водная система, содержащая супрамолекулярные каликсареновые наноконтейнеры, и способ ее получения
Классы МПК: | C07C43/23 содержащими оксигруппы или металл-кислородные группы B01J13/00 Коллоидная химия, например способы получения коллоидов или их растворов, не отнесенные к другим классам, изготовление полых пластмассовых шариков или микрокапсул A61K9/00 Медицинские препараты, характеризуемые специальными физическими формами |
Автор(ы): | Антипин Игорь Сергеевич (RU), Захарова Люция Ярулловна (RU), Соловьева Светлана Евгеньевна (RU), Валеева Фарида Гарафеевна (RU), Воронин Михаил Александрович (RU), Володина Тамара Ивановна (RU), Штырлин Юрий Григорьевич (RU), Бадеев Юрий Владимирович (RU), Сафина Гульназ Дамировна (RU), Зобов Владимир Васильевич (RU), Коновалов Александр Иванович (RU) |
Патентообладатель(и): | Учреждение Российской академии наук Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-12-27 публикация патента:
27.07.2009 |
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к водной системе, содержащей супрамолекулярные каликсареновые наноконтейнеры для солюбилизации активных ингредиентов. При этом в качестве каликсаренов используют соединения общей формулы
,
где R = трет-бутил, изо-нонил, n=4, 6, 8, 9, 10, 12, 16, 20, при концентрации указанных каликсаренов 1·10-6-1·10-1 моль/л. Кроме того, изобретение относится к способу получения предлагаемой водной системы, включающему смешение каликсаренов с водой при концентрации 1·10-6-1·10-1 моль/л, при комнатной температуре. Заявляемая водная система с размером наноконтейнеров от 4 до 195 нм способна солюбилизировать активные ингредиенты - лекарственные препараты, аминокислоты, красители и пестициды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Формула изобретения
1. Водная система, содержащая супрамолекулярные каликсареновые наноконтейнеры для солюбилизации активных ингредиентов, отличающаяся тем, что в качестве каликсаренов используют соединения общей формулы
где R = трет-бутил, изо-нонил, n=4, 6, 8, 9, 10, 12, 16, 20, при концентрации указанных каликсаренов 1·10 -6-1·10-1 моль/л.
2. Водная система по п.1, отличающаяся тем, что супрамолекулярные наноконтейнеры имеют размер от 4 до 195 нм.
3. Водная система по п.1, где в качестве активных ингредиентов используют лекарственные препараты, аминокислоты, красители, пестициды.
4. Способ получения водной системы, содержащей супрамолекулярные каликсареновые наноконтейнеры, где в качестве каликсаренов используют соединения общей формулы
где R = трет-бутил, изо-нонил,
n=4, 6, 8, 9, 10, 12, 16, 20,
включающий смешивание указанных каликсаренов с водой в концентрации 1·10-6-1·10 -1 моль/л при комнатной температуре.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно разработке водных систем, содержащих наноконтейнеры на основе каликс[4]аренов, которые могут быть использованы для солюбилизации и транспорта диагностических, косметических, фармацевтических и пестицидных препаратов. Достижения современной фармакологии связаны не только с разработкой новых препаратов, но и созданием новых лекарственных форм и технологий их получения. Многие лекарственные препараты используются в виде микроэмульсий или суспензий, т.е. в виде гетерогенных или микроразмерных систем, что может привести к закупорке капилляров - эмболии. Использование для биотранспорта систем, содержащих наноразмерные агрегаты, способные солюбилизировать (контейнировать) биопрепараты, позволяет занять оптимальную нишу между практикуемым в большинстве случаев молекулярным раствором и микроразмерными системами (микроэмульсии, суспензии). Биодоступность субстанций возрастает в несколько раз при переходе от обычных порошков к наноразмерным системам. Важное преимущество контейнированных лекарственных форм - постепенное высвобождение лекарственного вещества, содержащегося в них, что увеличивает время его действия. Кроме того, вещество, заключенное в наноконтейнеры, защищено от воздействия ферментативной деструкции ферментов, что увеличивает эффективность препаратов, подверженных биодеструкции в биологических жидкостях. Таким образом, контейнирование лекарственных препаратов позволяет с одной стороны прогнозировать пролонгирование их действия по сравнению с обычными растворами и порошками, с другой стороны - увеличение биосовместимости и проницаемости биомембран по сравнению с микроразмерными препаратами. [1. Y.Bael, and K.Kataoka. Significant enhancement of antitumor activity and bioavailability of intracellular pH-sensitive polymeric micelles by folate conjugation // Journal of Controlled Release Volume 116, Issue 2, 28 November 2006, Pages e49-e50. 2. Nishiyama N., Bae Y., Miyata K., Fukushima S. and Kataoka K. Smart polymeric micelles for gene and drug delivery // Drug Discovery Today: Technologies Volume 2, Issue 1, Spring 2005, P.21-26. 3. Glen S. Kwona and Teruo Okano. Polymeric micelles as new drug carriers // Advanced Drug Delivery Reviews Volume 21, Issue 2, 16 September 1996, Pages 107-116. 4. Yessine M.A, Couffin A.C, Roux E and Leroux J.C. Stimuli-responsive nanocontainers to improve the bioavailability of biomacromolecules and drugs //Second Quebec workshop on nanoscience and nanotechnology, Montreal, Canada, 2002. 5. Jones M C, Tewari P, Blei C, Halles K, Pochan DJ and Leroux JC. Self-assembled nanocages for hydrophilic guest molecules // J Am Chem Soc 2006; 128:14599-14605].
Для получения наноразмерных частиц, способных капсулировать активные субстраты, широко используется мицеллярная полимеризация мономеров производных акриловой кислоты [BE 808034, опубл. 1974.03.15; BE 839748, опубл. 1976.09.20; RU 2145498, опубл. 2000.02.20], а также алкилцианоакрилатов [BE 869107, опубл. 1979.01.19; FR 2504408, опубл. 1982.10.29; US 6881421, опубл. 2005.04.19]. В этом процессе трудно контролировать размер образующихся полимерных молекул, возникает необходимость удаления из системы мономеров, олигомеров и катализатора.
Биоразлагаемость циклодекстринов привлекла внимание исследователей в плане использования их модифицированных производных в качестве базового материала при получении наносферических частиц [US 5718905, опубл. 1998.02.17; FR 2681868, опубл. 1993.04.02]. Однако синтез этого класса соединений сложный и дорогостоящий.
Новый класс наносистем на основе модифицированных каликсаренов общей формулы I с размером частиц
50-500 нм, диспергированных в водной фазе и предназначенный для солюбилизации (контейнирования) активных ингредиентов, описан в ЕР 1293248, опубл. 19.03.2003 (прототип). Предложен также способ получения дисперсной коллоидной системы, включающий растворение каликсарена в органическом растворителе, объединение этой органической фазы с водной фазой в определенном объемном соотношении и интенсивное перемешивание. При этом хотя бы одна фаза содержит ПАВ. Активный субстрат может находиться в органической или водной фазе.
Следует отметить, что предложенные каликсарены не растворимы в воде, достаточно сложны по структуре и, следовательно, не прост метод их синтеза. Кроме того, способ получения коллоидной системы включает применение ПАВ, стадию растворения каликсарена в органическом растворителе, применение которых для биологических целей нежелательно, а также приводит к удорожанию продукции.
Создание новых наносистем на основе нетоксичных и доступных (т.е. промышленных) соединений, которые могут найти применение для различных медицинских, биологических, ветеринарных, косметических и диагностических целей является на сегодняшний день актуальной задачей.
Изобретение относится к новым водным системам, включающим наноконтейнеры, образованные полиоксиэтилированными каликс[4]аренами общей формулы II:
где R = трет-бутил, изо-нонил
n=4, 6, 8, 9, 10, 12, 16, 20;
в концентрационном интервале 1·10-6-1·10-1 моль/л.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в способности полиоксиэтилированных каликс[4]аренов образовывать наноконтейнеры в водной среде, обладающие свойством солюбилизировать активные ингредиенты.
Технический результат достигается заявляемой системой, образованной полиоксиэтилированными каликсаренами формулы II при их смешивании с водой при концентрации каликсаренов 1·10-6-1·10-1 моль/л. При добавлении к образовавшейся супрамолекулярной наносистеме активных ингредиентов происходит их солюбилизация (контейнирование).
Полиоксиэтилированные каликс[4]арены формулы II, описанные ранее [US 40332514, опубл. 1977.06.28; US 4259464, опубл. 1981.03.31], получали известным способом - циклической тетрамеризацией пара-замещенных трет-бутил- или изо-нонилфенолов в ксилоле с последующей анионной полимеризацией окиси этилена. Продукты реакции нейтрализовали фосфорной кислотой, отфильтровывали от выпавших солей, растворитель удаляли в вакууме водоструйного насоса. Полученные соединения охарактеризовывали методом гель-проникающей хроматографии и гидроксильными числами, определенными по ГОСТ 25261-82. Использовали п-третбутилфенол (ТУ 2425-438-05742686-99) производства ЗАО "Стерлитамакский НХЗ" и нонилфенол (ТУ 38.602-09-20-91) производства ОАО "Нижнекамскнефтехим". Образование наноконтейнеров в водной системе, их размер и полидисперсность определяли методами тензиометрии, динамического светорассеяния, атомно-силовой микроскопии [А.И.Гусев. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии, Физматлит, 2005, 416 с.; Binnig G., Quate C.F., Gerber H. Atomic force microscope, Phys. Rev. Lett., 1986. V.56, № 9, P.930; В.И.Баранова, Е.Е.Бибик, H.М.Кожевников, И.С.Лавров, В.А.Малов, Практикум по коллоидной химии, М.: Высшая школа, 1983. 215 с.; Norman A.Mazer, George В.Benedek, Martin С.Carey, J. Phys. Chem.; 1976; 80(10); 1075-1085].
Приводим конкретные примеры осуществления изобретения
Пример 1. Получение системы, содержащей супромолекулярные каликсареновые наноконтейнеры
Растворяют 12,2 г (0,005 моль) каликсарена формулы II, где n=8, R = изононил, в 50 мл дистиллированной воды и перемешивают в течение 1 часа при комнатной температуре. Получают систему с концентрацией каликсарена 0,1 моль/л. Образование наноразмерных агрегатов подтверждают методами тензиометрии и динамического светорассеивания. Образующаяся система, содержащая супрамолекулярные наноконтейнеры, стабильна в течение длительного времени (не менее 12 месяцев), так как контролирование ее в течение этого срока методом динамического светорассеяния дает воспроизводимые результаты (радиус, полидисперсность). Системы с более низкими концентрациями вышеназванного каликсарена (С=1×10-4 ; 2,7×10-4 моль/л, см. табл.1), получают:
а) разбавлением 0,1 моль/л раствора до необходимых концентраций
б) растворением соответствующей навески в дистиллированной воде без перемешивания или при легком встряхивании в течение 1-5 мин при комнатной температуре.
Повышение температуры приводит к сокращению времени образования наносистемы.
Системы с другими каликсаренами формулы II получают аналогично примеру 1.
Результаты по образованию систем на основе различных каликсаренов, взятых при различных концентрациях, приведены в таблице 1.
Таблица 1 | |||||
Размеры наноконтейнеров в диапазоне концентраций каликс[4]аренов 1×10-6-1×10-1 моль/л | |||||
№ | Структура каликсарена | Концентрация (моль/л) | Радиус (нм) | полидисперсность | |
R | n | ||||
1 | C4H9 | 6 | 0.000001 | 90.0 | 0.34 |
2 | C4H9 | 6 | 0.0005 | 195.5 | 0.21 |
3 | C4H9 | 10 | 0.0001 | 104.3 | 0.19 |
4 | C4H9 | 10 | 0.001 | 145.7 | 0.31 |
5 | C4H9 | 16 | 0.00005 | 84.2 | 0.27 |
6 | C9H19 | 16 | 0.00001 | 77.7 | 0.33 |
7 | C9H19 | 4 | 0.0021 | 5.2 | 0.41 |
8 | C9H19 | 4 | 0.0084 | 5.5 | 0.37 |
9 | C9H19 | 8 | 0.0001 | 14.3 | 0.45 |
10 | C9H19 | 8 | 0.0027 | 9.5 | 0.58 |
11 | C9H19 | 9 | 0.0079 | 5.3 | 0.38 |
12 | C9H19 | 9 | 0.016 | 5.1 | 0.55 |
13 | C9H19 | 12 | 0.05 | 4.1 | 0.75 |
14 | C9H19 | 12 | 0.1 | 8.8 | 0.69 |
15 | C9H19 | 16 | 0.002 | 4.1 | 0.43 |
16 | C9H19 | 20 | 0.003 | 5.1 | 0.39 |
Данные таблицы 1 показывают, что в диапазоне концентраций 0.000001-0.1 моль/л каликс[4]аренов общей формулы II образуются наноконтейнеры с радиусом 4-200 нм и полидисперсностью 0.21-0.75.
Пример 2. Определение устойчивости системы, содержащей супрамолекулярные каликсареновые наноконтейнеры.
Систему, полученную по примеру 1, подвергают стерилизации в автоклаве при 110°С в течение 15 мин. Средний размер частиц остается в наноразмерном диапазоне. При замораживании системы размер частиц также сохраняется.
Данные по солюбилизации активных ингредиентов приведены в таблице 2.
Пример 3. Солюбилизация лекарственных препаратов.
К водной системе, полученной по примеру 1, добавляют 0.03-0.07 моль/л лекарственного препарата (анальгин, стрептоцид, димефосфон). Средний размер частиц сохраняется в наноразмерном диапазоне. Степень солюбилизации для водонерастворимых препаратов (например, стрептоцид) определяют визуально, по переходу от гетерофазной системы к прозрачному водному раствору. В случае водорастворимых препаратов (глюконат кальция, ксимедон, анальгин) количественный и качественный уровень солюбилизации определяют по изменению спектральных характеристик (UV-vis, ИК-, ЯМР-спектроскопия).
Пример 4. Солюбилизация фосфорорганических пестицидов и продуктов их разложения.
К водной системе, полученной по примеру 1, добавляют при перемешивании 0.01-0.08 моль/л пестицидов или их аналогов и продуктов разложения (метафос, армин, п-нитрофенол). Средний размер частиц сохраняется в наноразмерном диапазоне.
Пример 5. Солюбилизация аминокислот.
К водной системе, полученной по примеру 1, добавляют 0.001-0.085 моль/л аминокислоты. Средний размер частиц сохраняется в наноразмерном диапазоне.
Пример 6. Солюбилизация красителей.
К супрамолекулярной системе, полученной по примеру 1, добавляют 0.02-0.03 моль/л индикатора или красителя (метиловый-оранжевый, метиленовый-голубой). Средний размер частиц сохраняется в наноразмерном диапазоне.
Полученная водная система, содержащая наноконтейнеры и солюбилизированный краситель, анализируется методом UV-vis спектроскопии, позволяющим оценить смещение полосы поглощения красителя в составе наноконтейнера по сравнению с водным раствором. Такая же процедура применяется для соединений, содержащих ионогенные группы, в частности, п-нитрофенол. Величина смещения полосы поглощения коррелирует с константами связывания соединений и соответствует 10-95% связыванию препаратов в наноконтейнерах.
Таблица 2 | |||||||
Количественные параметры, характеризующие изменение размера наноконтейнеров на основе полиоксиэтилированных каликсаренов, после солюбилизации активных ингредиентов | |||||||
№ | Структура каликсарена | Концентрация каликсарена (моль/л) | Препарат | Концентрация препарата (моль/л) | Радиус (нм) | ||
R | n | Без препарата | С препаратом | ||||
1 | трет. С4 H19 | 6 | 0.00001 | D,L-фенилаланин | 0.001 | 92 | 101 |
2 | трет. С4Н 9 | 6 | 0.0005 | D,L-валин | 0.085 | 196 | 211 |
3 | трет. С4Н9 | 10 | 0.0005 | D,L-валин | 0.085 | 147 | 150 |
4 | трет. С4Н 9 | 16 | 0.005 | D,L-лейцин | 0.084 | 41 | 57 |
5 | изо-C9H19 | 4 | 0.0004 | D,L-триптофан | 0.039 | 115 | 113 |
6 | изо-C9H 19 | 12 | 0.01 | малахитовый зеленый | 0.02 | 8.5 | 8.3 |
7 | изо-C9H 19 | 16 | 0.008 | D,L-аргинин | 0.067 | 95.5 | 85.6 |
8 | изо-C9H 19 | 20 | 0.03 | п-нитрофенол | 0.08 | 10.5 | 18.2 |
9 | изо-C9H 19 | 8 | 0.002 | стрептоцид | 0.048 | 13.8 | 14.5 |
10 | изо-C9H19 | 8 | 0.002 | ксимедон | 0.065 | 13.8 | 10.3 |
11 | изо-C9H 19 | 8 | 0.002 | димефосфон | 0.068 | 13.8 | 10.8 |
12 | изо-C9H19 | 8 | 0.002 | новокаин | 0.047 | 13.8 | 15.4 |
13 | изо-C9H 19 | 8 | 0.002 | анальгин | 0.033 | 13.8 | 11.8 |
14 | изо-C9H19 | 8 | 0.002 | глюконат кальция | 0.035 | 13.8 | 10.6 |
15 | изо-C9H 19 | 8 | 0.002 | никетамид | 0.028 | 13.8 | 11.7 |
16 | изо-C9H19 | 8 | 0.002 | армии | 0.005 | 13.8 | 12.3 |
17 | изо-C9H 19 | 8 | 0.002 | метафос | 0.01 | 13.8 | 12.5 |
18 | изо-C9H19 | 8 | 0.002 | метиловый оранжевый | 0.031 | 13.8 | 15.0 |
19 | изо-C9H 19 | 8 | 0.002 | метиленовый голубой | 0.025 | 13.8 | 14.1 |
20 | изо-C9H 19 | 16 | 0.002 | п-нитрофенилдифенилфосфат | 0.02 | 4.0 | 4.5 |
21 | изо-C9H 19 | 9 | 0.002 | параоксон | 0.005 | 10.0 | 12.0 |
22 | изо-C9H19 | 12 | 0.1 | паратион | 0.01 | 8.8 | 9.5 |
Из данных таблицы 2 видно, что при солюбилизации активного ингредиента радиус наноконтейнеров изменяется незначительно и остается в наноразмерном диапазоне - 4-210 нм.
Используемые каликс[4]арены общей формулы II, на основе которых создана заявляемая водная система, прошли биологические испытания на острую (неспецифическую) токсичность, раздражающее и кожно-резорбтивное действие. В опытах на белых беспородных мышах в условиях внутрибрюшинного и перорального способов введения было установлено, что уровень острой токсичности оксиэтилированных каликс[4]аренов соответствует категориям «относительно безвредных» (VI класс токсичности) [Измеров Н.Ф., Саноцкий И.В., Сидоров К.К. Параметры токсикометрии промышленных ядов при однократном введении (Справочник). - М.: Медицина, - 1977. - С.196-197].
По результатам острых опытов на лабораторной партеногенетической культуре дафний (Daphnia magna Straus) изученные оксиэтилированные каликс[4]арены соответствуют категории «практически не токсичных» или безопасных веществ [Graslund S., Bengtsson В.Е. Chemicals, and biological products used in south-east Asian shrimp farming, and their potential impact on the environment // Sci. Total. Environ. - 2001. - V. 280, No. 1-3. - P.93-131].
По уровню раздражающего (ирритантного) эффекта на слизистую оболочку глаз кролика и кожу мышей изученные оксиэтилированные каликс[4]арены относятся к категориям «безопасных»; кожно-резорбтивных (системных) эффектов не отмечено [Заугольников С.Д., Кочанов М.М., Лойт А.О., Ставчанский И.И. Экспрессные методы определения токсичности и опасности химических веществ. М.: Медицина, 1978, 184 с.].
Преимущества предлагаемого технического решения:
- использование дешевых, нетоксичных, водорастворимых полиоксиэтилированных каликс[4]аренов, синтезируемых из промышленных соединений;
- простой способ получения системы, не требующий использования органических растворителей и ПАВ, так как полиоксиэтилированные каликс[4]арены обладают высокими поверхностно-активными свойствами и хорошо растворимы в воде;
- система, содержащая наноконтейнеры, представляет собой гомогенную наносистему, в отличие от суспензированных двухфазных систем в прототипе, что позволяет предотвращать закупорку капилляров и увеличивает биосовместимость контейнированных лекарственных средств.
Класс C07C43/23 содержащими оксигруппы или металл-кислородные группы
Класс B01J13/00 Коллоидная химия, например способы получения коллоидов или их растворов, не отнесенные к другим классам, изготовление полых пластмассовых шариков или микрокапсул
Класс A61K9/00 Медицинские препараты, характеризуемые специальными физическими формами