 60x84 1/16

Бумага писчая. Печать на ризографе. Усл.печ.л. 1,3 Тираж 130 экз. Заказ 4941.

Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ УПИ» г. Екатеринбург, ул. Гагарина, 35а, оф. 2 Тел.: (343) 362-91-16, 362-91-17