способ получения пористого материала из смеси фиброина и хитозана

Формула изобретения

1. Способ получения пористого материала из смеси фиброина и хитозана путем смешения раствора диализованного из водного раствора бромида лития фиброина с раствором хитозана с последующей регенерацией путем испарения растворителя, отличающийся тем, что диализованный из водного раствора бромида лития и высушенный фиброин и хитозан растворяют в гексафторизопропаноле до концентрации 1-15 мас.%, причем соотношение фиброин : хитозан составляет 9:1÷1:4.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиброин предварительно растворяют в 6-10 М водном растворе бромида лития и после диализа сушат при температуре не выше 40°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворение фиброина и хитозана в гексафторизопропаноле проводят при рН 4,5-5,5 и температуре 25-50°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регенерированный из раствора после испарения растворителя пористый материал обрабатывают метанолом в течение не менее 5 мин при модуле ванны 1:1÷1:20.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению изделий в виде волокон, пленок и других форм путем регенерации из растворов смесей природных полимеров фиброина и хитозана, которые могут быть использованы, например, в качестве носителей для введения лекарств в организм.

Для получения оболочек лекарственных капсул применяют пленкообразующие высокомолекулярные вещества, способные давать эластичные пленки, характеризующиеся определенной механической прочностью. Такими материалами могут являться природные полимеры казеин, зеин, простые и сложные эфиры целлюлозы и некоторые синтетические полимеры (например, сополимер метакриламида и метакриловой кислоты и др.). Однако широкого практического применения для фармацевтических капсул эти вещества не нашли, и поэтому фармацевтическая промышленность пользуется преимущественно желатиновыми капсулами (продукт гидролиза природного полимера коллагена); время растворения желатиновой капсулы в желудке составляет 5-30 мин. Все большее распространение в последние годы находят капсулы с заданными свойствами по высвобождению действующего вещества - это кишечно-растворимые капсулы (с высвобождением лекарственной субстанции в кишечнике) и так называемые капсулы-ретард (с пролонгированным высвобождением). Создание кишечно-растворимых лекарственных форм осуществляется с целью предотвращения высвобождения активного ингредиента в желудке и осуществляется путем введения отвердителей в состав массы для получения оболочки капсул (альдегидов, альгината натрия), обработки оболочек готовых и заполненных капсул определенными веществами для придания им большей твердости (например, формальдегидом) с целью продления времени распадаемости капсулы, чтобы она успела попасть в тонкий кишечник неповрежденной, нанесение пленочных покрытий на готовую и заполненную капсулу. Основным недостатком перечисленных способов получения оболочек для замедленного высвобождения лекарств является использование синтетических полимерных и мономерных соединений, небезопасных для здоровья человека (например, формальдегид).

Использование полностью природных компонентов капсул для замедленного высвобождения лекарств предусмотрено способом получения материала оболочек из смеси фиброина с хитозаном, Китай, патент №1293952, опубл. 2001.05.09. Оба полимера являются природными веществами, совершенно безопасны для живых организмов; хитозан является одним из биоактивных полимеров, обладающих многими положительными свойствами, например фунгицидными и бактерицидными. Способ заключается в том, что фиброин предварительно растворяют в растворителе, состоящем из воды, спирта и хлорида кальция, проводят диализ раствора для удаления соли, затем смешивают с раствором хитозана в уксусной кислоте при добавлении глутарового альдегида в качестве сшивающего агента, при испарении растворителей формуют капсулы и сушат. Недостатком способа является использование раствора соли, что ограничивает концентрацию фиброина, так как при удалении соли из раствора путем диализа через полупроницаемую мембрану концентрированного раствора полимера происходят гелеобразование и коагуляция. Кроме того, использование в составе растворителя спирта приводит к формированию кристаллической -складчатой структуры макромолекул фиброина, что увеличивает жесткость макромолекул в растворе (Silk polymers: material science and biotechnology. Ed. by D.Kaplan et. al. Amer. Chem. Soc., Washington. 1994. 353 p.), поэтому затрудняется межмолекулярное взаимодействие компонентов полимерной смеси. По этим двум причинам - низкая концентрация полимера и отсутствие стабильного межмолекулярного взаимодействия - прочность оболочки капсулы недостаточна, она быстро разрушается и высвобождает лекарство, то есть время выведения лекарства не может быть значительно пролонгировано. Замедление времени выведения лекарства может быть достигнуто при условии, что оболочка капсулы, не разрушаясь долгое время, выпускает лекарство через поры, то есть является своего рода мембраной.

Наиболее близким к заявляемому является описанный в работе X.Chen, W.Li, Z.Shao, W.Zhong, Y. Lu, T.Yu // Journal of Applied Polymer Science. 1999. Vol.73, 974-980 способ получения материала из смеси фиброина и хитозана, согласно которому 2%-ный раствор хитозана в водном растворе уксусной кислоты концентрацией кислоты 2 мас.% смешивают с 2%-ным диализованным раствором фиброина в 9,5 М водном бромиде лития, добавляют сшивающий агент глутаровый альдегид, затем формируют материал путем высушивания при комнатной температуре путем испарения растворителя. Полученный пленочный материал используют в качестве мембран для разделения жидкостей, для пропускания растворов в биомедицинских целях, в том числе как оболочку лекарственных форм. Однако данный материал также не обладает требуемой прочностью по следующим причинам. Как и в предыдущем аналоге, оба полимера растворяют в разных растворителях, поэтому взаимодействие компонентов смеси осуществляется за счет водородных связей. Энергия водородных связей во много раз слабее ионных, которые теоретически возможны между такими полиэлектролитами, как фиброин и хитозан. Поэтому для увеличения прочности используют добавление сшивающего агента. В свою очередь, создание химических сшивок, упрочняя смесовой материал, ограничивает диапазон его набухания. Кроме того, в этом способе также предусмотрено использование солевого раствора для растворения фиброина и, следовательно, необходим диализ, что ограничивает концентрацию полимера. Низкая прочность материала сокращает время пролонгированного действия при использовании материала в виде капсул для лекарственных форм (оболочка быстро набухает и разрушается).

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение регулирования во времени и контролирование высвобождения лекарств за счет заданной степени набухания через поры материала из смеси фиброина и хитозана при одновременном повышении прочности материала, которое приводит к замедлению разрушения материала в организме.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения пористого материала из смеси фиброина и хитозана путем смешения раствора диализованного из водного раствора бромида лития фиброина с раствором хитозана с последующей регенерацией путем испарения растворителя диализованный из водного раствора бромида лития и высушенный фиброин и хитозан растворяют в гексафторизопропаноле до концентрации 1-15 мас.%, причем соотношение фиброин : хитозан 9:1÷1:4. Фиброин предварительно растворяют в 6-10 М водном растворе бромида лития и после диализа сушат при температуре не выше 40°С. Растворение фиброина и хитозана в гексафторизопропаноле проводят при рН 4,5-5,5 и температуре 25-50°С. Регенерированный из раствора после испарения растворителя пористый материал обрабатывают метанолом в течение не менее 5 минут при модуле ванны 1:1÷1:20.

Существенное отличие предлагаемого способа следующее. Пористый материал, будучи использован в качестве оболочки для лекарственных форм, высвобождает лекарство не за счет своего разрушения, а путем пропускания лекарства через поры. Размер, количество пор регулируются соотношением компонентов смеси и концентрацией полимеров в растворе. Полное разрушение материала происходит в течение 10 часов и более, в зависимости от плотности оболочки, в нижних отделах кишечника. Это достигается за счет создания условий для более сильного взаимодействия компонентов смеси на молекулярном уровне использованием в качестве общего для обоих полимерных компонентов материала растворителя гексафторизопропанола. Сольватация макромолекул фиброина и хитозана гексафторизопропанолом позволяет получить истинный раствор, в котором между компонентами имеются не только водородные, но и ионные связи, образуется прочный полиэлектролитный комплекс. Хитозан является полиоснованием, фиброин - поликислотой, поэтому между ними возможно образование очень прочных связей электростатической природы, при условии сближения соответствующих активных центров макромолекул на расстояние порядка 1,7-2 Е. Это возможно лишь в том случае, когда в системе макромолекулы сольватированы общим для обоих полимеров растворителем. Экспериментально установлено, в гексафторизопропаноле не наблюдается увеличения жесткости макромолекул фиброина, это открывает возможность эффективного взаимодействия на молекулярном уровне путем создания полиэлектролитных пар. Существенным отличием является также то, что при использовании данного способа растворения можно достичь концентрации полимеров в растворе до 15 мас.%. За счет широкого диапазона концентрации появляется возможность дополнительно регулировать прочность готового пористого материала и время высвобождения лекарств за счет заданной степени набухания. Увеличение концентрации полимеров в растворе приводит к формированию более прочной сетки межмолекулярных контактов. Перед растворением в гексафторизопропаноле фиброин предварительно растворяют в 6-10 М водном растворе бромида лития и после диализа высушивают при температуре не выше 40°С. Концентрация бромида лития ограничена для создания условий растворения фиброина (нижний предел) и требованиями диализа (верхний предел). Эта процедура проводится с целью аморфизации кристаллических участков фиброина и перевода макромолекул в более доступную для взаимодействия с хитозаном конформацию (спиральную или аморфную хаотически свернутую форму макромолекул). При температуре выше указанной макромолекулы фиброина приобретают менее реакционноспособную складчатую конформацию, что нежелательно до создания межмолекулярных контактов с хитозаном. После смешения полимеров и контакта в растворе на молекулярном уровне регенерированная путем испарения растворителя смесь обрабатывается метанолом с целью упрочнения созданной межполимерной структуры (фиброин вновь приобретает кристаллическую форму с фиксацией созданных межполимерных связей). Полученный пористый материал имеет повышенную прочность без добавления сшивающего агента за счет создания связей между макромолекулами, в первую очередь электростатической природы, которые по силе сравнимы с химическим взаимодействием, а также за счет возможности увеличения концентрации полимеров в растворе. Диапазон изменения степени набухания материала в зависимости от рН среды увеличивается, что связано с отсутствием сшивающего агента.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (прототип), воспроизведен в соответствии с описанием на стр.976 прототипа.

Фиброин натурального шелка Bombyx mori, отмытый от жировых и минеральных примесей, как описано в прототипе, растворяют в 9,5 М водном растворе бромида лития, проводят диализ через полупроницаемую мембрану в течение 3 дней до полного удаления соли. Полученный раствор фильтруют. Концентрация фиброина в растворе составляет 2 мас.%. Хитозан со степенью дезацетилирования 86 мольн.% растворяют в 2%-ной уксусной кислоте до концентрации 2 мас.%. После этого смешивают растворы фиброина и хитозана, причем содержание фиброина в смеси 20 мас.% (соотношение фиброин: хитозан составляет 1:4. Смесь наливают на полиэфирную пластину, растворитель испаряется на воздухе.

Пример 2.

Хитозан растворяют до концентрации 2 мас.% в гексафторизопропаноле (ГФИП), рН раствора составляет 4,5-5,5. Фиброин шелка, очищенный от примесей, растворяют до концентрации 2 мас.% в 9,5 М водном растворе бромида лития, после этого раствор подвергают диализу через полупроницаемую мембрану в течение 3 суток. После диализа раствор высушивают в вакуумном термостате при температуре 25°С до равновесной влажности. Высушенный фиброин растворяют в гексафторизопропаноле до концентрации 2 мас.%. Растворы фиброина и хитозана смешивают при соотношении фиброин : хитозан 9:1, полученную смесь наливают на полиэфирную пластину, растворитель испаряется на воздухе. После испарения растворителя пористый материал обрабатывают метанолом в течение 10 минут при модуле ванны 1:1.

Все примеры получения материалов сведены в таблицу 1. Прочность пленок определяли на разрывной машине Instron. Для определения степени набухания пленок использовали растворы с рН 5, приближая эксперимент к условиям эксплуатации пористого материала в качестве оболочки лекарственных форм. Набухание пленок изучали весовым методом после выдерживания предварительно взвешенной пленки в водном растворе указанного значения рН при комнатной температуре в течение 10 минут, 30 минут, 2 часов, 10 часов. Степень набухания w=100% (w₁-w₀)/w₀, где w₁ и w₀ - масса набухшей и сухой пленок соответственно. Для экспериментального определения проницаемости пленок для лекарственных форм использовали условия, моделирующие условия эксплуатации пористого материала. Пленку использовали в качестве мембраны, через которую происходило выпускание концентрированного раствора лекарства. Примеры приведены для о-ацетилсалициловой кислоты, содержание ее в растворе контролировали путем титрования с 0,1 н. NaOH с фенолфталеином.

Характеристики материалов приведены в таблице 2.

Таблица 1 Условия получения пористого материала
№	Концентрация LiBr, M	Концентрация фиброина в LiBr, %	t сушки фиброина, °С	Соотн. фиброин: хитозан	Конц-ция полимеров в ГФИП, %	рН раствора	t растворения, °С	Обработка метанолом, мин	Модуль ванны
1	9,5	2	25	1:4	2	-	25	-	-
2	9,5	2	25	9:1	2	5,5	25	10	1:1
3	6,0	2	25	7:3	2	5,0	35	10	1:10
4	9,0	2	40	1:4	2	5,5	25	10	1:1
5	6,5	2	40	9:1	2	4,5	50	10	1:10
6	10,0	2	40	7:3	2	5,0	45	5	1:10
7	8,5	2	25	1:4	2	5,5	25	10	1:2
8	9,5	4	25	1:4	3	5,5	25	10	1:20
9	6,5	2	20	7:3	1	4,5	45	15	1:1
10	9,5	2	40	7:3	5	4,5	45	10	1:15
11	9,5	3	40	7:3	15	4,5	50	25	1:20
12	6,0	4	40	1: 1	2	5,0	45	10	1:10
13	7,5	4	40	9: 1	12	5,0	40	10	1:10
14	6,5	3	40	7:3	12	5,0	45	10	1:20
15	6,5	3	35	1:4	12	4,5	45	10	1:20
16	6,0	4	40	1: 1	2	5,0	45	-	-

Таблица 2 Свойства пористого материала из смеси фиброин - хитозан
№	Прочность, Н/мм 2	Степень набухания, %, по истечению				Высвобождение лекарства, %, по истечению
		10 мин	0,5 часа	2 часа	10 часов	10 мин	0,5 часа	2 часа	10 часов
1	37,2	295	Растворился	-	-	72	100	-	-
2	40,3	32	79	109	297	34	45	56	100
3	42,7	24	83	112	340	24	38	44	93
4	40,7	95	185	456	Раств.	48	76	88	100
5	41,0	27	89	123	352	22	35	44	100
6	44,7	34	80	254	558	32	60	85	100
7	43,2	97	192	523	Раств.	49	76	93	100
8	42,9	99	198	550	Раств.	52	78	90	100
9	39,5	69	182	350	642	37	69	90	100
10	55,8	24	72	124	298	38	42	48	67
11	62,4	10	42	56	145	5	7	27	52
12	49,3	64	175	395	460	55	75	85	100
13	59,3	8	45	55	186	2	5	20	43
14	62,2	16	55	62	199	12	27	52	74
15	59,7	29	72	88	256	16	43	75	92
16	43,3	164	275	495	Раств.	65	85	98	100

Анализ приведенных данных позволяет считать, что использование предлагаемого способа получения смеси фиброин - хитозан приводит к получению пористого материала с повышенной прочностью (и одновременно регулируемой в зависимости от концентрации и соотношения фиброин : хитозан способностью к набуханию и временем высвобождения лекарственной формы. Так, прочность пористого материала увеличивается с 37,2 (прототип) максимально до 62,4 Н/мм² (пример 11). Достигается увеличение времени высвобождения лекарства от менее 30 минут (прототип) до 10 часов и более (примеры 10, 11, 13-15), в зависимости от условий получения пористого материала, указанных в формуле изобретения. Указанный эффект обусловлен увеличением степени набухания пористого материала при одновременном увеличении прочности, что позволяет оболочке, не разрушаясь, пропускать лекарство через поры, количество которых зависит от соотношения компонентов смеси и концентрации их в растворе. При изучении пористого материала в условиях набухания под микроскопом при увеличении 40-100 раз обнаружено качественное изменение системы пор, их размеров и геометрии в зависимости от параметров материала. На чертеже приведены фотоснимки пористых материалов, полученных по примерам №2, 6 и 11 соответственно. Видно, что при изменении соотношения фиброин : хитозан и концентрации их в ГФИП существенно меняются размеры, количество и геометрия пор, что приводит к закономерному изменению механизма выпускания лекарства через них. При сравнении фотографий материалов, полученных по примерам 2 и 6 (концентрация полимеров 2%, соотношение фиброин: хитозан 9:1 в примере 2, 7:3 в примере 6) можно видеть, что изменение соотношения компонентов смеси значительно меняет размеры и количество пор, что в итоге приводит к увеличению набухания материала 6 и увеличивает скорость высвобождения лекарства. Однако это ускорение происходит постепенно: в течение первых 30 минут скорость набухания и высвобождения лекарства материалов 2 и 6 отличается незначительно. Это связано с наличием в материале 6 как большого количества маленьких, так и больших пор. При сравнении фотоснимков материалов, полученных по примерам 6 и 11, когда соотношение компонентов смеси одинаково, а меняется концентрация полимеров (2% в примере 6, 15% в примере 11) можно видеть, что изменение концентрации полимеров приводит к формированию качественно иной системы пор, и соответственно изменяются механизм набухания и скорость выпускания лекарства.

Взаимодействие между полимерами осуществляется за счет образования прочных водородных и электростатических связей. При формировании пленок образуется общая аморфно-кристаллическая структура материала. Это возможно только при использовании в качестве растворителя ГФИП и соблюдении указанных в формуле изобретения условий растворения. При обработке пленок метанолом происходит образование кристаллической -складчатой конформации макромолекул фиброина и фиксация межмолекулярных связей с хитозаном, что дополнительно увеличивает прочность пористого материала (видно при сравнении примеров 12 и 16, прочность материала при прочих равных условиях меньше при отсутствии обработки метанолом в примере 16). Обработка метанолом сформованного пористого материала осуществляется при модуле ванны 1:1-1:20 в течение не менее 5 минут (примеры 2-15). Несоблюдение этого требования делает процесс упрочнения неэффективным, фиброин не успевает перейти в кристаллическую форму. Увеличение времени обработки выше 25 минут возможно, но нецелесообразно, при этом материал может стать хрупким. Если материал обрабатывать метанолом до стадии его регенерации (например, добавлять метанол в раствор фиброина), не происходит образования прочных контактов фиброин - хитозан, поэтому повышения прочности пористого материала не достигается. По этой причине материал обрабатывают после его регенерации из раствора, как указано в формуле изобретения.

Соотношение фиброин : хитозан ограничено диапазоном 9:1÷1:4. При уменьшении соотношения ниже указанного предела резко падает способность пленок к набуханию, при увеличении верхнего предела - пленки набухают неограниченно и быстро растворяются.

Фиброин предварительно растворяют в 6-10 М водном растворе бромида лития, чтобы уменьшить степень кристалличности. Нижний предел концентрации бромида лития ограничен растворимостью фиброина, верхний - трудностями последующего диализа (удаления соли). Сушка фиброина после растворения в бромиде лития и диализа происходит при комнатной температуре или повышенной, но не выше 40°С (примеры 4-6, 10-14). При более высокой температуре сушки фиброин переходит в плохорастворимую кристаллическую форму.

Эксперимент по изучению пропускания лекарства проведен на о-салициловой кислоте, но полученные результаты распространяются и на другие лекарства порошкообразной, вязкой или легкотекучей консистенции. Капсулы могут быть получены любым известным способом: метод погружения («макания»), метод штамповки, капельный. Для предотвращения возможности вытекания наполнителя производят герметичное запечатывание места соединения корпуса и крышечки известными способами.