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).
В связи с потенциальным применением исследованных гидрогелей в качестве основы для разнообразных трансдермальных композиций в экспериментах ex vivo были изучены характеристики проникновения гидрогелей через кожный барьер. Модельным кожным барьером служила кожа цыпленка, которая нередко используется в этих целях (Reza M.I. et al. Int. J. Pharm. Pharmaceut. Sci. 2018, 10, 162; Souci L. and Denesvre C. Vet. Res. 2021, 52, 21). Было изучено проникновения через кожный барьер гиалуроновой кислоты с различным средним молекулярным весом (низкомолекулярной 20-50 кДа, среднемолекулярной 50-100 кДа и высокомолекулярной 1000-1500 кДа) из гидрогелей с диоксидом кремния. Содержание кислоты в гидрогелях было 1% и 2%. На рисунке в качестве примера представлены кинетические кумулятивные профили проникновения низкомолекулярной и высокомолекулярной ГК через единицу поверхности кожи из гидрогелей чистой кислоты и инкапсулированной в гидрогелевые матрицы диоксида кремния
Экспериментальные кинетические кумулятивные профили чрезкожного проникновения ГК из гидрогелей, содержащий низкомолекулярную (а,б) и высокомолекулярную кислоту (с,д). (Температура 320С, рецепторная среда – ацетатный буфер, рН 5.5)
После эффекта выброса (0.25-0.50 ч) кумулятивные профили хорошо описываются кинетической моделью нулевого порядка (R2 = 0.96-0.98). Рассчитанные характеристики проникновения гиалуроновой кислоты (скорость проникновения, кажущийся коэффициент проницаемости кожной мембраны) увеличивались с ростом концентрации HCl, используемой в качестве катализатора образования золя диоксида кремния, независимо от среднего молекулярного веса кислоты, что объяснено влиянием указанного фактора на морфологию гидрогелей и размер их частиц. С помощью метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)
СЭМ снимки ГГ1(2%)С (а) и ГГ2(2%)С (б) (Бар-метка – 200 нм)
было показано, что из-за различной скорости гелеобразования структура высушенного ГГ1(2%)С состоит из сильно конденсированных агрегатов сферических частиц, тогда как структура высушенного ГГ2(2%)С имеет слоистую морфологию из частиц более мелкого размера. По-видимому, слоистая матрица менее прочная, что приводит к более быстрому ее разрушению и, следовательно, к ускорению процесса проникновения ГК через кожный барьер, а также увеличению коэффициента проницаемости и количества ГК, проникшей через кожу в течение исследованного периода времени. Было показано, что инкапсулирование кислоты с низким и средним молекулярным весом в матрицу диоксида кремния замедляет процесс ее проникновения сквозь кожу. То же самое наблюдается для гибридных гидрогелей, содержащих 1% высокомолекулярной кислоты. Однако процесс проникновения значительно ускоряется и проницаемость кожи увеличивается для гибридных гидрогелей, содержащих 2% высокомолекулярной кислоты. Обнаруженный экспериментальный факт может быть связан с двумя эффектами:
- эффектом запутывания цепей полимера, который характерен для высокомолекулярной кислоты и увеличивается с ростом ее концентрации; эффект запутывания приводит к уменьшению сайтов связывания ГК с матрицей диоксида кремния и ослаблению взаимодействия между ними, что может привести к улучшению характеристик проникновения ГК из ГГ1(2%)В и ГГ2(2%)В;
- эффект гидратационного состояния кислоты; высокомолекулярная гиалуроновая кислота способна удерживать огромное и значительно бóльшее количество воды по сравнению с низкомолекулярной и среднемолекулярной кислотой, а вода является одним главных усилителей проникновения, особенно гидрофильных веществ (Todo H. Et al. Chem. Phar. Bull., 2021, 69, 727; Osorio-Blanco E.R. et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 30136).
Установленный факт повышения проникновения в кожу высокомолекулярной ГК, инкапсулированной в гидрогелевую матрицу диоксида кремния, по сравнению со свободной кислотой имеет прикладное значение. Так как высокомолекулярная ГК обладает противовоспалительными свойствами и сильным гидратирующим эффектом, гибридные гидрогели ГГ1(2%)В и ГГ2(2%)В могут стать основой для разработки новых более эффективных мягких лекарственных форм для лечения воспалительных заболеваний кожи (акне, дерматит, псориаз и др.), а также косметических композиций (Dolinina E.S. and Parfenyuk E.V. Mendeleev Commun. 2023, 33, 556).
Проведенные нами исследования показали, что неорганические гидрогели диоксида кремния являются перспективной основой для разработки новых материалов биомедицинского назначения. Это касается и других гидрогелей неорганической природы, которые, благодаря своим механическим свойствам, фотостабильности, устойчивости к атакам энзимов и микробов, разнообразию свойств, простоте и дешевизне синтеза, могут составить альтернативу общепринятым в настоящее время полимерным (органическим) гидрогелям. Неорганические гидрогели могут найти свое применение не только в области медицины, фармацевтики и косметологии, но и для создания новых функциональных материалов для источников тока, для решения экологических проблем, новых каталитических систем и т.д.. (Parfenyuk E.V., Dolinina E.S. Rev. Inorg. Chem. 2023, DOI:10.1515/revic-2023-0019). Особое место среди неорганических гидрогелей, предназначенных для потенциального применения в области медицины и косметологии, занимают гидрогели на основе кремнийсодержащих частиц. Кремний – микроэлемент в организме человека, однако, его влияние на здоровье и красоту человека весьма значительно. Одной из важнейших функций кремния является стимулирование синтеза коллагена I типа в остеобластоподобных клетках и фибробластах кожи человека, а также усиление дифференцировки остеобластов. Благодаря процессу выработки коллагена и минерализации, кремний полезен для формирования и укрепления соединительных тканей кожи и костей. Поэтому разработка новых лекарственных систем и косметических продуктов на основе кремнийсодержащих гидрогелей для топического и инъекционного введения является перспективным направлением (E.V. Parfenyuk, E.S. Dolinina. Silicon, 2025, 17, 1503 DOI:10.1007/s12633-025-03307-6). Все изложенное выше указывает на необходимость более интенсивных исследований свойств неорганических гидрогелей и раскрытию перспектив их более широкого применения.
Обзор литературы выявил огромный потенциал применения кремнийсодержащих частиц (например, частицы диоксида кремния, глин, нитрида кремния, цеолитов и пр.) для разработки противовирусных лекарственных систем. Благодаря своей биосовместимости и биодеградируемости, устойчивости к атакам энзимов и микроорганизмов, а также способности к мультивалентному связыванию, кремнийсодержащие частицы являются перспективной основой для указанныой цели. Показано, что частицы диоксида кремния сами по себе могут обладать противовирусным эффектом, предотвращая развитие вирусных инфекций как в человеческом организме, так и в растениях, а также выступать в качестве систем доставки противовирусных лекарственных веществ (Parfenyuk E.V., Dolinina E. S. Silicon- based particles as a platform for development of antiviral drugs. Rev. Inorg. Chem. 2024. DOI: 10.1515/revic-2024-0003).
Иллюстрация примеров механизма противовирусного действия кремнийсодержащих частиц (диоксид кремния глинистые минералы, нитрид кремния)
До сих пор мы синтезировали и изучали гидрогели различных биоактивных веществ на основе чисто неорганической матрицы диоксида кремния. Следующий этап наших исследований связан с исследованием свойств гидрогелей на основе органо-неорганических (гибридных) матриц диоксида кремния. Были разработаны условия синтеза органомодифицированных гидрогелей диоксида кремния, которые имели
рН 5.5-7.5. В качестве модельного лекарственного вещества была взята оротовая кислота. Гидрогели имеют высокопористую структуру и удерживают более 99% водной фазы.
Схематичное представление синтеза органомодифицированных гидрогелей диоксида кремния, содержащих оротовую кислоту
Реологическое исследование показало, что органомодифицированные гидрогели, содержащие оротовую кислоту или без нее, также как и чисто органические обладают псевдопластичностью и тиксотропией, которые важны для потенциального применения разрабатываемых гидрогелей в качестве мягких лекарственных форм для топической доставки лекарственного вещества. Однако эти свойства менее выражены для органомодифицированных гидрогелей по сравнению с неорганическими. Сравнение величин динамического предела текучести показало, что введение органических групп в матрицу диоксида кремния приводит к ослаблению структуры гидрогеля. Эффекты концентрации кислоты, используемой для катализа золеобразования, а также количества введенного лекарственного вещества были такими же, как и для гидрогелей на основе немодифицированного диоксида кремния.
Исследование кинетики высвобождения оротовой кислоты из синтезированных гидрогелей в среды с рН 5.5 и 7.4 показало, что этот процесс контролируется замедленной (псевдо) диффузией Фика. Скорость высвобождения проявляет тенденцию к увеличению при модифицировании матрицы диоксида кремния органическими группами, что объясняется ослаблением взаимодействий оротовой кислоты с органомодифицированными матрицами. Причиной этого ослабления может быть как стерический эффект (взаимодействие молекул кислоты с гибкими и объемными органическими группами затруднены), так и ионизационное состояние оротовой кислоты и поверхности матриц диоксида кремния. Было также установлено, что скорость высвобождения оротовой кислоты меньше для гидрогелей с меньшей загрузкой. Таким образом, проведенные исследования, к сожалению, показали, что модифицирование гидрогелевой матрицы диоксида кремния различными органическими функциональными группами, а также увеличение концентрации кислоты как катализатора золеобразования и загрузки лекарственного вещества привело к ухудшению реологических свойств гидрогелей и кинетики высвобождения лекарственного вещества из них (Parfenyuk E.V., Dolinina E.S., Kraev A.S. J. Biomed. Mater. Res. B. 2024, 112, e35418).
Поиски способа синтеза органомодифицированных гидрогелей диоксида кремния с оптимальными структурно-механическими и функциональными свойствами были продолжены. Было изучено влияние концентрации кислоты золеобразования (0.125 М и 0.250 М), порядка смешения компонентов (золя диоксида кремния и нейтрализующего буферного раствора), модифицирования матрицы диоксида кремния органическими группами на вязкоэластичные и электропроводящие свойства гидрогелей. Обнаружено, что введение гибких органических групп (амино- и меркаптопропильных) способствует увеличению комплексной вязкости гидрогелей и их эластичности, т.е. их сопротивления деформационным силам. Показано, что влияние органических групп на вязкоэластичные свойства связано с более прочной структурой органомодифицированных гидрогелей. Наибольшая твердость наблюдалась для меркаптомодифицированного гидрогеля (МГГ),
Зависимости модуля сохранения (G′) и модуля потерь (G′′) от частоты для меркаптопропилмодифицированного (МГГ), аминопропилмодифицированного (АГГ) и немодифицированного (НГГ) гидрогелей, приготовленных при концентрации катализатора золеобразования (HCl) 0.250М и при добавлении буферного раствора в золь) (б/з)
что может быть связано с дополнительным упрочнением структуры гидрогеля за счет образования дисульфидных мостиков (S-S) в результате окисления меркаптогрупп (G.S. Irmukhametova, G.A. Mun, V.V. Khutoryanskiy. Langmuir 2011, 27, 9551 DOI:10.1021/la201385h). Более прочные структуры гидрогелей также образуются при добавлении буферного раствора в золь.
Как показали полученные результаты, синтезированные гидрогели обладают проводимостью 15.4-18.2 мСм·см-1, которая достаточна для имитирования электрической проводимости некоторых тканей в организме человека, а также сравнима с проводимостью аппаратных гидрогелей, используемых в медицине и косметологии. Электропроводящие свойства гидрогелей делают их перспективной основой для разработки новых лекарственных форм для электростимулированного заживления ран. Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что электропроводящие свойства гидрогелей диоксида кремния зависят от модифицирования матрицы диоксида кремния органическими группами, а также от порядка смешения компонентов при золь-гель синтезе ((Parfenyuk E.V., Dolinina E. S. Mater. Chem. Phys. 2025, 342, 130981 DOI:10.1016/matchemphys.2025.130981DOI:10.1016/j.matchemphys.2025.130981).
Важнейшим свойством гидрогелей, предназначенных для биомедицинского применения, является их тиксотропность. Тиксотропия – это способность материала уменьшать свою вязкость (разжижаться) под действием сдвигового напряжения и частично или полностью восстанавливать вязкость после снятия сдвиговой нагрузки в режиме покоя. Благодаря своим тиксотропным свойствам, гидрогели могут легко и эффективно извлекаться из контейнеров, наноситься на поверхность кожи или вводиться инъекционно и при этом не растекаться, сохранять свою форму в месте введения. Поэтому были изучены эффекты модифицирования матрицы диоксида кремния органическими группами, порядка смешения компонентов при синтезе гидрогелей диоксида кремния, а также величины сдвиговой нагрузки на их тиксотропные свойства. Исследования показали, что все синтезированные гидрогели тиксотропны и восстанавливают свою структуру после снятия сдвиговой нагрузки более чем на 90 % в течение 1-3 минут. Тиксотропные свойства органомодифицированных гидрогелей, а также гидрогелей, приготовленных добавлением буферного раствора (рН 7.4) в золь диоксида кремния, выше благодаря их более прочной структуре (E.S. Dolinina, E.V. Parfenyuk. Mendeleev Commun. 2025, 35, 120-122 DOI:10.71267/mencom.7822 ).
Проведенные далее исследования показали, что гидрогели диоксида кремния являются перспективной основой для разработки новых мягких лекарственных форм гиалуроновой кислоты с улучшенными свойствами. Несмотря на широкое применение гиалуроновой кислоты в фармацевтике и косметологии, некоторые ее свойства отрицательно влияют на фармакологические и потребительские характеристики ее лекарственных форм. К ним относятся, прежде всего, низкая механическая прочность псевдогелей гиалуроновой кислоты и ее быстрая деградация в организме. Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что инкапсулирование кислоты в гидрогели диоксида кремния может способствовать улучшению некоторых свойств.
Было показано, что инкапсулирование среднемолекулярной и высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в гидрогели диоксида кремния способствует увеличению сопротивления полученных материалов силам сжатия. При этом увеличение содержания кислоты в композитных гидрогелях от 1% до 2% способствует росту этих характеристик только для высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Однако не обнаружено влияния средней молекулярной массы кислоты и ее количества в композитных гидрогелях на характеристики при растяжении. Результаты наших исследований также показали, что инкапсулирование гиалуроновой кислоты в гидрогели немодифицированного диоксида кремния привело к получению гидрогелевой формы кислоты, обладающей тиксотропными свойствами. Как известно, сама гиалуроновая кислоты в водных средах тиксотропией не обладает. Однако наличие тиксотропных свойств желательно при ее применении в области медицины и косметологии. Было показано, что степень тиксотропности зависит от средней молекулярной массы кислоты, ее содержания в гидрогелях. (В.О. Селиванова, М.А. Беляева, Е.С. Долинина, Е.В. Парфенюк. Изв. Вузов. Химия и хим. технология. 2026, 69, в печати).
Инкапсулирование гиалуроновой кислоты в гидрогели диоксида кремния позволило также значительно замедлить процесс высвобождения по сравнению со свободной кислотой и привело к созданию новых лекарственных форм с пролонгированным контролируемым высвобождением в среды, имитирующие поверхность кожи и плазму крови. Установлено, что процесс высвобождения из композитных гидрогелей контролируется замедленной (псевдо) диффузией Фика и в средах, имитирующих поверхность кожи, зависит от модифицирования матрицы диоксида кремния гидрогеля органическими группами. Эффект модифицирования объясняется кислотно-основными свойствами гидрофильных групп матрицы диоксида кремния, которые оказывают влияние на ее взаимодействия с гиалуроновой кислотой. Выявлен эффект увеличения константы скорости высвобождения с ростом средней молекулярной массы кислоты и ее содержания в композитных гидрогелях. Этот эффект объяснен влиянием конформационного состояния высокомолекулярной и низкомолекулярной кислоты и эффекта переплетения цепей полисахарида на взаимодействия с матрицей диоксида кремния.
Как уже отмечалось выше, одним из неблагоприятных свойств гиалуроновой кислоты является быстрая деградация под действием энзимов, которая значительно сокращает время функционирования и биологическую активность кислоты в организме. Результаты наших исследований показали, что инкапсулирование кислоты в гидрогели диоксида кремния способно замедлить деградацию кислоты под действием энзима гиалуронидазы. Наиболее выраженный эффект наблюдался при инкапсулировании полисахарида в гидрогели аминопропилмодифицированного диоксида кремния. Этот эффект может быть связан с наиболее конденсированной и низкопористой структурой аминопропилмодифицированного диоксида кремния в гидрогеле, которая создает физический барьер, защищающий инкапсулированную кислоту от контакта с энзимом. Нельзя исключить также влияние большого размера частиц и низкой площади поверхности аминопропилмодифицированного диоксида кремния по сравнению с другими исследованными материалами на замедление процесаа деградации кислоты
(E. Dolinina, E. Parfenyuk. OpenNano, 2026, 28, 100278)
