Цель наших исследований: разработка новых лекарственных форм с улучшенными физико-химическими и функциональными свойствами на основе коллоидного диоксида кремния.
Несмотря на свою фармакологическую эффективность, многие лекарственные препараты в своей традиционной форме проявляют свойства, ограничивающие их широкое биомедицинское применение (например, низкие биодоступность, термо-, фото- и влагоустойчивость), что приводит к значительному снижению их эффективности и безопасности. Это касается и косметологии, как отрасли медицины. Бурное развитие индустрии красоты также требует создания более эффективных, безопасных и долгодействующих косметических композиций. Инкапсулирование лекарственных веществ в коллоидный диоксид кремния и образование новых гибридных органо-неорганических материалов позволяет изменить физическое состояние вещества, режим его поступления в биологическую среду, защитить от действия внешних факторов и обеспечить длительный фармакологический или косметический эффект без риска развития побочных явлений. Коллоидный диоксид кремния является одним из наиболее перспективных для этих целей материалом, потому что обладает уникальным сочетанием биологических (биосовместимость, биодеградируемость, нетоксичность, устойчивость к атакам энзимов и микробов) и физико-химических свойств (механическая, термическая и фотоустойчивость, многообразие структурных форм, текстурных и морфологических характеристик). Особенно это касается разработки новых лекарственных препаратов, вводимых перорально, так как коллоидный диоксид кремния признан в России и во всем мире безопасной пищевой добавкой. До сих пор диоксид кремния использовался в фармацевтических композициях как инертная добавка, предотвращающая комкование лекарственной массы и повышающая ее влагоустойчивость.
Гибридные ксерогели как платформа для разработки новых лекарственных форм для перорального введения
Проводимые работы
Для инкапсулирования лекарственных веществ используются прямые и непрямые методы золь-гель синтеза, золь-гель/эмульсионного синтеза
- Синтез гибридных материалов лекарственных веществ с коллоидным диоксидом кремния;
- Определение текстурных, морфологических, физико-химических свойств частиц ксерогелей;
- Исследование взаимодействий лекарственное вещество - матрица диоксида кремния в гибридных материалах;
- Изучение фазового состояния инкапсулированного лекарственного вещества;
- Определение кинетики фото- и термодеградации лекарственных веществ в гибридных материалах;
- Исследование in vitro кинетики и механизмов высвобождения лекарственных веществ из синтезированных материалов;
- Исследование антиоксидантной активности лекарственных веществ.
Объекты наших исследований
Лекарственные вещества
Бычий сывороточный альбумин (БСА) использовался в качестве модели лекарственных веществ белковой природы.
Матрицы диоксида кремния
Исследования кинетики и механизмов высвобождения лекарственных веществ in vitro
Биодоступность лекарственных препаратов может быть низкой по разным причинам: из-за плохой растворимости, ее зависимости от рН биологической среды, короткого времени полужизни лекарственного вещества в организме, низкой проницаемости вещества сквозь клеточные мембраны и т.д. Инкапсулирование лекарственных веществ в диоксид кремния способно увеличить их растворимость за счет потери кристаллической структуры и перевода вещества в аморфное состояние, защитить их от факторов биологической среды, модифицировать кинетику высвобождения лекарственного вещества и обеспечить длительное поддержание его терапевтической концентрации в плазме крови. Наши исследования показали, что инкапсулирование в матрицу диоксида кремния лекарственного вещества молсидомин, которое быстро удаляется из организма за счет высокой растворимости, привело к длительному высвобождению, контролируемому аномальной диффузией и подчиняющемуся закону нулевого порядка (E.V. Parfenyuk, E.S. Dolinina. Eur. J. Pharm. Biopharm. 88 (2014) 1038; E.S. Dolinina, E.V. Parfenyuk. J. Pharm. Sci. 105 (2016) 1952). Другой пример таких эффектов инкапсулирования наблюдался для противовирусного вещества ацикловир. В традиционной пероральной лекарственной форме ацикловир имеет биодоступность только 10-30 %, которая в значительной степени ограничивается коротким временем полужизни лекарственного вещества в организме, а также низкой и рН-зависимой растворимостью лекарственного вещества, что приводит к необходимости многократного приема больших доз препарата, нередко вызывающих побочные эффекты. Моделирование кинетики высвобождения ацикловира из синтезированных гибридных ксерогелей на основе матриц диоксида кремния с различной химией поверхности, показало, что композит ацикловира с немодифицированным
диоксидом кремния способен обеспечивать постоянство концентрации лекарственного вещества в различных отделах желудочно-кишечного тракта независимо от кислотности среды и времени транзита через них. Композит содержит значительно меньшее количество ацикловира, чем требуется для поддержания терапевтического эффекта при пероральном приеме его традиционной формы (Изв. ВУЗов. Химия и химич. технол. 63 (2020) 63).
Исследования кинетики термо- и фотодеградации лекарственных веществ в составе гибридных ксерогелей
Лекарственные препараты могут подвергаться воздействию света и повышенных температур в процессе их изготовления и при хранении. Некоторые из них являются термо- и фоточувствительными и легко деградируют под действием этих факторов, что значительно снижает их эффективность и безопасность. Инкапсулирование лекарственных веществ в матрицу диоксида кремния может защитить их от действия повышенных температур и излучения как за счет взаимодействий лекарственного вещества с матрицей, так и за счет образования защитной оболочки диоксида кремния вокруг инкапсулированного вещества. Примером свето- и термочувствительного лекарственного вещества является хорошо известный антиоксидант липоевая кислота. При облучении светом происходит разрушение S-S связи в дитиолановом кольце и образуется дигидролипоевая кислота, а при нагревании липоевой кислоты до температуры ее плавления (58-650С) она образует полимеры. Проведенные исследования показали, что матрицы диоксида кремния не способны защитить липоевую кислоту от деградации под действием света, однако, способны значительно повысить ее устойчивость к действию повышенных температур (E. S. Dolinina, E. Yu. Akimsheva and E.V. Parfenyuk. Pharmaceutics 12 (2020) 228).
Гидрогели диоксида кремния как платформа для разработки новых мягких форм лекарственных препаратов и косметических композиций
Гидрогелевые материалы широко используются в различных областях жизнедеятельности человека. Благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как способность удерживать большое количество воды, высокая пористость, отличные вязкоупругие свойства и т.д., гидрогели представляют особый интерес для разработки новых материалов для биомедицины. Гидрогели очень популярны в индустрии красоты, где они часто являются основой кремов, масок филлеров для контурной пластики. Гидрогели на основе природных и синтетических полимеров интенсивно исследуются и уже используются в медицине и косметологии. Главный недостаток полимерных гидрогелей заключается в том, что они быстро разлагаются под действием различных факторов биологической среды (энзимы, микробные атаки, рН), что значительно укорачивает время функционирования этих материалов. Альтернативой таким материалам могут стать гидрогели диоксида кремния, которые обладают важными биологическими свойствами и значительно более высокой химической и механической устойчивостью. Все эти свойства делают их перспективной основой для разработки новых мягких лекарственных форм и композиций для косметологии.
Проведенные исследования показали, что, варьируя условия золь-гель синтеза гидрогелей диоксида кремния (количество катализатора, порядок смешения компонентов) можно получать гидрогели с различными свойствами (плотностью, пористостью, размером частиц, вязкостью, тиксотропными свойствами), а также изменять их отклик на механические воздействия (растяжение, сжатие) в несколько раз (E.S. Dolinina, A.S. Kraev, E.V. Parfenyuk.Mendeleev. Commun. 30 (2020) in press). Внедрение лекарственных веществ в структуру гидрогеля диоксида кремния и образование гибридных гидрогелей даст возможность получать материалы для косметологии и фармацевтики с заданными свойствами.
Ранее были получены твердые (ксерогелевые) композиты хорошо известных антиоксидантов, α-липоевой кислоты (ЛА) и ее амида (ЛМ),
Структурные формулы α-липоевой кислоты и липамида
с коллоидных диоксидом кремния и изучено влияние химической структуры антиоксиданта, условий синтеза золь-гель композитов, химии поверхности матрицы диоксида кремния, а также рН среды на кинетику высвобождения антиоксидантов из синтезированных композитов и их антиоксидантную активность. Было проведено моделирование процесса высвобождения в ЖКТ с учетом изменения рН среды и времени транзита лекарственных веществ через отделы ЖКТ. Установлено, что процесс высвобождение антиоксидантов из композитов подчиняется кинетике нулевого порядка во всех исследованных средах высвобождения, т.е. кинетический закон одинаков. Нулевой порядок является идеальным законом высвобождения для пероральных препаратов, т.к. способствует поддержанию постоянной концентрации лекарственного вещества в течение длительного периода времени.
Кумулятивное высвобождение (а) и экспериментальные концентрационные кинетические кривые (б) для ЛК-ММДК(рН 7) и ЛА-МПМДК(рН 7) гибридных материалов при изменении рН и времени нахождения лекарственных веществ в различных отделах ЖКТ (Температура 370С)
После 3 часов высвобождения концентрация лекарственных веществ в среде тонкого кишечника достигает величины 1.1 мкг/мл, и этот уровень поддерживается до 24 часов независимо от рН биологической среды и времени транзита через отделы ЖКТ. Согласно литературным данным, эта концентрация близка к Смакс в плазме крови после приема других лекарственных форм ЛК [ F. Magnini et al. Minerva Med., 2011, 102, 475–482]. Однако для этих лекарственных форм такое значение Смакс было достигнуто после приема 600 мг препарата, и время достижения максимальной концентрации составило около 3 часов, а затем концентрация падала. Образцы синтезированных гибридных материалов содержат только 61 мг и 46 мг на 1 г материала соответственно, но способны за счет контролируемого высвобождения поддерживать указанную концентрацию в среде высвобождения до двух суток.
Экспериментальные кинетические кривые антиоксидантной активности высвободившихся ЛК и ЛА из ЛК-ММДК(рН 7) и ЛА-МПМДК(рН 7) гибридных материалов при изменении рН и времени нахождения лекарственных веществ в различных отделах ЖКТ (Температура 370С)
Также было показано, что антиоксидантный эффект длится до 24 часов, а не несколько часов, как в случае традиционных лекарственных форм (E.S. Dolinina and E.V. Parfenyuk. Materials (Basel) 14 (2021) 963).
Продолжая исследования гидрогелей на основе диоксида кремния, была разработана методика синтеза гидрогелевых композитов указанных дисульфидных антиоксидантов с немодифицированным диоксидом кремния. Такие гидрогели могут найти применение в качестве основы для топической доставки антиоксидантов в виде мазей, гелей, а также кремов и филлеров в косметологии. Учитывая указанное потенциальное применение гидрогелей и способ их введения (трансдермальное, инъекционное), они имели рН 6.6–7.4.
Показано, что концентрация катализатора золеобразования (HCl) (0.125М (ГГ1), 0.25М (ГГ2), 0.50М (ГГ3)), используемая при золь-гель синтезе гидрогелевых материалов, и содержание липоевой кислоты в композитах оказывают заметное влияние и кинетику высвобождения липоевой кислоты из гидрогелей.
Экспериментальные кумулятивные профили высвобождения ЛК из синтезированных гидрогелей в среду с рН 7.4 при температуре 370С
Установлено, что после эффекта выброса (0.5-2 ч) высвобождение липоевой кислоты из гидрогелей происходит по закону нулевого порядка и контролируется аномальной диффузией. Полученные результаты свидетельствуют о том, что скорость высвобождения нулевого порядка (к0)
– увеличивается с ростом концентрации кислоты, использованной при приготовлении гидрогелей, что объясняется уменьшением соотношения SiO2 : вода и прочности структуры гидрогелей;
– увеличивается с ростом загрузки ЛК в гидрогели; это связано с искажением и нарушением силоксановой сетки матрицы диоксида кремния при внедрении лекарственного вещества.
Указанный характер высвобождения способствут пропорциональному росту антиоксидантного эффекта липоевой кислоты (Е.С. Долинина, Е.В. Парфенюк. Неорг. химия 67 (2022) 1).
Потенциальное практическое применение гидогелевых материалов в качестве основы для мягких лекарственных форм и косметических продуктов в значительной степени определяется их морфологией и механическими свойствами. Исследование гидрогелей диоксида кремния методом оптической микроскопии показало, что в своем оригинальном виде они имеют высоко пористую структуру (в качестве примера приведены снимки а и б для чистого гидрогеля диоксида кремния (ГГ2) и с
Снимки оптического микроскопа для ГГ2( а) и ГГ2(ДМСО) (б) и снимки СЭМ для ГГ2(в) и ГГ»(ДМСО)(г)
добавкой ДМСО (ГГ2(ДМСО)). Снимки со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) высушенных гидрогелей (в и г) позволили увидеть, что гидрогели состоят из сферических частиц, образующих сильно конденсированные структуры (E.V. Parfenyuk, E.S. Dolinina. Mater. Chem. Phys. 287 (2022) 126160).
Изучение механических свойств гидрогелевых материалов (деформации под действием сдвиговых сил, сжатия и растяжения) очень важно при разработке мягких лекарственных форм и косметических композиций, так как они влияют на их функциональные свойства (например, кинетику высвобождения активного вещества), потребительские свойства (легкость извлечения из контейнера, нанесения на поверхность кожи , инъекционного введения, способность сохранять свой форму после механического воздействия),
а также на различные этапы производства таких материалов ( например, перемешивание, заполнение контейнеров, упаковка). Поэтому в наших работах большое внимание уделяется исследованию механических свойств гидрогелей диоксида кремния и их композитов с лекарственными веществами и влиянию условий синтеза (концентрация катализатора золеобразования, добавки ДМСО, загрузка липамида) на эти свойства.
Продолжая изучение гидрогелевых форм указанных выше дисульфидных антиоксидантов, были синтезированы гидрогелевые композиты липамида на основе диоксида кремния. Ввиду очень маленькой растворимости липамида в водной среде, при золь-гель синтезе композитов он вводился в реакционную смесь в виде раствора в ДМСО. ДМСО широко применяется в фармацевтике для усиления проникновения лекарственных веществ через кожную мембрану (А.И. Данчук, Е.И.Селифонова,Р.К. Чернова и С.Ю. Доронин. Бутлеровские сообщения. 40 (2014) 27; А.П.Барсук. Ревматология 2 (2013) 15; K. Marren. Phys Sportsmed. 39 (2011) 75; A. Otterbach and A. Lamprecht. Pharmaceutics 13 (2021) 320). Были изучены эффекты указанных выше условий синтеза на деформационные свойства при сжатии, растяжении и сдвиге.
Модули упругости при сжатии и растяжении характеризуют твердость материала, т.е. его сопротивление эластичной (обратимой) деформации в ответ на приложенные силы сжатия или растяжения. Эти характеристики очень важны для потенциального применения cинтезированных гидрогелей, например, в качестве дермальных филлеров (S.G. Molliard, S. Albert, K. Mondon. J Mech Behav Biomed Mater 61 (2016) 290), от них зависит удобство и качество нанесения гидрогелей на поверхность кожи.
Было установлено, что модули упругости при сжатии уменьшаются с увеличением концентрации катализатора и с ростом содержания лекарственного вещества, но увеличиваются с добавлением ДМСО. Эти закономерности объясняются влиянием указанных факторов на структуру гидрогелей. Модули упругости при растяжении для синтезированных гидрогелевых материалов оказались очень маленькими, что может быть связано с неорганической природой гидрогелей и очень большим содержанием водной фазы. Введение органических веществ (ДМСО, липамид) приводят к небольшому росту указанной характеристики.
Как показали результаты проведенных исследований реологических свойств синтезированных гидрогелей, они являются псевдопластичными (а), характеризуются наличием предела текучести (б) (в качестве примера приведены указанные свойства для некоторых синтезированных гидрогелей) и обладают тиксотропными свойствами.
Вязкость и текучесть некоторых гидрогелей (а,б) и тиксотропность синтезированных гидрогелей (в)
Наличие этих свойств указывает на перспективность применения синтезированных гидрогелей в качестве основы для мягких лекарственных форм и продуктов для косметологии. Условия синтеза гидрогелей оказывают значительное влияние на эти реологические свойства, так как влияют на прочность трехмерной структуры диоксида кремния в материалах.
Моделирование высвобождения липамида из гидрогелевых композитов в среды, имитирующие инъекционное введение (рН 7.4, температура 370С) (а)
Кинетические профили высвобождения липамида из синтезированных гидрогелей:
а- рН 7.4, 370С; б – рН 5.5, 320С
и условия поверхности кожи (рН 5.5, температура 320С) (б) показало, что количество высвободившегося липамида за сутки мало, но происходит по закону нулевого порядка и контролируется аномальной диффузией. Константа скорости нулевого порядка (к0) растет с ростом концентрации катализатора, используемого для золеобразования, и с увеличением загрузки лекарственного вещества, что объясняется понижением устойчивости матрицы диоксида кремния в гидрогелях под действием указанных факторов (E.V. Parfenyuk, E.S. Dolinina. Mater. Chem. Phys. 287 (2022) 126160).
Эффекты химической природы поверхности матрицы диоксида кремния в гидрогелях на физико-химические и функциональные свойства их композитов с лекарственным веществом были исследованы на примере оротовой кислоты, известной как витамин В13. Оротовая кислота используется клинически для лечения заболеваний кожи (экземы, псориаза, дерматита и пр.). Кроме того, она улучшает процессы метаболизма в коже, противодействуя ее старению. Поэтому оротовая кислота широко применяется в индустрии красоты и часто входит в состав косметических продуктов (Rasi S. Cosmetic or dermatological cream composition, the preparation and the use thereof. European Patent 1 276 459 B1, August 30, 2006). Было предположено, что модифицирование матрицы диоксида кремния различными по природе органическими группами, а также рН синтеза будут способствовать улучшению важных для гидрогелевых форм лекарственных композитов реологических свойств, таких как псевдопластичность, тиксотропия, а также кинетика поступления оротовой кислоты в биологическую среду.
Однако наша гипотеза об улучшении свойств не подтвердилась. Было обнаружено, что в общем случае модифицирование матрицы, увеличение концентрации кислоты, катализирующей процесс золеобразования диоксида кремния, рост загрузки оротовой кислоты к композиты с 0.2% до 0.5% привели к ухудшению реологических свойств композитов на основе органомодифицированных гидрогелей по сравнению с немодифицированными. Эти факторы также привели к увеличению эффекта выброса и росту скорости высвобождения оротовой кислоты.
В указанных выше исследованиях были получены и исследованы гидрогелевые материалы диоксида кремния с маленькими молекулами лекарственных веществ. Следующий этап наших разработок связан с исследованием в качестве лекарственного компонента гиалуроновой кислоты – хорошо известного полимера, применяющегося в клинической практике для лечения разнообразных воспалительных заболеваний, а также широко признанного компонента разнообразных косметических продуктов (кремов, филлеров, масок и пр.).
Структурная формула гиалуроновой кислоты
Нами были получены органо-неорганические гидрогели (ГГ) гиалуроновой кислоты с диоксидом кремния с рН 6.4-6.8, используя различную концентрацию HCl как катализатора золеообразования (0.03М и 0.125М) (ГГ1 и ГГ2). Мы исследовали кислоту с различным молекулярным весом: низкомолекулярую (50-100 кДа) (н) и высокомолекулярную (1000-1500 кДа) (в). Были синтезированы гидрогели, содержащие 1% и 2% кислоты. Предполагалось, что инкапсулирование гиалуроновой кислоты в гидрогель диоксида кремния будет способствовать повышению ее механических свойств, частично или полностью защитит ее от энзиматической деградации, улучшит кинетику ее высвобождения.
Исследования деформационных свойств синтезированных гидрогелей под действием сдвига показали, что
Динамический предел текучести и индекс течения для синтезированных гидрогелей
синтезированные гидрогели обладают маленьким динамическим пределом текучести , который увеличивается с ростом содержания кислоты в гидрогеле и с ростом концентрации HCl, используемой в качестве катализатора процесса золеообразования. Величина индекса течения n<1, что указывает на псевдопластичность гидрогелей. Псевдопластичность уменьшается с введением гиалуроновой кислоты в гидрогель, а также с ростом ее количества. Все это свидетельствует об увеличении прочности структуры гидрогеля при сдвиге.
Тиксотропность – важнейшее свойство мягких лекарственных форм и косметических продуктов. Тиксотропные свойства синтезированных гидрогелей были оценены с помощью индекса тиксотпропности (Т). Чем выше величина Т, тем больше времени требуется гидрогелю для восстановления своей структуры после воздействия сдвиговых сил, т.е. тем более тиксотропным является гидрогель.
Индекс тиксотропности синтезированных гидрогелей
Данные таблицы показывают, что с увеличением концентрации гиалуроновой кислоты и концентрации катализатора золеообразования тиксотропность гидрогелей растет.
Результаты исследования деформационных свойств гибридных гидрогелей под действием сил сжатия и растяжения, гидрогели характеризуются небольшими модулями упругости и пределами прочности, что связано с большим содержанием водной фазы, удерживаемой гидрогелями. Однако указанные деформационные свойства гибридных гидрогелей гиалуроновой кислоты с диоксидом кремния значительно выше по сравнению с чистой кислотой.
Одним из недостатков гиалуроновой кислоты, который значительно сокращает время ее функционирования в организме, является сильная подверженности кислоты к деградации под действием энзимов in vivo. Как показали наши исследования, матрица диоксида кремния способна увеличить сопротивление гидрогелей с высокомолекулярной кислотой к деградации под действием энизма (гиалуронидазы), тогда как такой эффект не наблюдается для низкомолекулярной кислоты.
Важнейшим свойством лекарственных гидрогелей является их способность к контролируемому высвобождению лекарственного вещества. Было изучено высвобождение гиалуроновой кислоты в среды с рН 5.5 (320С) и рН 7.4 (370С), имитирующие условия поверхности кожи и плазмы крови.
Кумулятивное высвобождение гиалуроновой кислоты из синтезированных гидрогелей:
а – низкомолекулярная кислота; б – высокомолекулярная кислота; 1- ГГ1(1%), 2-ГГ1(2%), 3-ГГ2(1%), 4-ГГ2(2%)
Описание полученных профилей высвобождения различными кинетическими моделями показало, что высвобождение гиалуроновой кислоты происходит по кинетическому закону первого порядка и контролируется замедленной (псевдо) диффузией Фика. Причиной замедленной диффузии может быть полидисперсность частиц диоксида кремния (Ritger, P.L.; Peppas, N.A. J. Control. Release 1987, 5, 23-36), а также большой размер молекул кислоты и ее взаимодействие с матрицей диоксида кремния. Неожиданным результатом явилось то, что скорость высвобождения и максимальное количество высвободившегося вещества за двое суток оказались выше для высокомолекулярной кислоты. Возможно, что это связано с ослаблением взаимодействия высокомолекулярной гиалуроновой кислоты с матрицей диоксида кремния за счет эффекта запутывания полимерных цепей, который приводит к уменьшению центров взаимодействия. Другая причина – более высокое количество воды, удерживаемое высокомолекулярной кислотой, которое способствует более быстрому «вымыванию» кислоты из матрицы диоксида кремния (E. Parfenyuk, E. Dolinina. Pharmaceutics 2023, 15, 77).
