МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЕ ЩЕТКИ С БОКОВЫМИ ЦЕПЯМИ ПОЛИМЕТАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ
MOLECULAR CELLULOSE BRUSHES WITH POLYMETHACRYLIC ACID SIDE CHAINS

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно к новым соединениям спирто- и водорастворимых целлюлозных молекулярных щеток с боковыми цепями полиметакриловой кислоты.
Патенты, в которых описано использование целлюлозных материалов в качестве носителей для агентов фотодинамической терапии (ФДТ) и фотодинамической дезинфекции (ФДД), содержат данные об использовании только алкицеллюлоз и карбоксиметиллцеллюлозы и других полисахаридов.
Для лечения гнойных ран методом ФДТ в виде гидрогеля предложено средство (Патент на изобретение РФ №2530589), включающее диметилглюкаминовую соль хлорина Е6 и биорастворимый полимер. Биорастворимый полимер, представляющий собой смесь плюроника F127 и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, иммобилизован на наночастицах гидроксиапатита.
В патенте US 20100331819 А1 20101230 (Hossainy, Syed; Davalian, Darkish; Trollsas, Mikael; Stankus, John; Khong, Yuet Mei; Wan, Jinping. Drug delivery system and method of treatment of vascular diseases using photodynamic therapy // U.S. Pat. Appl. Publ. (2010), US 20100331819) описана система доставки лекарственных средств и способ лечения сосудистых заболеваний с использованием ФДТ. В аспекте данного изобретения наночастицы содержат биосовместимый, биоразлагаемый полимер, при этом полимер выбирают из группы, состоящей из декстрана, альгината, целлюлозы, гиалуронана, хитозана, коллагена, эластина, альбумина, желатина, поливинилпирролидона (ПВП), полиэтиленгликоля (ПЭГ), полимолочной кислоты, полигликолевой кислоты, поликапролактона, их сополимеров PLGA, L-PLGA, PLGA-PEG, PCL, полиангидрида, гороха, P(LLA-GA-CL), P(LA-GA-CL), P(LLA-CL) и поли(акриловой кислоты). Биосовместимый, биоразлагаемый полимер дополнительно содержит аминогруппу. Биосовместимый, биоразлагаемый полимер на внешней поверхности наночастицы модифицируют веществом, выбранным из группы, состоящей из фибронектина, коллагена, витронектина, ламинина, матригеля™, хитозана и полиакриловой кислоты. В аспекте настоящего изобретения система доставки лекарственного средства дополнительно содержит гель-носитель, в котором фармацевтическая композиция смешивается с гелем-носителем, который выбирают из группы, состоящей из гиалуроната натрия, гиалуроновой кислоты, карбоксиметилцеллюлозы, альгината натрия, целлюлозы, изкомолекулярного биосовместимого биоразлагаемого полимера, полисахаридов, ПВП и ПЭГ.
В патенте WO 2006133271 А2 20061214 (Hasan, Tayyaba. Compositions and methods relating to target-specific photodynamic therapy // PCT Int. Appl. (2006)), описаны наночастицы, содержащие полимерную оболочку и один или несколько аптамеров, прикрепленных к оболочке, причем полимерная оболочка содержит ядро фотосенсибилизатора. Полимерная оболочка выбрана из группы, состоящей из полиамидов, поликарбонатов, полиалкиленов, полиалкиленгликолей, полиалкилен оксидов, полиалкилен терефталатов, поливинилового спирта, поливиниловых эфиров, поливинилгалогенидов, ПВП, полигликолидов, полисилоксанов, полиуретанов и их сополимеров, алкил целлюлоз, гидроксиалкил целлюлоз, простых эфиров целлюлозы, сложных эфиров целлюлозы, нитро целлюлозы, поли(мет)акрилатов.
Недостаток использования целлюлозных материалов в качестве носителей для агентов ФДТ и ФДД заключается в том, что такие носители не обеспечивают высокую селективность доставки агентов ФДТ в клетки опухоли.
В последнее десятилетие активно развивающимся направлением в полимерной химии является синтез и исследование разветвленных полимерных систем с хорошо определенной структурой, носящих название "полимерных щеток" (polymer brushes). Ярким примером подобных систем являются молекулярные полимерные щетки, представляющие собой привитые сополимеры, состоящие из "скелета" основной цепи и ковалентно присоединенных к нему боковых цепей.
В работах (Yakimansky A.V., Meleshko Т.К., Ilgach D.M., Bauman М.А., Anan'eva T.D., Klapshina L.G., Lermontova S.A., Balalaeva I.V., Douglas W.E. Novel regular polyimide-graft-(polymethacrylic acid) brushes: Synthesis and possible applications as nanocontainers of cyanoporphyrazine agents for photodynamic therapy. J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 2013. V. 51. No. 20. P. 4267-4281 и Shilyagina N.Y., Peskova N.N., Lermontova S.A., Brilkina A.A., Vodeneev V.A., Yakimansky A.V., Klapshina L.G., Balalaeva I.V. Effective delivery of porphyrazine photosensitizers to cancer cells by polymer brush nanocontainers. Journal of Biophotonics. 2017. V. 10. No. 9. P. 1189-1197.) разработаны методы получения новых молекулярных щеток с основной полиимидной цепью и боковыми поливиниловыми цепями различной природы при использовании контролируемой ATRP полимеризации, синтезирован ряд высокомолекулярных мультицентровых макроинициаторов с регулируемой степенью функционализации на основе гидроксилсодержащих полиимидов. С помощью ATRP полимеризации ряда виниловых мономеров (метилметакрилата, трет-бутилметакрилата, стирола, н-бутикрилата, трет-бутикрилата) на мультицентровых полиимидных макроинициаторах синтезированы новые привитые сополиимиды с боковыми цепями как гомополимеров, так и блок-сополимеров.
Полученные полиимидные щетки, растворимые в спирте и воде, с боковыми цепями полиметакриловой кислоты могут использоваться в качестве наноконтейнеров для порфиразиновых агентов фотодинамической терапии рака и для создания нанокомпозитных мультислойных прочных оболочек полых микро- и нанокапсул для различных приложений.
В данных работах было показано, что молекулярные щетки с основной полиимидной цепью и боковыми цепями полиметакриловой кислоты обеспечивают высокую эффективность и селективность доставки агентов фотодинамической терапии, таких как цианопорфиразины в клетки различных опухолей, что было показано экспериментами in vivo и in vitro.
Задачей предлагаемого изобретения является создание нового соединения - целлюлозной щетки с боковыми цепями полиметакриловой кислоты полностью биосовместимого, следовательно, легко выводимого из организма, обладающего устойчивостью при хранении в условиях комнатной температуры, спирто- и водорастворимостью, проявляющие полиэлектролитные и амфифильные свойства.
Указанная задача решается предлагаемым изобретением - синтез целлюлозной щетки с боковыми цепями полиметакриловой кислоты осуществляемый методом контролируемой радикальной полимеризации в среде ионной жидкости: бутилметилимидозолий хлорид.
Данная работа выполнена при поддержке гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых (контракт 14.W03.31.0022).
Предлагаемые в настоящей заявке молекулярные щетки с основной целлюлозной цепью и боковыми цепями полиметакриловой кислоты обладают всеми достоинствами полиимидных щеток, но в отличие от последних, являются полностью биосовместимыми. В патентной литературе не описано применение молекулярных щеток с основной целлюлозной цепью и боковыми цепями полиметакриловой кислоты в качестве носителей для агентов фотодинамической терапии.
Способ получения молекулярной целлюлозной щетки с боковыми цепями полиметакриловой кислоты, включающий получение целлюлозного макроинициатора путем взаимодействия микрокристаллической целлюлозы с 2-бромизобутироилбромидом в среде 1-бутил-3-метилимидазолий хлорида, взаимодействие полученного макроинициатора с трет-бутилметакрилатом с использованием 1-бутил-3-метилимидазолий хлорида, бромида меди и пентаметилдиэтилентриамина, а также получение конечного продукта путем обработки сополимера целлюлозы с политрет-бутилметакрилатными боковыми цепями в хлористом метилене трифторуксусной кислотой и получают соединение общей структурной формулы:
представляющее собой порошок белого цвета, обладающего устойчивостью при хранении в условиях комнатной температуры, спирто- и водорастворимостью и реакционной способностью карбоксильных групп.
В качестве исходных компонентов используют коммерческие реактивы: микрокристаллическую целлюлозу (Aldrich) размером частиц 50 мкм, 2-бром-изобутироилбромид BiBB (Aldrich), ионную жидкость 1-Бутил-3-метилимидазолий хлорид (BMIMCl) (Aldrich), растворитель N,N-диметилформамид (ДМФА), бромид меди (I) (CuBr) (Aldrich), пентаметилдиэтилентриамин (PMDETA) (Aldrich), mpem-бутилметакрилат (ТБМА) в качестве мономера (98%, Aldrich) перед использованием дважды перегоняют в вакууме, ортофосфорную кислоту (99%, Aldrich), для кислотного гидролиза, хлористый метилен (ХЧ, Вектон), тетрагидрофуран (ТГФ) (ХЧ, Вектон), этиловый спирт, метиловый спирт (Вектон), гидроксид калия (Вектон).
Способ получения целлюлозной щетки с боковыми цепями полиметакриловой кислоты включает в себя следующие стадии:
Получение целлюлозного макроинициатора.
Синтез целлюлозного макроинициатора осуществляли по следующей схеме
Для получения макроинициатора: 0.40 г микрокристаллической целлюлозы растворяют в 10 г 1-Бутил-3-метилимидазолий хлориде при 80°С, после растворения смесь охлаждают и добавляют 0,5 г N,N-диметилформамида. С целью удаления кислорода из реакционной смеси проводят три цикла: замораживание-вакуумирование-размораживание (продолжительность вакуумирования составляет 5-15 мин), затем раствор охлаждают до 0°С на ледяной бане и в аргоновой среде медленно при постоянном перемешивании в реакционную колбу вносят 5 мл бромангидрида (2-бром-изобутироилбромида). Реакционную смесь выдерживают 12-24 часа при комнатной температуре. Полимерный продукт реакции высаживают в избыток деионизованной воды, осадок полимера отфильтровывают на фильтре Шотта и многократно промывают дистиллированной водой. Высушивают в вакууме при 40°С до постоянной массы.
Получение целлюлозной молекулярной щетки с привитыми поли трет-бутилметакрилатными цепями.
Синтез привитых сополимеров целлюлоза-прив-ПТБМА с помощью метода контролируемой радикальной полимеризации осуществляют по схеме:
В колбу Шленка объемом 25 мл, снабженную магнитным перемешивающим элементом (мешальником), помещают навеску макроинициатора 0,035 г. Колбу герметично закрывают резиновой септой, вакуумируют в течение 10 мин, после чего систему заполняют аргоном и вносят 10 г 1-Бутил-3-метилимидазолий хлорида, нагревают при постоянном перемешивании смесь до 80°С до полного растворения макроинициатора. Затем реакционную колбу немного охлаждают и в аргоновой среде добавляют 0,01 г бромида меди (I) и с помощью продутого аргоном шприца вносят пентаметилдиэтилентриамин. Смесь выдерживают 30 минут при постоянном перемешивании без доступа воздуха. С целью удаления остатков кислорода из реакционной смеси проводят три цикла: замораживание-вакуумирование-размораживание, затем предварительно отдегазированный mpem-бутилметакрилат переконденсируют в реакционную колбу. Колбу с подготовленной реакционной смесью заполняют аргоном и при перемешивании термостатируют при 80°С в масляной бане, помещенной на магнитную мешалку с регулятором температуры, в течение 2 часов. Скорость перемешивания реакционной смеси составляет 800 об/мин. Затем смесь охлаждают до комнатной температуры и оставляют при постоянном перемешивании на 24 часа и, вскрыв септу, реакционный раствор темно-вишневого цвета переносят в стакан с большим избытком дистиллированной воды. После перемешивания смеси в течение 0.5 часа для удаления солей меди, продукт полимеризации ТБМА многократно переосаждают из тетрагидрофурана в смесь метанол/вода объемного соотношения 6/1. Отфильтрованный порошок сушат в вакууме при 40°С до постоянной массы.
Получение молекулярных целлюлозных щеток с боковыми цепями полиметакриловой кислоты
Синтез привитого целлюлозного сополимера содержащего блоки полиметакриловой кислоты в боковых цепях осуществляют по схеме:
В раствор сополимера с гомополимерными ПТБМА боковыми цепями концентрации 4 мас.% в свежеперегнанном хлористом метилене вносят свежеперегнанную трифторуксусную кислоту. Реакцию проводят при комнатной температуре при постоянном перемешивании в течение 24 ч, затем растворитель выпаривают, осадок переосаждают из этилового спирта в хлористый метилен. Полимер сушат в вакууме при 40°С.
Выделение боковых цепей ПТБМА из привитых сополимеров Навеску привитого сополимера (0.1 г) растворяют в 15 мл свежеперегнанного ТГФ, затем добавляют 10 мл 5 мас.% раствора KOH в СН3ОН. Реакционную смесь выдерживают в стеклянной емкости с винтовой крышкой (Schott Duran, Germany) трое суток при 90°С. По окончании реакции, смесь нейтрализуют соляной кислотой, затем продукт концентрируют и высаживают в воду, многократно промывают осадителем (водой) и сушат при 40°С в вакууме.
Графические материалы:
1
Фиг. 1. Н ЯМР спектры макроинициатора Cell-BiB (а), целлюлоза с привитой политретбутилметакрилатом C-ptBMA (b) и целлюлоза с привитой полиметакриловой кислотой (с), снят на приборе Bruker АС-400, 400 МГц.
Фиг. 2. ИК-спектры исходной микрокристаллической целлюлозы (1), макроинициатора C-BiB (2), целлюлоза с привитой политретбутилметакрилатом C-ptBMA (3) и целлюлоза с привитой полиметакриловой кислотой (4)
Фиг. 3. Молекулярно-массовые распределения макроинициатора (красная кривая) и выделенных из полученной на нем щетки боковых цепей ПТБМА (черная кривая). Прибор: Agilent-1260 Infinity.
Фиг. 4. Распределение частиц по размерам в воде.
Фиг. 5 Распределение частиц по размерам в спирте.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем: молекулярные целлюлозные щетки с боковыми цепями полиметакриловой кислоты могут быть использованы для создания оболочек нано- и микрокапсул, применяемых для целевой доставки лекарств, а также в качестве солюбилизирующих наноконтейнеров для гидрофобных соединений, используемых в целях фотодинамической терапии и диагностики. Такие сополимеры являются перспективными для использования в медицине, биохимии, микроэлектронике и в других современных высокотехнологичных областях.