IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Аннотация

Согласно проведенным исследованиям строение мицеллы позволяет инкапсулировать внутрь активные компоненты и осуществлять адресную доставку мицеллированного компонента. Благодаря своим маленьким размерам (1-100 нм), мицеллы легко преодолевают клеточную мембрану, проникая в глубокие слои кожи, а также стабильны под действием факторов окружающей среды. В настоящий момент микрокапсулирование – это известная, интенсивно разрабатываемая техника, широко используемая в различных отраслях промышленности.

Кроме того, на сегодняшний день существуют множество методов синтеза амфифильных частиц. Технология амфифильных мицеллярных комплексов базируется на использовании полимерной оболочки, состоящей из блок-сополимеров. Использование блок-сополимеров позволило объединить гидрофобные и гидрофильные свойства. Это существенно расширило возможности применения данных частиц, а также разрешило такие проблемы, как одновременное содержание в растворе водорастворимых и жирорастворимых компонентов (например, витамина С и витамина Е) и другие.

Безусловно, данные качества и определяют перспективу дальнейшего развития.

Амфифильные мицеллярные оболочки

Особое внимание в последнее десятилетие было направлено на создание и исследование амфифильных полимеров. Такие полимеры имеют 2 функциональных сегмента: гидрофильный и гидрофобный. Свойства этих двух сегментов и их соотношение влияют на образование из них мицелл. Характер и состояние гидрофобного сегмента (аморфность, кристалличность) в мицеллах на основе амфифильных полимеров имеют значительное влияние на стабильность. Чем длиннее гидрофобный сегмент и больше доля гидрофобной части, тем наблюдается большая термодинамическая устойчивость.

Помимо этого, отношение гидрофильных и гидрофобных частей в амфифильных полимерах влияет на форму мицелл. Если гидрофобная часть мицелл по длине перевешивает гидрофильную часть, то полученные мицеллы имеют сферическую форму. Несферические структуры в виде стержней и пластин формируются за счет увеличения длины гидрофобного сегмента и превышения его над гидрофильной частью [1].

Существует множество подходов формирования амфифильных мицеллярных оболочек. Рассмотрим некоторые из них:

Блок-сополимерные оболочки

Молекулы всех ПАВ состоят по крайней мере из двух частей, одна из которых растворима в жидкости, а вторая — нерастворима. Если жидкость — вода, говорят о гидрофильных и гидрофобных частях молекулы соответственно. Гидрофильную часть обычно называют полярной группой или «головкой», а гидрофобную часть — радикалом или «хвостом».

В мицелле гидрофобные группы находятся внутри агрегата, а полярные группы направлены в сторону растворителя. Поэтому мицелла представляет собой полярный агрегат, хорошо растворимый в воде, и сама не обладает заметной поверхностной активностью. При адсорбции ПАВ из водного раствора на гидрофобной поверхности молекула ПАВ обычно ориентируется гидрофобной частью к поверхности, а полярной группой к воде. Межфазная поверхность при этом становится гидрофильной, в результате межфазное натяжение уменьшается. Адсорбция на гидрофильных поверхностях часто приводит к возникновению более сложных агрегатов молекул ПАВ.

Рис. 1. Строение блок-сополимера

Гидрофобная часть молекулы ПАВ может быть линейной или разветвленной. Полярная группа, как правило, но не всегда присоединена к концу алкильной цепи, которая содержит обычно от 8 до 18 атомов углерода. Степень разветвления цепи, положение полярной группы и длина цепи — важнейшие параметры, определяющие физико-химические свойства ПАВ.

Полярная группа ПАВ может быть ионогенной или неионогенной, что в значительной мере определяет свойства ПАВ. Это позволяет классифицировать ПАВ на ионные и неионные. Размер полярной группы неионного ПАВ может варьироваться в широких пределах. У ионных ПАВ размер полярной группы более или менее постоянен. Следует подчеркнуть, что физико-химические свойства ПАВ в растворе определяются соотношением размеров гидрофобной и полярной групп, а не их абсолютными размерами.

Обычно ПАВ содержит только одну полярную группу. Недавно возник заметный интерес к димерным ПАВ, содержащим два гидрофобных хвоста и две полярные группы, соединенные коротким мостиком. Такие вещества пока не нашли практического применения, однако они обладают интересными физико-химическими свойствами. Эти ПАВ эффективно снижают поверхностное натяжение и имеют очень низкие значения ККМ. Для сравнения: ККМ обычного катионного ПАВ — бромида додецилтриметиламмония — равна 16 мМ, а ККМ соответствующего димерного ПАВ с двумя атомами углерода в мостике, соединяющем мономеры, составляет 0,9 мМ. Различие в величинах ККМ обычных и димерных ПАВ может иметь большое практическое значение [2].

Традиционно для инкапсуляции активных компонентов используются [3]:

Гидрофильный блок:

Полиаспаргиновая кислота,

полиэтиленгликоль, поли-N-винилпирролидон

Гидрофобный блок:

- Поликапролактон, полипролилен и полиэтилен оксиды

Синтез полимеровN-винилпирролидона, содержащих одну концевую карбоксильную группу: В качестве метода синтеза амфифильных производных поли-N-винилпирролидона, содержащих концевые гидрофобные группы, в данной работе использован двухстадийный подход, когда на первой стадии проводилась радикальная полимеризация соответствующих мономеров в присутствии инициаторов, генерирующих первичные радикалы, и передатчиков радикалов, генерирующих под действием этих первичных радикалов новые радикалы, инициирующие рост цепи. На второй стадии в полученные семителехелевые полимеры, содержащие одну концевую реакционно-способную группу, вводили длинноцепную алкильную группу, проводя реакцию с алифатическим амином. Модификацию проводили обработкой карбоксилсодержащих полимеров, карбоксильная группа которых была активирована N,N'-дициклогексилкарбодиимидом (ДЦГК), н-октиламином. Роль ДЦГК заключается в превращении карбоксильной группы в активированную сложноэфирную (1), способную легко взаимодействовать со свободной аминогруппой алифатического амина, с образованием амидной связи и выделением в качестве побочного продукта N,N'-дициклогексилмочевины (ДЦГМ) [4].

Синтез тройных блок-сополимеров этиленоксида и пропиленоксида: Данные вещества представляют собой симметричные полимеры общей формулы [5]:

Процесс получения основан на ионной полимеризации и включает два этапа:

Синтез блок-сополимера на основе сополимера гидроксибутирата с гидроксивалератом и поли-N-изопропилакриламида: Из такого сополимера вследствие самоорганизации макромолекул в водном растворе получают нано- и микроносители типа «ядро-оболочка» [6]:

Амфифильные оболочки на основе неионогенных ПАВ типа полисорбата

Полисорбат-80 — неионогенное ПАВ со степенью оксиэтилирования 80, является эмульгатором и солюбилизатором жиров в составе косметических средств по уходу за кожей. Основаны на сорбите, извлекаемом из различных фруктов, и жирных кислотах из масел (кокосового — полисорбат 20, пальмового — полисорбаты 40 и 60, оливкового — полисорбат 80). Гидрофильные группы — полиоксиэтиленовые. Чем выше номер полисорбата, тем, как правило, более липофильными свойствами он обладает, и значение ГЛБ (гидрофильно-липофильного баланса) становится меньше. Легко разлагаются, попадая в природу. Возможно сочетание различных полисорбатов в одном средстве. Хорошо растворимы в воде и этаноле (спирте). Не растворяются в минеральном масле и жидком парафине [7].

Применение полисорбатов описано в патенте «Солюбилизат из аскорбиновой кислоты и эмульгатора, смесь солюбилизатов, способ изготовления солюбилизата и его применение» [8].

Целью изобретения является разработка растворов аскорбиновой кислоты в виде водо- и маслорастворимой и капсулированной формы (например, в желатиновой капсуле), которая является стабильной в течение многих месяцев и может существовать в высокой концентрации. Согласно изобретению, эта цель достигается путем введения в водный раствор аскорбиновой кислоты избытка эмульгатора с величиной ГЛБ от 9 до 18, такого как полисорбат, предпочтительно полисорбат 80.

Механизм слоев:

1. Полисорбат 80 (оболочка) - C₆₄H₂₆O₁₂₄

1. Токоферол

1. Аскорбиновая кислота – C₆H₈O₆

1. Альфа-линолевая кислота, гамма-линолевая кислота C₁₇H₃₁COOH / линоленовая кислота C₁₈H₃₀O₂/ олеиновая кислота C₁₇H₃₃COOH

Олеиновая кислота

1. глицерин - C₃H₅(OH)₃

Инкапсулирование

Инкапсулирование – это процесс заключения мелких частиц вещества (твердого, жидкого или газообразного) в оболочку из пленкообразующего материала. Инкапсулирование биологически активных веществ осуществляется с целью повышения их эффективности, снижения токсичности или для стабилизации.

Большинство биологически активных веществ (БАВ) представляют собой водорастворимые соединения, поэтому для их микроэмульсионного инкапсулирования необходима отработка методик получения обратных микроэмульсий, капли которых, содержащие БАВ, впоследствии будут заключены в полимерную оболочку.

Для получения микрокапсулированных препаратов с заданными свойствами методом микроэмульсионного инкапсулирования необходимо располагать знаниями об основных коллоидно-химических свойствах данных микроэмульсионных систем областях существования микроэмульсий, размере их капель, величинах межфазного натяжения, а также о том влиянии, которое оказывают строение и свойства инкапсулируемого биологически активного вещества (БАВ) на свойства микроэмульсии.

Процесс микроэмульсионного инкапсулирования складывается из двух стадий: получения обратной микроэмульсии, содержащей в дисперсной водной фазе инкапсулируемое БАВ, и заключения капель полученной микроэмульсии в полимерную оболочку. В качестве дисперсионной среды был использован гексан. Для стабилизации обратных систем, содержащих в водной фазе ГХБ, был использован ди-2-этилгексилсульфосукцинат натрия (АОТ) – поверхностно-активное вещество, растворимое как в гексане, так и в воде [9].

Микрокапсулирование проводится физико-химическим методом, который состоит в переосаждении полимера на поверхности капсулируемого вещества путем замены растворителя. Диспергирование системы осуществлялось перемешиванием на магнитной мешалке.

В случае капсулирования АУК в ацетилцеллюлозу и нитроцеллюлозу применялся метод, включающий следующие стадии: приготовление раствора полимера, диспергирование АУК в растворе полимера и осаждение полимера на поверхности АУК посредством постепенного прибавления осадителя. В качестве осадителя использовалась дистиллированная вода или водный раствор ацетона. Капсулирование в Eudragit осуществлялось посредством следующих стадий: приготовление раствора полимера, диспергирование вещества в воде с добавлением ПАВ, постепенное прибавление раствора полимера к водной дисперсии АУК. Сформировавшиеся микрокапсулы в обоих случаях выделяли фильтрованием на фильтре Шота (кл. пор 16) или центрифугированием и сушили на воздухе [10].

На основании проведенных исследований была разработана технология получения витаминно-минеральных премиксов в инкапсулированном виде. На первом этапе осуществляли подготовку комплекса гидрофильных микронутриентов путем их дозирования в соответствии с рецептурой и растворения в деминерализованной воде. Параллельно готовили смесь липофильных микронутриентов и раствор альгината натрия в воде. На следующем этапе получали базовуюмикроэмульсию ЛПФ путем дозирования ЛПФ и деминерализованной воды, их смешивания, нагрева системы до температуры 40^оС с последующей интенсивной гомогенизацией.

Полученная микроэмульсия направлялась на обработку электромагнитнымполемв аппарат АМОУ, после чего в нее дозировали приготовленный раствор липофильных микронутриентов в количестве 25% к массе ЛПФ.

Осуществляли экспозицию системы при перемешивании до полной солюбилизации липофильного комплекса, после чего проводили «загрузку» гидрофильными микроингредиентами. Далее осуществляли гомогенизацию системы в течение 20 минут. После гомогенизации полученную микроэмульсию охлаждали до температуры 20С в целях ее стабилизации и смешивали с подготовленным раствором альгината натрия. Полученную систему подавали на сушку. Сушку осуществляли с использованием распылительной сушилки при температуре (90±3) °С в токе азота [11].

Известны три метода, применяемые при инкапсулировании: распыление, эмульсионный метод и метод послойного нанесения (обмотки). Метод распыления подразумевает использование специального шприца с отверстием диаметром менее 1 мм. Примером применения этого метода является опыт, заключающийся в прикапывании водного раствора хитозана в водный раствор додецилсульфата натрия (ДСН) и получении микрокапсул размером порядка 1 мм, стенки которых состоят из поли-электролитного комплекса (ПАВ-ПЭК). Если раствор хитозана содержит активные соединения (например, ферменты), то при смешивании с раствором ДСН он образует электростатический комплекс на границе раздела фаз, толщина которого растет с увеличением времени контакта; таким образом, образуется устойчивая капсула с активными соединениями внутри. Недостатком метода распыления является сложность получения капсул маленького размера.

Эмульсионный метод заключается в инкапсуляции белка с помощью техники приготовления эмульсии водной фазы, содержащей хитозан и ферменты, в масляной фазе (декан). В результате образовываются капли диаметром порядка 200 мкм, которые осаждаются в фазе, содержащей ДСН. Нерастворимый ПАВ-ПЭК формируется на границе раздела фаз, что приводит к возникновению микрокапсул.

Послойная обмотка полиэлектролитами – полиэлектролитная адсорбция (ПЭА) наиболее трудоемкий и «ювелирный» метод из всех перечисленных, однако он позволяет получить микрокапсулы оптимального размера. Полиэлектролитные микрокапсулы формируются в результате поочередной адсорбции противоположно заряженных полиэлектролитов на микрочастицы ядра и их последующего разрушения [12].

Спектральные характеристики мицеллярного сырья

В работе проведен спектральный анализ в инфракрасном диапазоне мицеллярного сырья, которое планируется использовать для разработки рецептуры некоторых косметических средств. Планируемая к разработке мицеллярная вода будет содержать в составе сразу несколько активных мицеллированных компонентов с различным действием, что позволяет реализовывать комплексный подход по уходу за кожей. Специально разработанная мицеллярная оболочка данных частиц позволяет получать стабильные устойчивые растворы активных компонентов в водной среде, независимо от их химической природы. Одновременное содержание в растворе водорастворимых и жирорастворимых частиц (например, витамина С и витамина Е) является сложной задачей. Мицеллярные комплексы, близкие по структуре к биологическим объектам липосомам, в силу своих размеров и устройства, позволяют улучшить проникновение сквозь клеточную мембрану, обеспечить адресную доставку активных компонентов во внутренние слои эпидермиса, а также инкапсулировать широкий перечень активных компонентов. В рассматриваемом мицеллярном комплексе оболочка формировалась на основе полисорбата -80. В качестве активных компонентов использовались аскорбиновая кислота и альфа-токоферол. В качестве стабилизирующего компонента используется глицерин.

Рис. 3 ИК-Фурье спектр мицеллярного комплекса с инкапсулированными аскорбиновой кислотой и альфа-токоферолом.

Метод ИК-спектроскопии позволяет экспрессно определить активные компоненты, инкапсулированные внутрь мицеллы, а также компоненты оболочки. Интересной представляется форма существования аскорбиновой кислоты, в которой отсутствуют характерные водородные связи. Остальные пики, соответствующие основным колебаниям функциональных групп, характерных для полисорбата, токоферола, аскорбиновой кислоты являются типичными и применимыми для идентификации.

________________________________________________________________________________

Список литературы:

[1] Шершнева А.М. Полимерные микрочастицы на основе полигидроксиалканоатов: получение, характеристики, применение: Автореф… дис. канд. биол. наук. — Красноярск: СФУ, 2015. [2] Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман; пер. с англ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 12 с.[3] Torchilin V.P. 2007, Cabral H. et al.,2014[4] Кусков А.Н. Амфифильные полимеры N-винилпирролидона: Автореф… дис. канд. хим. наук. — Москва: РХТУ, 2006. [5] Будкина О.А. Структурно-функциональные закономерности воздействия амфифильных блок-сополимеров на раковые клетки[6] S.A. Kedik et al, 2013[7] Плетнев М. Ю. (ред.) Поверхностно-активные вещества и композиции. Справочник. — М.: ИД "Косметика и медицина", 2002. — 752 с.[8] Патент 2303036 РФ. Солюбилизат из аскорбиновой кислоты и эмульгатора, смесь солюбилизатов, способ изготовления солюбилизата и его применение / АКВАНОВА ДЖЕРМЕН СОЛЬЮБИЛИСЭЙТ ТЕКНОЛОДЖИЗ (АДжТ) ГМБХ (DE) // БЕНАМ Дариуш (DE) — 2007.[9] Ильюшенко Е. В. Инкапсулирование биологически активных веществ с использованием обратных микроэмульсий: Автореф… дис. канд. хим. наук. – Москва: РХТУ, 2012. [10] Е. В. Грехнёва, В. Л. Белоконь, С. В. Орлова. Микрокапсулирование биологически активных веществ в водонерастворимые полимеры. – Курский государственный университет, 2016. [11] Бутина Э.А. Разработка технологии и оценка потребительских свойств витаминно-минеральных премиксов с использованием растительных фосфолипидов: Автореф.. дис. канд. техн. наук. – Краснодар: КГТУ, 2015.[12] Т.Н. Бородина, Е.А. Марквичева, Л.Д. Румш, С.М. Кунижев, Г.Б. Сухоруков

Использование полиэлектролитных микрокапсул с целью разработки систем адресной дос-тавки биологически-активных веществ на примере иммобилизации химотрипсина // 2007

Код для цитирования: Скопировать