Использование (со)полимеров N-винилпирролидона

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ (СО)ПОЛИМЕРОВ N_ВИНИЛПИРРОЛИДОНА В МЕДИЦИНЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Получение и основные характеристики сополимеров N-винилпирролидона с малеиновым ангидридом

1.1.1 Синтез сополимеров N-винилпирролидона с малеиновым ангидридом

1.1.2 Физико-химические методы исследования сополимеров

1.2 Биологическая активность (со)полимеров N_винилпирролидона

1.3 Использование (со)полимеров N-винилпирролидона в качестве лекарственных средств пролонгированного действия

1.4 Гидрогели на основе (со)полимеров N-винилпирролидона

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

• 2.1 Характеристика применяемых веществ
• 2.2 Очистка мономеров и растворителей
• 2.3 Методика проведения эксперимента

2.3.1 Приготовление растворов для УФ и ЯМР спектроскопии

2.3.2 Методика проведения процесса сополимеризации

2.3.3 Методика определения количества звеньев малеинового ангидрида методом потенциометрического титрования

2.3.4 Определение молекулярной массы сополимеров по данным вискозиметрии

2.4 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

2.4.1 Требования безопасности при работе со стеклянной посудой

2.4.2 Требования безопасности при проведении нагревания

2.4.3 Правила безопасной работы с электрооборудованием и электроприборами

2.4.4 Требования безопасности при работе с легковоспламеняющимися жидкостями

2.4.5 Техника безопасной работы с пероксидами

3. ИЗУЧЕНИЕ СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ N-ВИНИЛПИРРОЛИДОНА С МЕТИЛМЕТАКРИЛАТОМ ПРИ ГЛУБОКИХ КОНВЕРСИЯХ (РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ)

3.1 Изучение основных характеристик сополимеров ВП с МА

3.1.1 Определение содержания звеньев МА в сополимерах с помощью потенциометрии

3.1.2 Определение состава сополимеров ВП с МА методом ¹Н ЯМР

3.1.3 Определение характеристической вязкости и молекулярной массы сополимеров ВП с МА

3.1.4 Изучение электронных спектров (со)полимеров N_винилпиролидона

3.2 Получение пленочных гидрогелевых материалов на основе (со)полимеров N-винилпиролидона

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ССЫЛКИ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

С-концентрация;

n - степень полимеризации;

S-конверсия;

з_уд - удельная вязкость;

з_уд/С - приведенная вязкость;

[з] -характеристическа вяязкость;

АИБН - 2,2'-азо-бис-изобутиронитрил;

ВП - N-винилпирролидон;

ГЭMA - 2-гидроксиэтил-метакрилат;

ДМФА - N,N-диметилформамид;

МА - малеиновый ангидрид;

МК - малеиноваякислота;

МВПр - 2-метил-5-винилпиридин;

МВТАз - 2-метил-5-винилтетразол;

ПБ - пероксид бензоила;

ПВП - поли(N-винилпирролидон);

ПВС - поли(виниловый спирт);

ПЭО - поли(этиленоксид)

ВВЕДЕНИЕ

В связи с адаптацией живых организмов к лекарственным препаратам появляется необходимость в создании новых лекарственных форм, а также увеличение эффективности антибактериальной терапии, пролонгирования действия лекарств и разработки новых методов для иммобилизации лекарственного препарата на полимерной матрице, что позволит существенно уменьшить суммарную дозу лекарственных препаратов, вводить их в зону патологического очага, создавая по месту их высокие концентрации, что снижает возможность осложнений.

Полимеры и сополимеры N-винилпирролидона благодаря своим уникальним свойствам находят широкое применение в различных отраслях: технике, сельском хозяйстве, производстве косметических средств и т. п. [1-4]. Совместимость с тканями живых организмов, нетоксичность и хорошая растворимость в воде поливинилпирролидона позволяют использовать его также в медицине для выведения токсичных веществ из организма, пролонгации действия лекарств, а также в составе гидрогелевых материалов.

Практически полезными являются сополимеры N-винилпирролидона с малеиновым ангидридом. Наличие в их структуре способных к комплексообразованию звеньев N-винилпирролидона и ионогенных звеньев малеинового ангидрида создает предпосылки для использования этих сополимеров как матрицы препаратов пролонгированного действия [2, 4].

Несмотря на то, что сополимеры N-винилпирролидона с малеиновым ангидридом изучались ранее, ряд их свойств рассмотрен недостаточно. Поэтому целью наших исследований являлось определение состава и молекулярной массы сополимеров, полученных в растворителе и в массе, с применением различных инициаторов, усовершенствование методик их анализа, изучение их поглощения в УФ области и оценка возможности создания на их основе гидрогелей для медицинских целей.

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ (СО)ПОЛИМЕРОВ N_ВИНИЛПИРРОЛИДОНА В МЕДИЦИНЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Получение и основные характеристики сополимеров N-винилпирролидона с малеиновым ангидридом

1.1.1 Синтез сополимеров N-винилпирролидона с малеиновым ангидридом

Изучением сополимеризации малеинового ангидрида (МА) и N-вин

илпирролидона (ВП) (схема 1.1) занимаются давно [5-12], хотя до настоящего времени нельзя считать этот процесс полностью изученным.

Рисунок 1.1. - Схема сополимеризации ВП и МА.

В работах по взаимодействию ВП с МА [6, 7, 9-13] предлагается комплексно-радикальный механизм процесса, согласно которому комплекс ВП···МА может участвовать в полимеризации в качестве мономерной единицы. Действительно, известно [14, 15], что МА является мономером с ярко выраженными электроноакцепторными свойствами. Он легко вступает в донорно-акцепторные взаимодействия с -донорными соединениями, в том числе N-винилпирролидоном - активным -р- донором [15, 16]. Образование комплекса ВП с МА подтверждено в ряде работ [6, 7, 9, 11, 17, 18] Кроме того, авторы [6] предположили, что этот комплекс может распадаться с образованием свободных радикалов, так как обнаружили протекание фотополимеризации системы ВП-МА-ММА на воздухе в отсутствие инициатора (в бензоле, 30°С, выход 4.3% за 3 ч). Впрочем, в более поздней работе [19] инициирование процесса фотополимеризации парами ВП / акцептор (N_гидрокси алкилмалеимид) объясняют не распадом комплексов, а протеканием реакции переноса электрона/протона между ВП и акцептором в возбужденном состоянии, приводящий к образованию радикалов.

Сополимеризацию ВП с МА обычно проводили в растворе (табл. 1.1), чаще всего в бензоле, помещая реакционную смесь в стеклянные ампулы, в атмосфере инертного газа. Сополимеры выделяли из раствора высаждением в 3-4-кратный объем диэтилового эфира. Данные о составе сополимеров ВП с МА, приведенные в опубликованных работах и сведенные в табл. 1.1, показывают, что в состав сополимеров ВП с МА [5, 8-11, 19], полученных в присутствии АИБН, а также ПБ [7], входит от 50 до 58 мол. % ВП. Этот результат можно рассматривать как доказательство протекания реакции роста за счет присоединения комплекса мономеров к растущему радикалу.

Состав сополимеров, полученных в ДМФА и бензоле [10] практически не отличаются. Отсутствие влияния ДМФА на изучаемые системы объясняется [10] неспособностью комплекса МА-ДМФА конкурировать с донорно-акцепторным взаимодействием МА с N-винильным мономером. Величина электропроводности системы МА-ВП в массе и ДМФА составляет 3,33 10^-5 и 6,25 10^-5 (ом·см)^-1 соответственно (20°С).

Наибольшее содержание звеньев ВП (до 55-57 мол.%) найдено в образцах сополимеров, полученных при достаточно высокой температуре, 70-80°С [8], когда количество комплекса ВП с МА ([C]) в растворе уменьшается и вклад реакции присоединения к растущему радикалу свободного ВП должен возрасти. Тем не менее, чередование звеньев ВП и МА в составе сополимера может быть следствием и перекрестного присоединения свободных мономеров. В пользу этого механизма свидетельствует найденная авторами [10] прямолинейная зависимость вида v = k [I]^0,5 [C]² между скоростью сополимеризации и квадратом концентрации комплекса, так как в случае полимеризации комплекса скорость процесса должна быть пропорциональна [C].

Таблица 1.1. Условия сополимеризации ВП с МА и состав полученных сополимеров

Условия полимеризации	ВП в сополимере, мол.%	Ссылка
ВП:МА в смеси	Р-ритель ([Mi], моль/л)	Инициатор (моль/л)	Т-ра, °С (время, выход)
1:1	Бензол (1,63)	АИБН (6 10-3)	60 (48 ч, 84%)	48,5	[5]
3:1	Бензол	ПБ (2 %)	70-80	56,3	[8]
2:1				52,6
1:1				57,6
1:2				55,2
1:3				55,0
9:1	Бензол (4,16)	- (на воздухе)	30 (3 ч, ~5%)	-	[61]
	- (в массе)	АИБН (0,1 мас.%)	65 (40-80%)	50,5	[9]
1:1	Бензол (4)	АИБН (0,25 мас.%)	76	51,2 (81) 1)	[12]
	Бензол (8)			51,9 (110)1)
1:1	Бензол (4,3-?)	АИБН (3,85-15,3)·10-3	65-80	соответствуют составу комплекса	[10]
	ДМФА
	Бензол (?)	АИБН (0.02)	60		[11]
	ДО (2.5)	АИБН (3·10-3)	65		[13]
1) В скобках указана величина степени полимеризации n для сополимеров -[ВП-МА]n-

Вывод об основном вкладе в стадию роста реакций перекрестного присоединения мономеров сделан также в работе [20] на основании изучения природы радикалов и кинетики элементарных актов радикальной сополимеризации ВП с МА методом спиновой ловушки. Однако основные результаты работы [20] получены с учетом константы равновесия образования комплекса ВП···МА К_р, равной 1.2 л/моль, которая может быть неточной, как показано авторами [18].

В работе [13] приведена схема (1.2), указывающая на присоединение свободных мономеров, хотя авторы и оговаривают, что наблюдаемая тенденция к чередованию в смесях ВП с МА (или с цитраконовым ангидридом, малеимидом) может быть объяснена образованием комплекса не только между молекулами сомономера, а и мономеров с растущим макрорадикалом.

(1.2)

Константы сополимеризации ВП и МА приводятся в работе [11] и составляют r_ВП = 0,08 r_МА = 0,03. Эти значения характерны для сополимеров МА и указывают на высокую степень чередования мономерных звеньев в сополимере.

Полимеризация ВП/МА при мольном соотношении 2,0:1,0 [12] дает возможность получить корреляцию (рис. 1.2) между периодом преобладающей тенденции к чередованию и периодом расходования МА в сополимеризации. Видно, что только тогда, когда в реакционной системе полностью израсходован МА, вновь появляется способность ВП к гомополимеризации.

Рисунок 1.2. Изменение состава продукта реакции и содержания МА в ходе сополимеризации смеси ВП и МА.[12]

При проведении сополимеризации ВП с МА важно учитывать, что в ходе процесса высока вероятность передачи цепи на мономер, поскольку найдено, что она протекает при полимеризации не только ВП, но и МА с константой С_М, равной 0.075 (348 К) [21]. Высокая активность в реакции переноса МА объясняется [13] наличием в его структуре двух подвижных атомов водорода, которые легко захватываются свободным радикалом. Кроме того, при изучении полимеризации МА [21] показана возможность переноса цепи на ПБ с С_I = 2.63, хотя эта величина названа оценочной.

1.1.2 Физико-химические методы исследования сополимеров

Состав полученных сополимеров определяли, используя методы элементного анализа, обращая внимание на соотношение С/N [11], Фурье-ИК (FTIR) и ¹Н ЯМР [13], а также проводили потенциометрическое титрование водным раствором щелочи.

В случае применения метода ¹Н ЯМР спектроскопии следует учесть, что для поли-МА характерно наличие очень широкого сигнала в области 5-3 м. д. [22]. Из данных табл. 1.2 следует, что в спектрах сополимеров, включающих звенья ВП и МА возможно наложение сигналов всех звеньев в области 5-3 м. д.

Таблица 1.2. Химические сдвиги сигналов в спектрах ЯМР ¹Н полимеров и сополимеров МА, ВП

Полимер	Н1	Н2	Н4,5	Н3,6
Поли-МА [22]	5-3
ВП-МА [13]	4.45-4.08	1.83-1.30	2.33-1.84 (Н5)	3.95-3.56 (Н3) 3.54-2.95(Н3,6)
Поли-ВП		1.7-1.1	2.45-1.7	4.2-2.8

Сополимер МА с ВП при гидролизе ангидридных звеньев образует полимерную двухосновную кислоту, обладающую полиэлектролитными свойствами. Поэтому кислотно-основное титрование часто используется для определения содержания звена малеинового ангидрида в его сополимерах с различными сомономерами (например, [22]), при этом более точное определение конечной точки достигается с применением потенциометриии. Для проведения титрования можно выделить образовавшийся в результате гидролиза сополимер малеиновой кислоты (МК) [11, 23-25] или сразу анализировать его в растворе [8, 26, 27]. Единой методики гидролиза сополимеров МА для подготовки их к потенциометрическому титрованию на данный момент нет.

На кривой титрования сополимера ВП с MA в водном растворе [11, 24, 25], как и при титровании сополимера стирола с МА [27] наблюдали один перегиб (рис. 1.3), соответствующий нейтрализации половины карбоксильных групп. Отмечалось [24], что вид кривой титрования несколько "стертый, поэтому больше информации дают кривые зависимости ДpH/ДV и Д²pH/ДV² от объема титранта NaOH (V).

Наличие одного перегиба на кривых титрования сополимеров МА в водных растворах соответствует теоретическим представлениям о соотношении констант первой и второй ступеней диссоциации, согласно которым кислоты, у которых отношение К₁/К₂ меньше 10⁴, титруются как одноосновные [28]. Так как величина К₁/К₂ для малеиновой и янтарной кислот равна 20200 и 19 [29], на кривых потенциометрического титрования водного раствора МА (МК) имеются два скачка, а в сополимерах малеиновой кислоты оттитровывается одна группа.



Рисунок 1.3. Кривая потенциометрического титрования водного раствора гидролизованного сополимера стирола с МА 0,1н. водным раствором КОН [27].

Для раздельного титрования обеих карбоксильных групп могут быть использованы органические основания и амиды, среди которых доступным и широко применяемым в аналитической практике является ДМФА [28]. В работе [30] было показано, что при титровании сополимера МА и стирола в среде ДМФА наблюдаются два четких перегиба, соответствующие первым и вторым карбоксильным группам звеньев гидролизованного МА. Смешивание органических растворителей, подобных ДМФА, с водой способствует еще большему различию кислотных свойств [28], а также препятствует образованию осадков, образующихся в процессе взаимодействия веществ в первоначально гомогенных средах, и снижает вязкость раствора.

Для определения молекулярной массы сополимеров зачастую применяют вискозиметрический метод [31]. В качестве меры вязкостных свойств линейных макромолекул используют так называемую характеристическую вязкость [з] - предельное значение отношения з_уд/С при концентрации раствора С, стремящейся к нулю. Здесь з_уд - величина удельной вязкости, которую находят по соотношению времени истечения ра[з] створа t и растворителя t₀ : з_уд = (t - t₀)/t₀. Характеристическую вязкость [з] определяют путем графической экстраполяции значений з_уд/С, полученных для нескольких концентраций, к нулевой концентрации [31]. Для полимеров с низкими или средними молекулярными массами зависимости з_уд/С от С, как правило, прямолинейны.

Вискозиметрический метод широко используют для определения молекулярного веса поливинилпирроолидона (ПВП). Поскольку этот полимер хорошо растворяется в воде, все измерения производят обычно в водных растворах. [1]

Для определения молекулярной массы пользуются нелинейным уравнением Марка - Хувинка, выражающим зависимость [з] от молекулярной массы (М):

[з] = K M^б,(1.3)

где K и б -- константы для данной системы полимер-растворитель при определенной температуре.

Обычно в зависимости от природы растворителя величина б, определяющая степень свернутости макромолекулы, колеблется в пределах 0,5-0,8. [31]. Так, для ПВП найдено [32]:

[з] = 1.94 10^-2 M^0.64 в хлороформе;

[з] =5.31 10^-2 M^0.(5) в воде.

Совершенно другая зависимость вязкости от концентрации наблюдается для растворов полиэлектролитов в полярных растворителях (например, полимерные кислоты в воде). Зависимость опять приобретает линейный характер при добавлении нейтральной соли к водному раствору полиэлектролита (например, 5% хлорида натрия). Это вызвано тем, что при добавлении низкомолекулярной соли к раствору полиэлектролита степень диссоциации его становится постоянной, и, таким образом, увеличение жесткости цепей, т. е. повышение вязкости при уменьшении концентрации полимера в растворе, предотвращается.

Авторами [24, 33] было установлено, что при работе с сополимерами ВП-МА целесообразно подавлять диссоциацию поликислоты, используя в качестве растворителя сильную низкомолекулярную кислоту. Так, было показано [24], что поли(N-ВП-со-MК) проявляет характер неэлектролита в разбавленном водном растворе HCl (0,0085 М) при 25°С, что соответствует рН = 2.1 (рис. 1.4), так что для характеристики сополимера стали пригодными обычные методы (рассеяние света, вискозиметрия).

Рисунок 1.4. Зависимость приведенной вязкости от концентрации для образца поли(N-ВП-со-MК) в HCl при рН 2.1.

В этом случае уравнение Марка - Хувинка имеет вид:

[з] = 3.25·10^-4 Ч М^0.62 (1.4)

Таким образом, изучение спектроскопии, рН-метрии и вискозиметрии сополимеров ВП с МА представлено единичными работами и требует более подробного исследования.

1.2 Биологическая активность (со)полимеров N_винилпирролидона

(Со)полимерам N-винилпирролидона (ВП) присуще сочетание высокой гидрофильности, способность к комплексообразованию, отсутствие токсичности, хорошие адгезионный свойства, что позволяет использовать их в различных целях. Несмотря на то, что активные исследования в этой области проводятся не менее 70 лет, находятся новые области применения полимеров на основе ВП. Кроме того, продолжается изучение механизма взаимодействия этих полимеров с белковыми соединениями, низко- и высокомолекулярными соединениями, способными к образованию комплексов со звеньями ВП. Данные таких публикаций позволяют судить о новых перспективах использования и большой практической ценности данных (со)полимеров.

Благодаря своим уникальным свойствам поливинилпирролидон (ПВП) широко применяется в медицинской практике. Информация, относящаяся к применению ПВП в медицине до 1997 г., изложена в монографиях и обзорах, например [1-4]. ПВП входит в число биологически активных полимеров с неспецифической активностью, образующих комплексы с широким кругом низко- и высокомолекулярных соединений за счет водородных связей, гидрофобных и других нековалентных взаимодействий. Этот полимер нетоксичен, доза LD₅₀ при пероральном и внутривенном применениях составляет ~ 100 и 10-15 г/кг соответственно [3]. Он не подвергается метаболизму в живом организме и его выведение зависит от молекулярной массы (ММ) и способа введения. Стойкость к биодеструкции обуславливает жесткие требования к ММР ПВП для внутривенного введения, поскольку макромолекулы ПВП с ММ ? 25 тыс. и 25-110 тыс. выводятся в течение нескольких дней и нескольких месяцев соответственно, а с ММ ? 110 тыс. задерживаются на годы и могут индуцировать патологические процессы [2].

Сополимеры на основе N-винилпирролидона широко используются в медицине и представляют большой интерес в качестве физиологически активных веществ лекарственного назначения. При этом важно как получение образцов с определенным значением молекулярной массы, так и стабильный состав, а также контроль композиционной однородности.

В Институте фармацевтических технологий (Россия, Москва) ведутся работы по синтезу сополимеров N-винилпирролидона с 2-метил-5-винилпиридином (МВПр) и 2-метил-5-винилтетразолом (МВТАз) в широком диапазоне соотношений исходных мономеров и изучению их биологической активности [34]. Показано, что эти сополимеры обладают выраженной физиологической активностью, увеличивающейся с повышением доли звеньев МВПр или МВТАз, тогда как с повышением доли звеньев ВП улучшается растворимость сополимера в воде. Результаты исследования показали [35-37], что оба сополимера не токсичны: за 7 суток наблюдения не погибло ни одно животное, которому ввели 0,4 мл раствора, содержащего 10 мас.% сополимера.

Сополимер ВП с МВПр Сополимер ВП с МВТАз

Оптимальными свойствами обладает сополимер, содержащий 64 мол.% ВП и 36 мол.% МВПр, с М_w=46.6 кДа, получивший торговое название СовидонTM [34-39]. Показано [39], что введение раствора сополимера в виде глазных капель способствуют уменьшению митотического индекса клеток эпителия роговицы мышей и крыс, поврежденной радиационным воздействием, и уменьшению частоты образования аберрантных митозов. Наилучший эффект достигается при использовании 10 %-ного раствора Совидона, вводимого сразу после облучения.

Увеличение доли звеньев МВТАз в его сополимерах с ВП способствует появлению и усилению иммунодепрессантных (или иммуностимулирующих) свойств сополимера [36, 37], а также противолучевой эффективности [37]. Найдено, что синтезированные сополимеры с содержанием звеньев МВТАз до 70±5 мол.% растворимы в воде и могут быть использованы в качестве радиопротекторов [37].

Более того, указанные сополимеры обладают свойствами активаторов фагоцитоза [36, 38]. Оценку фагоцитарной активности перитонеальных макрофагов проводили по интенсивности поглощения ими красителя - нейтрофильного красного или в присутствии суспензии коллоидной туши при введении внутримышечно сополимеров в дозах 5 и 50 мг/кг в объеме 250 мкл. Обнаружено, что это статистически достоверно увеличивало фагоцитарную активность на 15-45% по сравнению с контролем в исследованиях с красителем Нейтрофильным красным, а также повышало индекс завершенности фагоцитоза на 85-138% в исследованиях с частицами коллоидной туши. В последнем случае отмечалось, что введение сополимеров, практически не изменяя числа фагоцитирующих клеток, в 1,5-2 раза увеличивает переваривающую способность макрофагов. (Индекс завершенности фагоцитоза - отношение среднего числа частиц (ФК), поглощенное одной фагоцитирующей клеткой за 1 ч, к ФК за 2,5 ч, отражает переваривающую способность фагоцитов.)

Кроме того, исследование противораковой активности сополимеров ВП с МВТ и с МВП со средневязкостной молекулярной массой (Мµ) 30-50 и 15-28 кДа соответственно [36] показало, что предлагаемые сополимеры в 1.5-2.4 раза увеличивают торможение роста опухоли по сравнению с продигиозаном и наиболее активны против саркомы М-1 (76 и 52%), саркомы 45 (81 и 50%), карциносаркомы Уокера (78 и 33%) и аденокарциномы толстого кишечника (АКАТОЛ) (65% - сополимер, по продигиозану нет данных). Активность ВП с МВП с Мµ 15-28 кДа оказалась в среднем в ~ 1.5 раза выше, чем с Мµ ~ 40 кДа ([40].

При индуцировании подострого поражения введением подопытным белым крысам дозы нитрата плутония-239 (407 кБк/кг) найдено [36], что пероральное введение указанных сополимеров способствует улучшению состояния животных по показателям общего анализа крови. Так, через 430 суток у группы, получавшей раствор сополимеров, по сравнению с контрольной существенно менее выражена лейкопения: 11 и 23 тыс./мм³ лейкоцитов (9 - контроль), снижено содержание эритроцитов: 4.8 и 5.1 млн./мм³ (4.7- контроль), повышен уровень гемоглобина: 173 и 159 (181- контроль). В результате проведенных исследований констатируется [36], что введение сополимеров по предлагаемому изобретению оказывает статистически значимое подавляющее действие на развитие злокачественных опухолей в печени и почках подопытных животных, а также улучшает общие показатели анализа крови.

Сотрудниками Института фармацевтических технологий также установлено [34, 36], что предложенные сополимеры в концентрациях от 0,01 до 10 мкг/мл крови достоверно повышают продуцирование обеих форм интерлейкина-1 (ИЛ-1), но при этом не оказывают существенного влияния на продуцирование интерлейкина-2 и фактора некроза опухоли-альфа. Таким образом, можно предположить, что они опосредованно препятствуют пролиферации раковых клеток, задействуя, в частности, механизм фагоцитоза. Кроме того, сополимеры, как показано авторами [36], могут быть полезны в комбинированной терапии в сочетании с другими соединениями, повышающими продуцирование ИЛ-1, а также с лекарственными формами самого ИЛ-1.

Установлено [41], что сополимеры ВП с диметиламинометилметакрилатом, а также ВП с диметиламинометилметакрилатом и винилбутиловым эфиром проявляют выраженную детоксицирующую активность по отношению к эпихлоргидрину, что выражается в увеличении выживаемости животных (белые крысы-самцы и мыши).

1.3 Использование (со)полимеров N-винилпирролидона в качестве лекарственных средств пролонгированного действия

Способность ПВП и сополимеров, содержащих звенья ВП, к комплексообразованию использована для пролонгирования действия физиологически активных веществ. В этом случае можно выделить также несколько основных направлений получения лекарственных композиций на основе ПВП и сополимеров:

- комплексы ПВП с лекарственными средствами в водных растворах;

- комплексы ПВП с лекарственными веществами в виде твердых растворов (таблетирование);

- комплексы сополимеров N-винилпирролидона с лекарственными (или другими физиологически активными) веществами, образующиеся за счет звена сомономера;

- сополимеры N-винилпирролидона с мономерами, являющимися производными лекарственных (или других физиологически активных) веществ, проявляющие собственную физиологическую активность.

В медицинской практике широко используются комплексы иода с полимерами, в частности с ПВП («Иодпирон», «Повидон» и др.). В состав такого комплекса входят ионы I₃-, которые не имеют общетоксического действия и не раздражают кожу, как I₂, но обладают антисептическими, противовирусными, фунгицидными свойствами [1,2]. Этот комплекс был впервые получен Шеланским более 50 лет назад [1], однако до сих пор широко используется в мировой медицинской практике в виде растворов, мазей и аэрозолей [4].

В концентрированных растворах ПВП наблюдается повышение растворимости ряда лекарственных средств, например, производных тетрациклина [4], для чего рекомендовано применять ПВП с ММ 10-17 тыс. Для приготовления инъекционного препарата левомицетина (25-30 % в растворе), применяемого в ветеринарии, используется ПВП с ММ 40 тыс. [4 4]. Интересно, что предложено также использование ПВП с очень низкой ММ (2.0-3.5 тыс.) в составе композиций с очень высоким содержанием, от 40 до 70 %, сульфаметоксазола и триметоприма для создания противомикробных средств в виде как водных растворов, так и мазей. Таким образом, способ применения полимера связан с величиной его молекулярной массы.

Кроме того, ПВП образует комплексы с пенициллином, новокаином, гексобарбиталом, сульфаниламидными производными, инсулином, андекалином, вазопрессином и др., а инъекционные препараты, содержащие ПВП с ММ от 20 до 60 тыс., проявляют пролонгированное действие [4]. Более того, эффект побочного вредного воздействия на организм исходной лекарственной формы в комплексе с ПВП может быть уменьшен или устранен. Это явление было изучено, например, для комплексов ПВП с иодом [1-4], а также с морфином [42] (препарат «Морфилонг»). В этом случае возникает в основном анальгезирующий эффект без наркотического действия, характерного для чистого морфина [3], причем за счет применения ПВП с ММ 30-40 тыс. достигается также эффект полного и быстрого рассасывания инфильтрата [42]. Поскольку токсичность антибиотиков при их иммобилизации на ПВП снижается, и его низкомолекулярные образцы быстро выводятся из организма человека (за 6 ч при ММ 10-12 тыс.), то низкомолекулярный ПВП можно использовать как антидот при передозировке антибиотиками [43 14].

Способность макромолекул ПВП образовывать комплексы с разнообразными соединениями дает возможность получать твердые дисперсии с равномерным распределением лекарственного вещества в таблетированных формах, где обычно применяют ПВП с ММ 20-30 тыс. [3].

К противомикробным средствам относится также Повиаргол - новый фармацевтический препарат, прошедший клиническое изучение и включающий в свой состав 7,5 - 8,5% высокодисперсного металлического серебра и ПВП с мол. массами от 10⁴ до 16.3 10⁵ Да [44, 45 15, 16]. При изучении защитного эффекта актопротектора биметила и антисептика Повиаргола от повреждающего действия активных форм кислорода на активность таких ключевых ферментов метаболизма клеток, как цитозольный фермент креатинкиназа и мембраносвязанный фермент Na+, K+-АТФаза [46 17] найдено, что Повиаргол наравне с биметилом может выступать как антиоксидант, повышающий резистентность организма к повреждающим факторам.

Для повышения эффективности терапии гнойно-септических осложнений ран и ожогов разработана [44 15] также водорастворимая серебросодержащая бактерицидная композиция на основе высокодисперсного поверхностно-окисленного серебра со степенью окисления 32,60 - 34, 45% и ПВП с ММ (8ч35) 10³ Да, в соотношении (7,5ч8,5) : (91,5ч92,5) мас. %. Такие композиции в водных растворах сохраняют высокую антимикробную активность в течение 3 лет и являются в 10-100 раз более сильными бактерицидными средствами, чем высокодисперсные частицы металлического серебра, стабилизированные более высокомолекулярным ПВП в Повиарголе, при сравнимом содержании серебра в растворах.

Предложено также использовать комплексы ПВП с пероксидом водорода, например, при окраске волос [47 18] или для отбеливания зубов [48 19].

Использование в качестве матрицы сополимеров N-винилпирролидона с мономерами, имеющими в составе молекулы дополнительные функциональные группы, представляет большие возможности для создания новых препаратов. Сополимеры ВП с диацеталем акролеина («Совиаль»), кротоновой кислотой, эпоксипропилметакрилатом, малеиновым ангидридом и винилфталимидом можно рассматривать как стандартный набор карбоцепных полимеров-носителей, содержащих в свободном или скрытом виде наиболее часто применяемые для связывания физиологически активных веществ функциональные группы (-СНО, -СООН, -NH₂ и др.) [2].

Так, в качестве полимеров-модификаторов свойств антисептика катамина АБ были использованы сополимеры ВП с метакриловой, акриловой и кротоновой кислотами [49 20 5 . Соловский М.В., Афиногенов Г.Е., Панарин Е.Ф. и др. Полимерные комплексы антисептика катамина АБ и их билогическая активность // Хим.-фарм. журн. 1991. Т. 25. № 4. - С. 40-43.]. Проведенные авторами исследования показали, что включение катиона катамина АБ в комплекс с сополимером ВП и кротоновой кислоты привело к снижению острой токсичности антисептика (величина LD₅₀ для комплекса в 4 раза больше, чем исходного катамина АБ), тогда как лечебный эффект при использовании комплексного лекарственного препарата «Катапол» повышался: в 3.4 раза снижался индекс поражения и в 2.4 раза уменьшались сроки заживления раны [49 20].

В качестве матрицы-носителей лекарственных средств может служить также сополимер ВП с ММА и бутилметакрилатом [ Профилактика раневой инфекции иммобилизованными антибактериальными препаратами / Меньшиков Д.Д., Титова Г.П., Воленко А.В., Куприков С.В. // Хирургия. 2004. - № 10. - С.54-58.45 21 50]. Он нерастворим в воде, обладает как гидрофобными, так и гидрофильными свойствами, рассасывается при имплантации в ткани с программированной скоростью, не вызывает в местах имплантации деструктивной тканевой реакции, биологически инертен. Сополимер, медленно рассасываясь, одновременно обеспечивает такую же медленную десорбцию лекарственных средств.

Описаны [51 30 236] также однородные, образующие прозрачные водные растворы сополимеры ВП с винилацетатом (ВА), обогащенные ВП, для использования в фармацевтической и косметологической продукции. Сополимеры ВП с N-изопропилакриламидом образуют комплексы с ионами металлов, в частности Сu²⁺ [52 31 237], они чувствительны к изменениям температуры, рН среды, составу растворителя [52, 53 31, 32 237, 238] и могут быть пригодны в качестве инъекционного имплантатного материала [52 31 237].

Сополимер ВП с диметилмалеиновым ангидридом избирательно накапливается в почках, в отличие от ПВП и лекарства (супероксиддисмутазы) и является перспективным носителем лекарственных средств для их доставки в почечную систему [54 34240]. Сшитые сополимеры ВП с N-гидрокси алкилмалеимидами [19 224] изучены как гидрогели для контролируемого выделения препаратов, в частности теофиллина.

Проводится синтез функциолизированных сополимеров ВП за счет введения групп, обладающих биологической активностью. На основе сополимеров ВП с 2-гидроксиэтилметакрилатом синтезированы полимерные эфиры антибиотика оксациллина [55 35 241]. Модификацией звена МА в терполимере ВП с МА и винилбутиловым эфиром 4-амино-2,2,6,6-тетраметилпиперидином и 4-амино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксилом получены полимерные продукты с устойчивыми нитроксидными радикалами в боковой цепи [56 36 242], потенциальная биологическая активность которых обусловлена антиопухолевыми свойствами свободных нитроксильных радикалов [57 33 239]. Изучена реакция модификации сополимера ВП с глицидилметакрилатом 6-метокси-б-метил-2-нафтилуксусной кислотой (напроксен) [58 37 243]. С целью получения новых полимерных иммуностимуляторов синтезированы водорастворимые сополимеры ВП с метакрилоил или кротоноил амидоглюкозой [59 38 244], содержащие в боковой цепи фрагменты глюкозы. Сополимеры, включающие звенья ВП и ВА (40:60, ММ 60 тыс.), с привитыми полиуретановыми цепями [60 45 . Мазур Л.М., Галатенко Н.А., Рожнова Р.А., Дроздова В.І. Синтез гідрофільних поліуретанів, які містять фрагменти кополімеру N-вінілпіролідону з вініловим спиртом // Доповіді НАН України. - 2005. № 10. - С. 138-141.] образуют прочные эластичные пленки и способны к иммобилизации лекарственных препаратов за счет реакции с участием имеющихся в составе сополимеров свободных NCO группы. Показано [61 46 . Мазур Л.М., Рожнова Р.А., Галатенко Н.А., Нечаєва Л.Ю. Вивчення динаміки вивільнення протизапального препарату амізону з полімерної лікарської форми на онові гідрофільного блок-кополіуретану, який містить кополімер N-вінілпіролідону з вініловим спиртом // Доповіді НАН України. - 2007. № 5. - С. 141-147.], что иммобилизация на них противоспалительного препарата амизона делает возможным регулируемый вывод лекарственного вещества.

Отдельное направление представляют собой работы, посвященные получению и всестороннему изучению конъюгатов белков с указанными (со)полимерами, причем в значительном количестве работ в качестве матрицы выбран сополимер ВП с МА [62-66 39-43]. На процесс гидролиза, т.е. транспорта лекарств оказывают влияние такие факторы, как химическая структура олигопептидных последовательностей [62 39 8], основной цепи [62 39 8], степень замещения кислотных групп (прививки) [63 40 9], вклад гидрофобных взаимодействий [64 41 10], рН среды [65, 66 42, 43 11, 12]. При этом в качестве носителя рассмотрен сополимер ВП:МА 1:1 с ММ ~ 20 тыс. [62-65 39-42 8-11], а также 29 и 58 тыс. [66 43 12].

В последнее время активно развивается поиск новых полимерных матриц на основе ВП и проводится всестороннее исследование свойств полученных материалов. Например, показано, что при введении в ПВП боковой группы в-аланина существенно повышается уровень его дезинтоксикационного действия в составе кровезаменителей, а также чувствительность и специфичность диагностической тест-системы на плазминоген в крови за счет понижения уровня неспецифической адсорбции белков плазмы крови [67 44 47 Артыкова З. Б. Поли-N-винилпирролидон с боковыми аминокислотными группами. Синтез и применение в медико-биологических областях. Автореф. дис. … канд. хим. наук.- М., 2010.]. Обнаружено, что аминокислотные производные эпоксидсодержащих полимеров ВП и металлокомплексы на их основе обладают низкой токсичностью и проявляют высокую иммуностимулирующую, антивирусную, гемостимулирующую активность, а также усиливают продуцирование интерферона, подавление репликации микроорганизмов под действием антибиотиков, причем существует взаимосвязь между биологической активностью полимеров и их химическим строением [68 4748 Ташмухамедов Р. И. Биологически активные аминокислотные производные поли-N-винилпирролидона и их металлокомплексы. Автореф. дис. … докт. хим. наук.- М., 2007.]. Полученные результаты указывают на перспективность использования синтезированных полимеров и их металлокомплексов в качестве основы лекарственных препаратов. Разработана рецептура гипоаллергенного, газопроницаемого материала для закрытия ран различной этимологии на основе смеси хитозана с ПВП и сополимеров хитозана с акриламидом [69 4849 Мочалова А. Е. Синтез и свойства привитых, блок-сополимеров и смесей гомополимеров N-винилпирролидона и акриламида с хитозаном Автореф. дис. … канд. хим. наук.- Нижний Новгород., 2006.].

Для повышения гемосовместимых свойств поверхности изделий из полиэтилена, применяемых в качестве имплантантов, предложены [70 49. Самойлова Н.А.Б Краюхина М.А., Волков И.О. и др. Поверхностные свойства биоспецифических покрытий на основе полиэлектролитных комплексов сополимеров малеиновой кислоты // Высокомолекул. соедин. - 2009. Т. 51. № 2. - С. 241-249.

Размещено на Allbest.ru] новые гидрофильные покрытия на основе полиэлектролитных комплексов биоспецифического модифицированного сополимера ВП и малеиновой кислоты с хитозаном, амфифильным хитозаном или альбумином. Указанный сополимер содержал аффинные лиганды к плазминогену - остатки б-аминосвязанного лизина и придавал модифицируемой поверхности тромборезистентные свойства. Предложенные би- и многослойные покрытия на основе полимерных комплексов, нанесенные на имплантанты, могут быть применены для снижения степени тромбогенности контактирующих с кровью изделий, используемых в медицинской практике.

Из этих примеров видно, что опубликованные в последнее время работы посвящены в основном получению функционализированных сополимеров со специальными свойствами, полезных для применения в различных процессах генной и биоинженерии, систем доставки лекарств, и биомакромолекулярных конъюгатов.

1.4 Гидрогели на основе (со)полимеров N-винилпирролидона

В последнее время гидрофильные полимерные гели (гидрогели) привлекают большое внимание исследователей благодаря своим уникальным свойствам, которые приближают их к живым человеческим органам. Это делает возможным и перспективным применение таких гидрогелей в области медицины, например, в качестве раневых перевязок, контактных линз и систем доставки лекарственных препаратов [71 1].

Гидрогели представляют собой нерастворимую сеть гидрофильных полимеров, способную поглощать воду и биологические жидкости. Основой для создания гидрогелей может служить целый ряд водорастворимых высокомолекулярных веществ, как синтетического, так и природного происхождения, включая белковые молекулы. Включение в структуру гидрогелей азотсодержащих гетероциклических фрагментов приводит к повышению абсорбционной способности к водным растворам электролитов [72 2]. Поэтому поли(N-винилпирролидон) (ПВП) и его сополимеры, которые проявляют высокие степени набухания в водном растворе благодаря их гидрофильньным функциональным группам, являются одними из самых популярных полимеров, используемых как биологически совместимые материалы в качестве основы гидрогелей для медицины [71-75 1-3, 9, 10].

Для получения этих гидрогелей могут быть использованы два метода: обычная радикальная сополимеризация в водном растворе и радиационная техника. В первом случае гидрогель получают полимеризацией гидрофильньных мономеров в присутствии би- или многофункциональных сшивающих агентов, а также сшивание водорастворимых полимеров [76 11]. К числу мономеров, используемых для получения гидрогелей, относится N-винилпирролидон (ВП), который растворим в воде и многих других растворителях. В качестве сшивающих веществ часто используются такие, как N,N'-метиленбисакриламид, дивинилбензол и аллилметакрилат. В гидрогелях, содержащих только ВП, необходима высокая концентрация сшивающего агента (5-20 %) [76 11].

Большое количество исследований, например [77 12], посвящено получению гидрогелей на основе поли(винилового спирта) и поли(винилпирролидона) (ПВС/ПВП), которые образуются в водных средах по общей схеме:

Рисунок 1.5. Упрощенная модель синтеза и структуры сшитых гидрогелей ПВП/ПВС [77 12 9].

В качестве исходных полимеров авторы [77 12 9] использовали ПВС со степенью полимеризации 300, 1600, 2000 и молекулярной массой 15000, 72000, 100000, и 49000, соответственно, и степенью гидроксилирования 86-89 % мол. (Fluka) и ПВП со средней молекулярной массой 25000 (Merck). Водные растворы обоих полимеров смешивали, добавляли персульфат калия и проводили реакцию сшивки при 80єC при энергичном механическом перемешивании в атмосфере азота. Более детально процесс образования гидрогеля может быть представлен схемой [77 12 9]:



После 5 ч реакционную смесь выливали в пластмассовую форму и высушивали в течение ночи при 50єC в вакуумном шкафу. Изучение доли геля и степени набухания в воде показали [77 12], что с увеличением концентрации персульфата калия доля геля возрастает, а степень набухания снижается. Набухание гелей происходило с относительно высокой скоростью в начале процесса и количество поглощенной воды при погружении достигало около 1400 %, при этом степень набухания возрастала с уменьшением концентрации персульфата и увеличением доли ПВП. Так, например, для соотношения ПВП/ПВС 50:50 мас.% степень набухания изменяется от 800 до 392% при [K₂S₂O₈] от 1.1·10^-5 до 6.6·10^-5 моль/л, а если [K₂S₂O₈] = 1.1·10^-5 моль/л, то эта величина составляет от 800 до 1400 % при доле ПВП от 50 до 80 мас.%. Влияние молекулярной массы ПВС оказалось незначительным, т.к. при ее увеличении от 15 до 100 тыс. степень набухания гидрогеля изменялась в пределах от 800 до 600 % (ПВП/ПВС 50:50 мас.%, [K₂S₂O₈] = 1.1·10^-5 моль/л) [77 12 9]. Вследствие нейтральности гидрогелей набухание достигало максимума при pH = 7 и 25єC, и при более высоких температурах оно уменьшалось.

При малом количестве пероксидисульфата калия прочность пленок гидрогеля повышается, так как с возрастанием концентрации инициатора сополимер становится более хрупким и имеет более низкую прочность на растяжение вследствие дополнительных сшивок. Так, прочность на разрыв изменяется от 90.8 до 10.0 кг/см² при концентрации K₂S₂O₈ от 1,1Ч10^-5 до 6,7Ч10^-5 моль/л, причем при минимальном содержании персульфата было достигнуто относительное удлинение при разрыве ~ 60%. Найдено, что под нагрузкой деформация образца происходит равномерно по всей длине, до достижения текучести, что по мнению авторов [77 12 9], отражает существенно однородную молекулярную ориентацию полимерной цепи.

Авторами [78 13 10] изучено получение гидрогелей из смеси ПВП (M_w = 44000, BDH) и ПВС (M_w = 125000, степень гидролиза 88 %) при использовании в качестве сшивающего агента глутарового альдегида (5 % мас.) и молочной кислоты как катализатора. После смешивания смесь нагревали при 60°C в течение 1 ч, поливали в полистирольных чашках Петри, с последующей сушкой при 60°C. Далее сшивание было проведено тепловой обработкой пленок при 120°C и 150°C после 30 минут высушивания при 100°C. Показано, что при увеличении температуры тепловой обработки от 100 до 120 и 150°C равновесное содержание воды в геле и экстрактируемая масса (полимера?) уменьшаются от 89.2 до 86.7 и 76.2 % и от 51.2 до 41.8 и 27.6 %. Одновременно с этим пленки становятся более прочными и жесткими, что выражается в увеличении предела прочности при растяжении от 0.10 да 0.23 и 0.26 МПа и уменьшении деформации при разрыве от 70 до 46 и 21 %.

Исследовано [79 14 11] также получение гидрогеля методом матричной полимеризации N-винилпирролидона (11.2 г) и метакриловой кислоты (8.6 г) в присутствии полиэтиленоксида (1 г) и различных количеств сшивающего агента - этиленгликоль-диметакрилата (0.05 и 0.1 г), при использовании АИБН как инициатора (0.005 г), ТГФ как растворителя (10 мл) при температуре 50єC. Из свойств гидрогеля изучено набухание (сорбция им воды) при 20-40°С, которое составило 50-70 % для дисков 3Ч11.5 мм. Методом электронной микроскопии показано, что структуры образцов различаются по размеру частиц и распределению числа полостей в них, которые меньше при большем количестве сшивающего агента, средний размер пор ~ 1100 нм.

Для получения полимерного гидрогеля биомедицинского назначения проводили также процесс сополимеризации N-винилпиролидона (45.0 г) с метилакрилатом и метакриловой кислотой (2.5 и 0.5 г) [80, 81 15, 16 - укр. Пат.]. Мономеры с добавками 0.2 г этиленгликольдиметакрилата, 0.15 г персульфата аммония и 0.15 г тетраметилэтилендиамина растворяли в 100 мл апирогенной воды при 25°С, полученный раствор отфильтровывали, продували азотом и разливали в плоско-параллельные пресс-формы для получения пластин с толщиной 0,7 мм. Полимеризацию проводили, выдерживая пресс-формы при температуре 25°С на протяжении двух часов. Полученные гидрогелевые покрытия отмывали в воде при 75°С (соотношение гидрогеля и воды 1:3) на протяжении 7 суток, высушивали при 40°С, упаковывали в полимерную пленку и стерилизовали.

Весьма активно развивается направление радиационного синтеза гидрогелей на основе водорастворимых мономеров или полимеров, которое можно разделить на применение излучения с высокой энергией (г-радиация, электронный луч) и фотосшивание в водных растворах под воздействием УФ излучения (ртутные лампы). Достоинством такого способа авторы [82 17 7] считают отсутствие инициаторов или сшивающих агентов, которые являются главным образом нежелательными добавками, подлежащими отмывке.

Rosiak и сотр. [83, 84 18, 19 12, 13] представили успешную методологию производства гидрогеля для перевязочных материалов, основанную на воздействии высокоэнергетической радиации (5-50 кГр) на водные растворы ПВП, ПВС или ПЭГ, агара. В результате они получили прозрачные листы толщиной в несколько миллиметров, содержащие более 90 % воды. Доля геля в таких материалах зависит от дозы облучения, концентрации ПВП и соотношения (ПЭГ). Так, при концентрации ПВП 4 и 10 мас.% и изменении соотношения ПВС:ПВП от 40:60 до 90:10 водопоглощение полученных гидрогелей изменялось с 45 до 250 % и с 94 до 160 % [84 19 13]. Материалы на основе полученных гидрогелей выпускаются как перевязочные материалы для ран, под торговой маркой HDR® и AQUAGEL®.

Получение гидрогелей для раневых перевязок проводили [85 20 14] также из смеси Aloe vera, ПВС и ПВП (ПВА:ПВП = 6:4, Aloe vera 0.4-1.2 % от массы сухой композиции, вода 85%) под воздействием циклов таяние-замораживание и г-радиации дозой 25, 35 и 50 кГр, или в двухступенчатом процессе при действии г-радиации и таяния-замораживания.

В работах бразильских исследователей [86-88 21-23 15-17] развивается направление получения гидрогелей на основе ПВП путем фотосшивки в водном растворе с использованием ртутной лампы низкого давления (л_em=254 нм). Доказано [86 21 15], что полученный таким образом продукт имеет микро- и макроскопические свойства, подобные гидрогелям, произведенными высокоэнергетической радиацией, поэтому данный метод является успешной альтернативой применению высокоэнергетической радиации. Для ускорения процесса сшивки было предложено введение в раствор пероксида водорода [87 22 16] и использование системы Н₂О₂ - Fe²⁺ [88 23 17].