Исследование сорбции альбендазола гелями на основе пектовой кислоты

Введение. Одним из направлений в области химии высокомолекулярных соединений является модификация полимеров лекарственными соединениями различной природы: гипотензивными [7], противоопухолевыми [8], обезболивающими [3], противовирусными [15], антибактериальными [6], антипротозойными [1, 5, 6], а также антигельминтными [6, 10, 16] препаратами. Особый интерес к получению антигельминтных композиций связан с чрезвычайным распространением различных нематод, особенно в странах с жарким климатом. Создание данных композиций позволяет оградить само лекарственное соединение от действия ферментов в двенадцатиперстной кишке и кислой среды желудка. Для модификации антигельминтных препаратов могут быть использованы полимеры – носители как синтетического, так и природного происхождения. Особым комплексом свойств обладают полисахариды, так как многие из них деградируют в желудочно-кишечном тракте, а также, являясь энтеросорбентами, выводят шлаки, токсины и радионуклиды из организма.

Исследование процессов взаимодействия полимеров-носителей с лекарственными веществами с точки зрения химии высокомолекулярных соединений является актуальной задачей, так как в результате таких взаимодействий можно получить различные водорастворимые и гелевые композиции с заданными свойствами и пролонгированным действием [12].

Развитие полимерной науки требует ряда решений по созданию новых способов получения материалов с заданными свойствами и структурой [19]. Немаловажную роль в этом играют функциональные полимеры с реакционноспособными группами [13,18], с заданными молекулярными и конформационными характеристиками [2, 14, 20], интерполимерные и молекулярные комплексы [22]. Они находят широкое применение при решении различных научно-технических и прикладных задач в химии и химической технологии высокомолекулярных соединений, биотехнологии, медицине [4], охране окружающей среды, сельском хозяйстве и в других областях науки и промышленности.

Внедрение в фармацевтическую практику новых соединений из класса полимеров позволяет создать новые лекарственные формы и макромолекулярные терапевтические системы [4, 22], а также управлять их скоростью и местом всасывания [2], придавать им пролонгированное действие, уменьшать токсичность, увеличивать устойчивость к действию различных ферментов и придавать другие ценные свойства [19].

Объекты и методы исследования. Пектин цитрусовый производства ИХРВ АН РУз – порошок кремового цвета, растворимый в воде. Молекулярную массу пектина определяли вискозиметрически, молекулярная масса составила 44000, кислотное число 12,9%, определение проводилось методом объемного титрования, индикатор- фенолфталеин. Альбендазол производства ИХРВ АН РУЗ –C₁₂H₁₅N₃O₂S. (2-метоксикарбониламино-5-пропилтио-1Н-бензимидазол)-белый порошок,Т_пл=135-137⁰С.

Все вспомогательные вещества и растворители очищали перекристаллизацией и перегонкой.

Пектовую кислоту получали щелочным гидролизом цитрусового пектина [16]. Сухой пектин (10 г) растворяли в 500 мл 0,1н раствора NaOH, раствор выдерживали в термостате в течение 3 часов при температуре 25⁰С, после чего пропускали через колонку с катионитом КУ-2 (Н- форма). Далее пектовую кислоту осаждали в избытке изопропилового спирта. Высушенный продукт представляет собой сополимер полигалактуроновой кислоты и пектина. Выход пектовой кислоты составил около 50%. Кристаллы пектиновой кислоты представляют собой тонкие прозрачные пластинки, растворимые в воде. Молекулярная масса составляет 41150 а.е.м. Молекулярную массу измеряли вискозиметрическим методом в водном растворе 0,1н NaCl. Молекулярную массу полимеров рассчитывали по уравнению Марка-Куна-Хаувинка [η]= k*M^α [1].

Субстанцию альбендазола 4г помещали колбу и заливали 100 мл растворителя (этиловый спирт, изопропиловый спирт, бензол). Затем интенсивно перемешивали, суспензию пропускали через газообразный НСl, до тех пор, пока субстанция альбендазола не переходила в растворимое состояние. Растворитель удаляли испарением в вакууме при температуре 23°С.

Потенциометрическое титрование растворов мономеров и полимеров проводили на иономере марки «И-130» с измерительным стеклянным электродом ЭСЛ – 43-07 и хлорсеребряным электродом сравнения ЭВЛ-1М3.1. Вискозиметрические измерения растворов полимеров проводили в капиллярном вискозиметре типа Уббелоде, в котором время истечения воды при 24°С составляет 116,2 секунд. При исследования взаимодействия пектовой кислоты с альбендазолом был использован метод сорбции на редкосшитых полимерах, где концентрацию сорбированного лекарственного вещества регистрировали на спектрофотометре фирмы Perkin Elmer lambda 16 в водно-спиртовом растворе при длине волны 274 нм.

Результаты и обсуждение. Преимущество антигельминтных гелевых композиций на основе природных полимеров перед композициями на основе синтентических полимеров состоит в том, что при прохождении через желудочно-кишечный тракт они деградируют, постепенно выделяя лекарственное вещество, а композиции на основе синтетических полимеров выделяют лекарственное вещество только через поверхность раздела гель-среда. Учитывая тот факт, что данная антигельминтная гелевая композиция проходит через весь ЖКТ, она встречает на своем пути среды с различным физиологическим действием, значением рН среды, ионной силы, а также проходит различные температурные зоны. Поэтому для создания данных композиций является весьма подходящим применение стимулчувствительных природных полимеров, которые способны на адекватный ответ на изменение в окружающем их пространстве. Как известно, пектины и пектиновые вещества являются самыми чувствительными к изменению значения рН среды полимерами [17]. Именно из-за таких уникальных качеств данные полимеры-носители находят применение при создании различных терапевтических систем, применяемых в медицине и ветеринарии. Создание композиций с ними позволяет также менять фармакокинетику и осуществлять адресную доставку. Исходя из этих соображений, сорбцию гидрохлорида альбендазола осуществляли гелем на основе пектовой кислоты. Количество сшивающего агента варьировалось в пределах от 2 до 8%. Сорбцию гидрохлорида альбендазола гидрогелями в водно-спиртовой среде (соотношение 1:1) изучали на гелях, которые предварительно набухали в той же среде в статических условиях. Сорбированный гелем гидрохлорид альбендазола определяли из зависимости оптической плотности среды от концентрации водно-спиртовых растворов ЛВ. Образцы равновесно набухших в водно-спиртовой среде гелей пектовой кислоты со степенью сшивки 4% помещали в водно-спиртовой раствор, где концентрация ЛВ варьировалась в пределах от 9*10^-5 до 13*10^-5 моль/л. Рисунок 1 иллюстрирует зависимость количества сорбируемого гидрохлорида альбендазола от времени.

Рисунок 1. Зависимость количества сорбируемого альбендазола гидрохлорида от времени гелями на основе пектовой кислоты при начальных концентрациях альбендазола гидрохлорида: Δ- 6,0*10^-5 моль/л; ☐- 8,0*10^-5 моль/л; ◊- 10,0*10^-5моль/л, T=313К.

Из рисунка видно, что количество сорбируемого альбендазола гидрохлорида возрастает с повышением концентрации, что, в принципе, соответствует классическим представлениям о механизме сорбции. Однако следует отметить, что при данных концентрациях альбендазола гидрохлорида значение рН среды его водно-спиртовых растворов остается практически неизменным, и в процессе сорбции значительно не изменяется. Такое явление связано с тем, что в процессе сорбции альбендазола гидрохлорида гелями пектовой кислоты происходит взаимодействие протонированных молекул лекарства с диссоциированными карбоксильными группами на цепи полимера и выделение сильной минеральной кислоты по схеме:

П – СОО^-Н⁺ + АльбендазолН⁺ = П – СОО^-АльбендазолН⁺+ Н⁺,

что, в свою очередь, может приводить к понижению рН среды и к коллапсу гелей. При взаимодействии альбендазола гидрохлорида с гелем на основе пектовой кислоты коллапса полимерного гидрогеля не происходит, так как количество выделяющихся при взаимодействии протонов не является достаточным для осуществления конформационных переходов. Объединённое уравнение Ленгмюра-Клотца дает возможность описать связывание молекул гидрохлорида альбендазола с полимерными звеньями пектовой кислоты уравнением типа изотермы: 1/r=1/n+1/K_свn·1/C,

где K_св, - константа связывания лекарственного вещества активным центром поликислоты, С- равновесная концентрация лекарственного вещества в растворе, n- число связанных участков полимера, r- отношение молей сорбированного лекарственного вещества к концентрации поликислоты (C_ЛВ/C_П)_. Обработка полученных данных по изучению сорбции альбендазола гидрохлорида гелями пектовой кислоты по методу Ленгмюра-Клотца [16] предоставляет возможность графически определить значения К_св и n.

На рисунке 2 представлены изотермы связывания альбендазола гидрохлорида пектовым гелем в координатах Клотца.

Рисунок 2. Изотерма связывания альбендазола гидрохлорида пектовым гелем в координатах Клотца. Т=313К

На основании полученных графиков зависимости в координатах Клотца были рассчитаны K_св и n. Также нами были определены термодинамические параметры процесса сорбции альбендазола гидрохлорида гелем на основе пектовой кислоты. Свободную энергию Гиббса рассчитывали по уравнению . Термодинамические параметры процесса сорбции определяли графическим методом. Исходя из уравнений  и  получили = . Разделив обе части уравнения на Т получили = . Проводили построение графика зависимости  от 1/T (рисунок 3).

Рисунок 3. График зависимости –RlnK от 1/Т

Отрезок, отсекаемый на оси , дает значение . Зная  и ΔG , рассчитывали энтальпию. Полученные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Термодинамические параметры сорбции альбендазола гидрохлорида гелями на основе пектовой кислоты

Полученные результаты показывают, что сорбция гидрохлорида альбендазола редкосшитым гелем на основе пектовой кислоты является самопроизвольным процессом, о чем свидетельствуют отрицательные значения энергии Гиббса, причем при всех заданных соотношениях и температурах. Наряду с этим, в системе также наблюдаются и отрицательные значения энтальпии, что обусловлено протеканием ионных связываний диссоциированными карбоксильными группами пектовой кислоты и протонизованными четвертичными аминогруппами лекарства. Уменьшение энтропии системы при протекании данного сорбционного процесса очевидно и вызвано, скорее всего, реализацией гидорофобных взаимодействий [11]. В результате таких взаимодействий система, должна упорядочиваться за счёт связывания гидрофобных участков молекул гидрохлорида альбендазола с основной цепью пектовой кислоты, разрушение сольватных оболочек в водно- спиртовой среде не приводит к появлению большего числа частиц и, как следствие, энтропия уменьшается. Увеличение температуры данного сорбционного процесса приводит к увеличению гидрофобных взаимодействий. Это происходит из-за наличия в структуре гидрохлорида альбендазола сильных гидрофобных участков - бензольных циклов, связанных с тиопропильным фрагментом - которые при повышении температуры стремятся связаться с гидрофобными участками на образце геля пектовой кислоты. Значения констант связывания гидрохлорида альбендазола с гидрогелем на основе пектовой кислоты понижается с повышением температуры до 313К. Однако, гидрофобные взаимодействия тоже вносят немалый вклад в процесс связывания. Внушительное уменьшение энтальпии позволяет сделать вывод, что в данном процессе огромное влияние имеет ионное связывание. Его вклад в общий тепловой эффект достаточно велик, и химический характер сорбции для данной конкретной пары гидрогель – ЛВ не оставляет сомнений.

Рисунок 4 иллюстрирует зависимость скорости сорбции гидрохлорида альбендазола гелем на основе пектовой кислоты от температуры. Необходимо отметить, что процесс сорбции при температуре 293К протекает крайне плохо, количество сорбируемого альбендазола гидрохлорида меньше, чем при температуре 303К. Количество сорбируемого ЛВ при 313К больше, чем при 293К, т.е. количество сорбируемого альбендазола гидрохлорида монотонно возрастает. В более ранних работах было показано, что процесс взаимодействия лекарственных веществ из класса бензимидазолов в полимерами пектинового ряда осложнен дополнительными видами взаимодействий [16]. Наряду с ионными могут реализовываться и гидрофобные взаимодействия, а также может возникать система внутрикомплексных водородных связей [10, 11]. Однако необходимо отметить, что с повышением температуры гидрофобные взаимодействия должны ослабевать за счет увеличения молекулярной динамики всей полимерной системы в целом.

Рисунок 4. Зависимость количества сорбируемого альбендазола от времени при различных температурах. Концентрация альбендазола 10 *10^-5 моль/л: ◊ - 293К Δ- 303К;; ☐ - 313К

Заключение. Изучен процесс сорбции альбендазола гидрохлорида гелями на основе пектовой кислоты. Установлено, что процесс сорбции носит химический характер. На основании проведенных исследований рассчитаны изменения термодинамических функций в процессе сорбции. В общий тепловой эффект вносят вклад как гидрофобные, так и ионные взаимодействия. Процесс сорбции протекает самопроизвольно, с уменьшением энтальпии и увеличением энтропии системы.