ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОЧАСТИЦ ПОЛИ-3-ГИДРОКСИБУТИРАТА-СО-3-ГИДРОКСИВАЛЕРАТА МЕТОДОМ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЯ ИЗ ЭМУЛЬСИИ

POLY(3-HYDROXYBUTYRATE-CO-3-HYDROXYVALERATE) MICROPARTICLES PREPARATION USING EMULSION SOLVENT EVAPORATION TECHNIQUE

Aleksei Dorokhin

PhD student, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk

Sergei Lipaikin

PhD student, Siberian Federal University,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В работе получены микрочастицы поли(3-гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата) при помощи модифицированного метода испарения растворителя из эмульсии. Определены основные характеристики полученных микрочастиц. Показано, что методика, включающая получение эмульсии при помощи ультразвука, требует модификации при её использовании для получения микрочастиц из полимеров с высокой молекулярной массой.

ABSTRACT

In this work poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) microparticles were obtained via modified emulsion solvent evaporation technique. The main characteristics of the obtained microparticles were determined. It’s shown that the technique, which includes obtaining an emulsion using ultrasound, requires modification when it is used to obtain microparticles from polymers with a high molecular weight.

Ключевые слова: полигидроксиалканоаты; микрочастицы; испарение растворителя из двухкомпонентной эмульсии.

Keywords: polyhydroxyalkanoates; microparticles; double emulsion solvent evaporation technique.

При лечении множества заболеваний широкое применение нашли препараты с контролируемым высвобождением действующего вещества. Данный эффект достигается за счёт включения лекарственных средств в микронизированные биоразлагаемые полимерные матрицы, медленная диффузия действующего вещества из которых обеспечивает длительное его воздействие на окружающие органы и ткани [1, с. 323]. Одними из наиболее перспективных материалов для создания подобного рода лекарственных форм являются полигидроксиалканоаты (polyhydroxyalkanoates, PHAs) – сложные полиэфиры оксикарбоновых кислот, характеризующиеся относительно медленной биодеградацией в организме человека, сопровождающейся образованием нетоксичных мономерных продуктов [2, c. 138].

Наиболее часто для получения микрочастиц на основе полигидроксиалканоатов используют метод испарения растворителя из эмульсии (эмульсионный метод). В простейшем случае – при получении «пустых» частиц без лекарственного препарата – он включает две основные стадии: получение исходной эмульсии типа «масло в воде» и последующее испарение из неё неполярного органического растворителя. При этом первая стадия – эмульгирование раствора полимера в водном растворе сурфактанта – зачастую оказывает решающее влияние на основные характеристики образующихся микрочастиц, а именно на размер и морфологию поверхности. Для этих целей, как правило, используют высокоскоростные гомогенизаторы, переводящие систему в коллоидное состояние под действием высокоинтенсивного механического воздействия [3, с. 652]. В другом, относительно редко встречающемся в специализированной научной литературе методе, для этих целей используется ультразвук (ultrasound, US) [4, с. 4825]. Дальнейшее испарение растворителя из образующейся эмульсии в подавляющем большинстве случаев осуществляется при помощи длительного (как правило, в течение суток) перемешивания на магнитной мешалке, после чего образовавшиеся микрочастицы отделяют от раствора центрифугированием и лиофилизируют [5, с. 1300].

В настоящей работе для получения микрочастиц поли(3-гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата) (poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), P3HBV) (826 кДа, 10.2 % 3-гидроксивалерата) использовались две упомянутых выше разновидности метода испарения растворителя из эмульсии.

Для получения эмульсии на US раствор P3HBV (0,05 г P3HBV в 2 см³ CHCl₃) по каплям добавляли к раствору поливинилового спирта (poly(vinyl alcohol), PVA) (0,2 г PVA в 20 см³ деионизированной воды), помещённому на ультразвуковой генератор Sonicator S3000 (Misonix, США) при интенсивности 10 и мощности 33 Вт. Поскольку под действием ультразвука смесь сильно разогревалась, осуществляли охлаждение при помощи бани со льдом (P3HBV-US-MPs-1) или со льдом и хлоридом натрия в пропорции 33 г NaCl на 100 г водно-ледяной смеси (P3HBV-US-MPs-2). Обработку ультразвуком осуществляли в течение 10 мин. Затем для удаления органического растворителя поместили полученную эмульсию на магнитную мешалку на сутки при скорости 750 об/мин.

Для получения эмульсии на высокоскоростном гомогенизаторе раствор P3HBV (0,2 г P3HBV в 20 см³ CHCl₃ (P3HBV-IKA-MPs-1) или 0,1 г P3HBV в 10 см³ CHCl₃ (P3HBV-IKA-MPs-2)) по каплям добавляли к раствору PVA (0,5 г PVA в 100 см³ H₂O для первой партии частиц или 0,25 г PVA в 50 см³ H₂O – для второй) на высокоскоростном гомогенизаторе T10 basic (IKA, Германия) при скорости 30000 об/мин. Эмульгирование осуществляли в течение 5 мин. Затем для удаления органического растворителя поместили полученную эмульсию на магнитную мешалку на сутки при скорости 750 об/мин, после чего собрали полученные микрочастицы центрифугированием (8000 об/мин в течение 7 мин), отмыли деионизированной водой для удаления остаточного сурфактанта и лиофилизировали при -40 ^oC и 0,12 мбар.

Высушенные частицы взвесили и рассчитали их выход (yield, Y, %) относительно исходной массы полимера по формуле:

                                                                                    (1) 

где:   – суммарная масса полученных микрочастиц, мг;

  – масса полимера, использованная для получения микрочастиц, мг.

Средний размер частиц и их ζ-потенциал измеряли на Zetasizer Nano ZS (Malvern, Великобритания). Для оценки морфологии поверхности были получены СЭМ-снимки синтезированных микрочастиц на TM4000Plus (Hitachi, Япония). Полученные данные внесли в таблицу 1.

Частицы в партиях P3HBV-US-MPs-1 и P3HBV-US-MPs-2, полученные с использованием ультразвукового генератора, образовывались в ничтожных количествах, в то время как основная часть полимера выпадала в осадок в виде нитей и дендритов. Вероятно, это обусловлено высокой молекулярной массой использованного полимера, а также локальным нагреванием раствора в области контакта с ультразвуковым генератором, вызывающим быстрое испарение хлороформа и седиментацию полимера (данные не представлены). В то же время микрочастицы, полученные на высокоскоростном гомогенизаторе, имели правильную сферическую форму (рис. 1), характеризовались узким размерным распределением и подходящими для использования в биомедицинских целях дзета-потенциалами.

Таблица 1.

Основные характеристики полученных микрочастиц

Рисунок 1. СЭМ-снимок частиц P3HBV, полученных при помощи высокоскоростного гомогенизатора (P3HBV-IKA-MPs-1). Маркер 10 мкм

Список литературы:

1. Kashkooli F.M. Controlled anti-cancer drug release through advanced nano-drug delivery systems: Static and dynamic targeting strategies / F.M. Kashkooli, M. Soltani, M. Souri // Journal of controlled release. – 2020. Vol. 327. – P. 316-349.
2. Volova T.G. Degradable Polyhydroxyalkanoates of Microbial Origin as a Technical Analog of Non-Degradable Polyolefines / T.G. Volova // Journal of Siberian Federal University. Biology. – 2015. Vol. 2. № 8. – P.131-151.
3. Vilos C. Evaluation of ceftiofur–PHBV microparticles in rats // Drug design, development and therapy. – 2014. Vol. 8. – P. 651-666.
4. Yao Y. A specific drug targeting system based on polyhydroxyalkanoate granule binding protein PhaP fused with targeted cell ligands // Biomaterials. – 2008. Vol. 29. – P. 4823-4830.
5. Co-delivery of 5-fluorouracil and oxaliplatin in novel poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate acid)/poly(lactic-co-glycolic acid) nanoparticles for colon cancer therapy // International journal of biomedical macromolecules. – 2019. Vol. 124. – P. 1299-1311.