СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНО-СОЛЕВЫХ ДИСПЕРСИЙ ФУЛЛЕРЕНА
METHOD FOR PRODUCTION OF FULLERENE WATER-SALT DISPERSIONS

Изобретение относится к химической и фармацевтической промышленности и касается способов получения стабильных водных растворов фуллерена, пригодных для использования в медицине, например, для лечения заболеваний, связанных с воспалением и окислительным стрессом, таких как аллергия, астма, дерматиты, ишемические болезни, радиационные поражения.
60
60
Известно, что немодифицированный фуллерен С обладает сильной электроноакцепторной активностью и способен инактивировать свободные радикалы и активные формы кислорода (АФК) [Krustic P.J., Wasserman Ε., Keizer P.N. et al. Radical reactions of C60. Science, 1991; 254: 1183-1185]. Эксперименты на животных показывали, что фуллерен способен снижать аллергические реакции, ослаблять анафилактический шок и дегрануляцию тучных клеток, ведущих к выбросу эффекторов воспаления, и он имеет хорошие перспективы как препарат против атопического дерматита и в качестве ранозаживляющего средства [Magoulas G.Ε., Garaelis T., Athanassopoulos C.M et al. Synthesis and antioxidative/anti-inflammatory activity of novel fullerene-polyamine conjugates. Tetrahedron, 2012; 68(35): 7041-7049; Yudoh K., Karasawa R., Masuko K., Kato T. Water-soluble fullerene (C60) inhibits the development of arthritis in the rat model of arthritis. International Journal of Nanomedicine, 2009; 4: 217-225; Башкатова E.H., Андреев С.М., Шершакова Н.Н., Бабахин А.А., Шиловский И.П., Хаитов М.Р. Изучение модулирующей активности производных фуллерена С на реакцию гиперчувствительности замедленного типа. Физиология и патология иммунной системы, 2012; 2: 17-27]. Известна его заметная антиэйджинг-активность, так введение фуллерена в диету животных позволяло существенно продлевать срок их жизни [Baati T., Bourasset F., Gharbi Ν., Njim L., Abderrabba M., Kerkeni Α., Szwarc H., Moussa F. The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60] fullerene. Biomaterials, 2012, 33, 4936-4946].
60
Большинство способов образования стабильных ВРФ основано на переносе фуллерена из органического раствора (бензол, толуол, тетрагидрофуран) в водную фазу с применением ультразвука с одновременным удалением органического растворителя в процессе нагрева, либо с помощью вакуума, либо продувкой раствора инертным газом [Deguchi Sh., Mukai S.-A. Top-down preparation of dispersions of C60 nanoparticles in organic solvents. Chemistry Letters, 2006; 35(4): 396-397; Andrievsky G.V., Kosevich M.V., Vovk O.M., Shelkovsky V.S., Vashcenko L.A. On the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes. J. Chem. Soc, 1995, 12, 1281-128215]. В результате образуется коллоидный раствор от желтого до бордово-коричневого цвета, содержащий гидратированные кластеры из молекул С или нанокристаллы фуллерена, размер которых зависит от особенностей метода и колеблется в нанометровом диапазоне (10-1000 нм).
60
60
60
Наиболее известным способом получения ВРФ является метод с заменой растворителя в органическом растворе фуллерена, где происходит последовательное разбавление/замена хорошего растворителя для фуллерена (бензол, толуол, хлорбензол) гидрофильным растворителем (ацетон, тетрагидрофуран) и затем водой. Органический растворитель постепенно вытесняется путем продувки смеси инертных газов, упариванием и/или интенсивной ультразвуковой обработкой, обеспечивающей нагрев системы [Мчедлов-Петросян Н.О. Растворы фуллерена С: коллоидный аспект. Хiмiя, фiзика та технологiя поверхнi, 2010, Т. 1, №1, 19-37 г.]. Указанные органические растворители, особенно ароматические, являются токсичными и биологически несовместимыми веществами. Несмотря на манипуляции по их удалению практически трудно полностью избавиться от них ввиду их специфического (π-стэкинг) взаимодействия с молекулами фуллерена [Konarev D.V., Litvinov A.L., Kovaltvsky A.Yu., Drichko N.V., Coppens R.N., Lubovskaya R.N. Molecular complexes of fullerene C60 with aromatic hydrocarbons: Crystal structures of (ТРЕ)2С and DPA⋅C. Synthetic Metals, 2003, 133-134, 675-677].
Известны также способы получения ВРФ путем прямого механического диспергирования порошка фуллерита (кристаллы фуллерена) в водной среде, часто его сочетают с растиранием фуллерена в ступке и озвучиванием [Labille J., Brant J.Α.,  F., Pelletier M., Wiesner M.R., Bottero J.-Y. Affinity of C60 fullerenes with water. Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures, 2006, 14(2-3): 307-14]. Такой способ имеет довольно малую эффективность, требует очень длительного перемешивания (от нескольких суток до многих месяцев), а выход фуллерена в раствор очень низкий.
60
60
Еще один способ - образование водорастворимых нековалентных комплексов между фуллереном и амфифильным полимером. Наиболее известный пример - комплекс С с поливинилпирролидоном (ПВП), который также получают через совместное растворение обоих компонентов в органическом растворителе (толуол), его упаривание и растворение остатка в воде. Водные дисперсии С/ПВП окрашены в желто-коричневые цвета, а содержание фуллерена в них достигает максимум 0,5-1%, в зависимости от условий получения и молекулярной массы ПВП. Показано, что такие дисперсии проявляют антиоксидантную активность, сравнимую с чистым фуллереном [Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. СПб: Росток; 2006; Yamakoshi Y.Ν., Yagami T., Fukuhara K., Sueyoshi S., Miyata N. Solubilization of fullerenes into water with polyvinylpyrrolidone applicable to biological tests. J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1994; 517-518]. Однако эффективность солюбилизации фуллерена этим методом довольно умеренная [Torres V.M., Posa M., Srdjenovic В., Simplicio A.L. Solubilization of fullerene C60 in micellar solution of different solubilizers. Colloid and Surfaces B:Biointerfaces, 2011, 82, 46-53] и, кроме того, показано, что ПВП не обладает некоторой токсичностью при парентеральном введении.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) также применялись для солюбилизации фуллерена с образованием мицеллярных растворов. В то же время показано, что ионные и неионные ПАВ (Твин) ухудшают антиоксидантную активность фуллерена, лишь Тритон Х-100 позволяет сохранять его активность на уровне свободного фуллерена [Torres V.M., Posa M., Srdjenovic В., Simplicio A.L. Solubilization of fullerene C60 in micellar solution of different solubilizers. Colloid and Surfaces В: Biointerfaces, 2011, 82, 46-53].
Одним из наиболее характерных свойств фуллерена является склонность к агрегации [Безмельницын В.Н., Елецкий А.В., Окунь М.В. Фуллерены в растворах. Успехи физ. наук, 1998, 168: 1195-1120; Yuriy I. Prylutskyy Y.I., Buchelnikov A.S., Voronin D.P., Kostjukov V.V., Ritiere U., Parkinson J.A., Evstigneev M.P. C60 fullerene aggregation in aqueous solution. Phys Chem Chem Phys 2013, 15(23): 9351-60]. При этом свойства получаемых ВРФ, размер частиц, дзета-потенциал, временная стабильность, рН коагуляции и др. зависят от метода их приготовления. Наличие отрицательного заряда на поверхности фуллереновых кластеров играет важную роль в стабилизации его водных дисперсий, при существенном изменении рН и ионной силы среды фуллерен в растворе легко агрегирует и осаждается. Высушивание дисперсии ведет к потере водной растворимости оставшегося фуллеренового материала.
Существенным недостатком известных способов получения ВРФ является невозможность добавления в них солей с целью получения растворов, изотоничных плазме крови, безопасных в отношении парентерального (внутривенного или внутримышечного) введения. Например, смешивание ВРФ с физиологическим раствором (ФР) (0.9% NaCI) или фосфат-солевым буфером (ФСБ) ведет к образованию осадков из частиц фуллерена по причине нейтрализации отрицательного заряда на частицах в солевой среде. Очевидно, что такие дисперсии опасно вводить внутривенно. Кроме того, анализ клеточной токсичности таких ВРФ невозможно проводить, поскольку клетки-мишени всегда присутствуют в солевых средах.
Известен метод получения дисперсии фуллерена в среде ФСБ, где фуллерен и мембранный липид, кефалин, растворяют в бензоле и хлороформе, смесь упаривают и остаток диспергируют в ФСБ с помощью ультразвука. Стабильность такого ВРФ составляет около 2 недель [RU 2162819: «Способ получения водорастворимых производных фуллеренов»]. Недостатком этого изобретения является использование токсичных растворителей, применение ультразвука (см. ниже), кроме того, авторы не приводят значения концентраций фуллерена в получаемых растворах, отсутствуют спектральные данные.
Настоящее изобретение имеет целью решить проблему получения водных растворов фуллерена, устойчивых в присутствии солей, пригодных для медицинских целей. Механизм нестабильности дисперсии фуллерена в водной среде с достаточно высокой концентрацией ионов связан нейтрализацией отрицательного заряда на поверхности наночастиц, что снижает силы отталкивания между ними. Для устранения этого феномена предлагается заблокировать взаимодействие солевых ионов с наночастицами путем их покрытия (защиты) неионным нетоксичным биосовместимым амфифильным полимером. Такой полимер должен иметь гидрофобный блок (ГФБ) и гидрофильный блок (ГФЛ), и эффективность защиты будет определяться их балансом. На первой стадии готовится раствор фуллерена в N-метилпирролидоне (МП), который затем разбавляется водным раствором амфифильного полимера, и затем проводят исчерпывающий диализ против водного раствора соли, например против ФР или ФСБ. В результате частицы фуллерена оказываются в солевом растворе. Стабильность ВРФ в зависимости от ионной силы и времени хранения является важным параметром. Например, для внутривенного введения достаточно, чтобы дисперсия ВРФ была стабильна в течение по крайней мере 1-5 часов после ее приготовления.

х
у
х
60
70
В качестве биосовместимого амфифильного неионного полимера предлагается использовать блочный сополимер Плуроник (Pluronic): НО-(оксиэтилен)-(оксипропилен)-(оксиэтилен)-Н, где x - количество гидрофильных звеньев в молекуле, а у - гидрофобных. Гидрофобное звено располагается в центре, за счет чего полимер обладает амфифильными свойствами. Плуроники с различным содержанием x и у характеризуются специфическим гидрофильно-липофильным балансом, и все они при определенной концентрации образуют мицеллы (критическая концентрация мицеллообразования, ККМ). Плуроники применяли как адъювант для стимуляции иммунного ответа, для усиления трансфекции и транспорта генов в клетки [Kabanov A.V., Lemieux P., Vinogradov S., Alakhov V. Pluronic block copolymers: novel functional molecules for gene therapy. Adv. Drug Rev., 2002, 54: 223-233]; для стабилизации окиси графена и углеродных нанотрубок в солевом растворе [Hong B.J., Compton О.С, An Ζ., Eryazici I., Nguyen S.T. Successful stabilization of graphene oxide in electrolyte solutions: enhancement of biofunctionalization and cellular uptake. ACS Nano, 2011, 6: 63-73]; как вспомогательное средство для перевода кристаллического фуллерена в водный раствор под действием ультразвука [Aich Ν., Boateng L.K., Flora J.R.V., Saleh N.B. Preparation of non-aggregating aqueous fullerens in higly saline soilutions with a biocompatible non-ionic polymer. Nanotechnology, 2013, 24, 395602, doi:10.1088/0957-4484/24/39/395602]. Данная публикация [Aichi N. и соавт., 2013] описывает получение водных дисперсий фуллерена С и С с помощью ультразвуковой обработки кристаллического фуллерена в присутствии плуроника F-127. К сожалению, авторы не приводят выходы и концентрации фуллерена в получаемых дисперсиях.
60
Методы с использованием ультразвука обладают большим недостатком: их практически трудно точно воспроизвести, многое зависит от мощности установки, времени обработки, геометрии зоны, подвергаемой воздействию, от температуры среды, цикличности воздействия и т.п. Поэтому применение ультразвуковой обработки для дробления частиц, используемой во всех известных методах получения nC, всегда вносит неопределенность в протокол метода, что влияет на эффективность диспергирования. Кроме того, некоторые режимы могут приводить к окислению фуллерена и генерации свободных радикалов.
Наиболее близким аналогом к описываемому изобретению является «Способ получения водных нанодисперсий фуллерена» (RU 2548971), где не используются токсичные растворители и ультразвук. Он включает получение раствора фуллерена в N-метилпирролидоне (МП), смешение его с водой в присутствии аминокислотного стабилизатора, с последующим исчерпывающим диализом против деионизованной воды. Однако существенным недостатком этого способа является нестабильность такой дисперсии в присутствии солей, так образование осадков наблюдается сразу при смешивании ее с ФР или ФСБ. Диализ против этих же сред также приводит к агрегации и осаждению фуллерена.
Технически поставленная задача достигается тем, что аналогично способу RU 2548971 вначале получают раствор фуллерена в МП. Однако в отличие от указанного способа далее раствор фуллерена в МП смешивают с раствором плуроника в воде (дистиллированной, деионизованной) или в солевом растворе (ФР или ФСБ). Затем проводят исчерпывающий диализ полученной смеси против солевого раствора, ФР или ФСБ. В результате получают дисперсию красно-оранжевого цвета, устойчивую по крайней мере в течение 30 суток.
60
Стабильность получаемой дисперсии сильно зависит от используемой марки плуроника (таблица 1). Так, при использовании марок плуроника F-68, L-61 и L-64 агрегация и осаждение фуллерена происходит уже в процессе диализа. В то же время агрегации фуллерена при использовании плуроников F-127 и L-121 не происходит, формируются стабильные растворы, которые легко проходят через поры 0,45 мкм фильтра. Выбранное соотношение объемов С:плуроник влияет на конечную концентрацию фуллерена. Например, при соотношении 1:2 при использовании плуроника F-127 конечная концентрация составляет 82 мкг/мл, тогда как для 1:1 она составляет 122 мкг/мл. Однако при использовании плуроника L-121 последнее соотношение приводит к агрегации фуллерена.
Спектры поглощения (УФ-ВИД-спектры) полученных растворов демонстрируют характерные профили (рисунки 1-3), типичные для водных растворов фуллерена, полученных другими способами. Полосы поглощения с максимумами при 205-215, 263-265, 340-343 и широкой слабой полосой между 400-500 нм свидетельствуют о присутствии в растворе кластеров фуллерена [Mchedlov-Petrossyan N.О. Fullerenes in Liquid Media: An Unsettling Intrusion into the Solution Chemistry. Chem. Rev., 2013, 113(7), 5149-5193].
Способ получения водно-солевых дисперсий фуллерена в соответствии с изобретением иллюстрируется таблицей 1 и рисунками 1-8, где представлены:
60
Таблица 1. Получение и состояние растворов фуллерена С до и после диализа в присутствии различных марок плуроника.
60
Рис. 1. УФ-Вид спектр дисперсии фуллерена С/Pluronic F-127/вода (1:2) разбавлен в 10 раз.
60
Рис. 2. УФ-Вид спектр дисперсии фуллерена С/Pluronic L-121/вода (1:2) разбавлен в 10 раз.
60
Рис. 3. УФ-Вид спектр дисперсии фуллерена С/Pluronic F-127/вода (1:1) разбавлен в 10 раз.
60
Рис. 4. УФ-Вид спектр дисперсии фуллерена С/Pluronic F-127/вода (2:1) разбавлен в 10 раз.
60
Рис. 5. УФ-Вид спектр дисперсии фуллерена С/Pluronic F-127/ФСБ (1:1) разбавлен в 10 раз.
60
Рис. 6. УФ-Вид спектр дисперсии фуллерена С/Pluronic F-127/вода (5:1) разбавлен в 10 раз.
60
Рис. 7. Фото дисперсии фуллерена С, полученной с использованием плуроника F-127/вода (соотношение 1:2).
60
Рис. 8. Фото дисперсии фуллерена С, полученной с использованием плуроника F-127/вода (соотношение 1:1).
Ниже приведена общая методика получения водно-солевой дисперсии фуллерена в присутствии плуроника с примерами 1-12.
Примеры 1-12 (см. таблицу 1)
60
60
60
60
20 мг кристаллического фуллерена С (99.9%, SES Research, catalog #600-9969, USA) растворяют в 25 мл N-метилпирролидона (МП), раствор перемешивают на магнитной мешалке сутки до полного растворения фуллерена. Полученный раствор С/МП темно-фиолетового цвета фильтруют через 3 мкм стекловолоконный фильтр. Затем к фильтрату С/МП добавляют 0.04% раствор плуроника в дистиллированной воде или в фосфатно-солевом буфере (ФСБ) при объемном соотношении, указанном в таблице 1, при постоянном перемешивании. Цвет получаемых растворов меняется от темно-фиолетового до красно-оранжевого, также наблюдается легкая опалесценция. Раствор перемешивают на магнитной мешалке приблизительно час и затем подвергают исчерпывающему диализу против фосфатно-солевого буфера (ФСБ) или физиологического раствора (ФР). Для диализа используют диализные мембраны SpectraPor с порами отсечки 6-8 кДа, смену воды производят 4-5 раз через каждые 5-6 часов. После диализа растворы имеют цвет от желто-оранжевого до красно-коричневого в зависимости от концентрации и УФ-Вид-спектр, характерный для растворов фуллерена С.
60
По аналогичной схеме получены дисперсии С, где изменены весовые соотношения плуроника к фуллерену (Таблица 1).
60
340
Для расчета концентрации фуллерена в растворе используют УФ-Вид спектрофотометрию на основе молярной экстинкции фуллерена С при 340 нм, ε=46452.