X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Даже из школьного опыта каждый знает, что провести реакцию между твердыми веществами легче всего, если их предварительно расплавить либо растворить. Все стандартные химические технологические процессы также проводятся через жидкую фазу, даже при получении твердого конечного продукта из твердого исходного сырья. Все изменилось с появлением нового научного направления, зародившегося из физхимии и химии твердого тела, — механохимии. Оказалось, что под воздействием тепла, ионизирующей радиации или механического воздействия молекулы веществ, находящихся в твердой фазе, могут обмениваться энергией и взаимодействовать друг с другом, т. е. вступать в химические реакции. Благодаря технологическим приемам на основе твердотельных механохимических реакций сырье можно превратить в конечный порошковый продукт в одну стадию. Преимущества такого подхода очевидны: сокращение технологического цикла, материальных и энергетических затрат, высокая экологичность производства. Конечно, перепрыгнуть часть стадий в технологической цепочке удается не всегда, но все же основная механохимическая идея — объединить стадию измельчения, смешения и химического превращения — уже доказала свою состоятельность и перспективность на практике. В этом смысле показательны разработки Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.

Механохимия является разделом химии твердого тела, в котором изучаются физико-химические превращения твердых веществ и их смесей в условиях интенсивных ударно-истирающих воздействий, обычно реализующихся в специальных мельницах.

Наибольший объем выпуска лекарств приходится на так называемые твердые лекарственные формы – таблетки, драже, гранулы. В составе других лекар­ственных форм – мазей, аэрозолей – дейст­вующие лекар­ственные вещества также зачастую находятся в виде твердых частиц. Чтобы попасть в то место нашего тела, где требуется лечебное действие, лекарство должно сначала раствориться в биологических жидкостях организма. Учитывая, что ~40 % выпускающихся лекарственных субстанций классифицируются как практически нерастворимые, а ~85 % самых продаваемых препаратов в США и Европе принимаются перорально, актуальность исследований в данном направлении становится очевидной.

Классическим примером служат популярные нестероидные противовоспалительные препараты – аспирин, ибупрофен, индометацин. Химически эти вещества являются органическими кислотами, и повысить их растворимость можно, переведя их в соли. Однако синтез таких солей сложен и трудно реализуем на практике. И здесь на помощь приходит механохимия, которая позволяет не только глубоко измельчить исходное лекарство, но и сформировать ультрадисперсную смесь исходных веществ, получить нанокомпозиты, обладающие как высокой растворимостью в целом, так и высокой скоростью растворения.Существует множество конструкций аппаратов – механических активаторов, в которых создаются условия для механохимических превращений. Наиболее популярны из них мельницы для «сухого» помола твердых веществ. При помоле в таком аппарате измельчение является только первой стадией. Затем частички «сбиваются» в агрегаты, а при продолжении механоактивации происходит «молекулярное» смешение твердых веществ.

Такой механохимический способ увеличения растворимости был успешно применен для аспирина новосибирскими исследователями из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН. На основании механохимического способа получения композиций ацетилсалициловой кислоты с карбонатами щелочных металлов (Na, Ca, Mg) был разработан, а затем зарегистрирован в РФ лекарственный препарат быстрорастворимого аспирина и организовано его опытное производство. По сравнению с известными шипучими таблетками фирмы «Байер» он отличается значительно меньшим содержанием вспомогательных веществ, удобством приема, а самое главное, пониженной себестоимостью за счет упрощения технологии. Были созданы также опытные образцы других лекарственных форм аспирина для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, частично проведены их доклинические и клинические испытания. По фарма­кологическому действию эти препараты не уступают известным препаратам аспирин-кардио и кардиомагнил, однако значительно дешевле в производстве.

Новые механохимические препараты настолько эффективны и экономически выгодны, что, казалось бы, им прямая дорога в производство. Но здесь возникает проблема сертификации. Например, при разработке всем нужного дешевого аналога растворимого аспирина большая часть выделенных средств пошла в качестве платы за утверждение фармацевтической статьи — разрешения на использование препарата в лечебной практике. Чтобы довести до практики фармацевтический препарат, требуется примерно 15 лет и несколько миллионов долларов.

Одной из самых «благодарных» областей приложения механохимических подходов оказалась переработка растительного сырья: уже сегодня здесь достигнуты впечатляющие результаты. Среди химических соединений, присутствующих в растительной клетке, особый интерес вызывают все же компоненты внутриклеточного пространства. К ним относятся все самые популярные биологически активные вещества — алкалоиды, органические кислоты, гликозиды и т. д. Именно в этой области во многом пересекаются интересы механохимиков и «традиционных» химиков. Поэтому особое внимание привлекают такие точки приложения механохимического подхода, где можно в максимальной степени использовать его преимущества. В качестве примера можно привести переработку бедного сырья, которое экономически невыгодно перерабатывать обычными экстракционными методами. Задачи для исследователей в этой области носят более локальный характер: для их решения не требуется мощного механохимического оборудования; можно быстрее получить практический результат. При традиционном способе получения внутриклеточных биологически активных веществ растительное сырье измельчают, заливают органическим растворителем, после ряда экстракционных обработок получают вытяжку, а затем выделяют из последней нужные компоненты (в случае необходимости — еще и очищают до фармацевтической чистоты). И хотя сегодня развиваются новые подходы к экстракции, стоимость полученных препаратов остается высокой. Нужно отметить, что биологически активные вещества в растении существуют в разных химических формах. Например, органическая кислота может присутствовать не только в свободной форме, но и в виде соли, эфира, гликозида, а также быть связанной с практически нерастворимыми целлюлозой и лигнином. И если промывать сырье каким-то определенным растворителем, то из него будет экстрагироваться только форма, являющаяся растворимой при данных условиях. Все остальное пойдет в отход. А теперь представьте, что все эти разновидности мы переведем в одну форму, которая экстрагируется наиболее успешно. Причем не органическим растворителем, а водой: как известно, растворимость в воде — непременное условие доступности вещества для живого организма. Другими словами, ценные компоненты растительного сырья заставляем вступить в химическую реакцию с твердым реагентом и получаем порошок, который содержит нужное биологически активное вещество в растворимом виде. Дальнейшая экстракция водой позволит не только получить продукта больше, чем при экстракции органическими растворителями, но в некоторых случаях и лучшего качества.

Удивительно, но особо интересные механохимические идеи возникают при сотрудничестве со специалистами, казалось бы, далеких направлений. Так, благодаря ученым из Института общей и экспериментальной биологии СО РАН (Улан-Удэ) удалось обнаружить такую абсолютно непознанную область, как технология изготовления лекарственных препаратов древней тибетской медицины. Выяснилось, что древние фармацевты использовали некоторые механохимические подходы, особенно при изготовлении лекарств из металлов. Удивительным для исследователей стал результат воспроизведения технологии из трактата тысячелетней давности, когда был получен твердый препарат серебра, над которым в растворе сохранялась «буферная» концентрация серебра 1 мг/л (именно такая концентрация рекомендуется для медицинского использования)

Очевидно, что разработка механохимической технологии получения супрамолекулярных комплексов позволит в короткие сроки создать широкий спектр отечественных лекарственных средств различного назначения. Таким образом, можно при относительно небольших затратах насытить рынок недорогими, но эффективно действующими фармацевтическими препаратами. Однако для их внедрения необходимы широкие фармакологические исследования, для организации которых нужна как заинтересованность в новых препаратах самих производителей, так и государственная поддерж­ка, в основе которой должна лежать забота о здоровье граждан своей страны.

Большая медицинская энциклопедия [Электронный ресурс],- http://бмэ.орг/index.php/МЕХАНОХИМИЧЕСКИЕ_ПРОЦЕССЫ (Дата обращения 19.11.2017 г.)

Зачем нам Механохимия [Электронный ресурс],- https://shkolazhizni.ru/world/articles/54113/ (Дата обращения 28.11.2017 г.)

Душкин А. В. Возможности механохимической технологии органического синтеза и получения новых материалов // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. Т.12. № 3. С. 251—274.

Код для цитирования: Скопировать