Способ получения гелей для медицинских целей на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта
METHOD OF PRODUCING GELS FOR MEDICAL PURPOSES BASED ON L-CYSTEINE, SILVER NITRATE AND POLYVINYL ALCOHOL

Изобретение относится к области получения гелей на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта, а именно к получению средств для медицинских целей.
Известно получение супрамолекулярных структур на основе серосодержащих аминокислот и солей серебра RU 2317305, опубл. 20.02.2008; RU 2432937, опубл. 10.11.2011; RU 2641111, опубл. 16.01.2018. Показан способ получения гелеобразующей системы, состоящей из аминокислоты L-цистеина и некоторых солей серебра, причем процесс гелеобразования инициируется добавлением в цистеин-серебряный раствор ряда электролитов (водных растворов различных солей металлов). Известные гидрогели тиксотропны, т.е. восстанавливают свою структуру после механического разрушения. Известным супрамолекулярным гидрогелям свойственны низкая вязкость и низкая стойкость к механическому воздействию, а известная возможность изменения эффективной вязкости геля в зависимости от концентрации добавляемого электролита весьма ограниченна.
Для преодоления низких, присущих известным супрамолекулярным гидрогелям, предлагается использовать в качестве дополнительного прекурсора водорастворимый полимер, что позволяет создать матрицу, пригодную для инкапсулирования лекарственных препаратов.
В качестве водорастворимого полимера предлагается использовать поливиниловый спирт - «дружественный» организму человека. Так известно использование гидрогелей и криогелей ПВС для адресной доставки биоактивных веществ Lozinsky V.I., Zubov A.L., Titova E.F. // Enzyme Microb. Technol. 1997. V. 20. P. 182. Однако такие системы из-за больших значений концентрации полимера ≥10% обладают сравнительно низкой степенью пористости. Известно, что поливиниловый спирт хорошо сочетается с аминокислотами, улучшая доставку веществ к сердцу и скелетной мускулатуре, т.е. способствует минимизации отторжения имплантированных материалов Lok Chum-Nam, Ho Chi-Ming, Chen Rong // J. Biol.Inorg. Chem. 2007. V. 12. P. 527. Кроме того, поливиниловый спирт может применяться в качестве заменителя плазмы при переливании крови DeMerlis C.C., Schoneker D.R. // Food Chem. Toxicol. 2003. V. 41. P. 319.
Известен ряд способов получения пористых гелей на основе ПВС. Так в RU 2328313, опубл. 10.07.2008 и RU 2543895, опубл. 10.03.1015, описан способ получения макропористых гелей ПВС путем сшивания макромолекулярных цепей в ходе полимеризации водных замороженных растворов модифицированного поливинилового спирта. Недостатками присущими известным способам получения макропористых гелей ПВС являются необходимость начальной модификации ПВС и дальнейшее проведение полимеризации при критических условиях, как и выделение токсичных веществ при их биодеградации. Известен способ получения криогеля ПВС с взаимосвязанными макропорами от 2 до 10 мкм при добавлении ионогенно - катионного, анионного или амфотерного, или неионогенного поверхностно-активного вещества RU 2252945, опубл. 27.05.2005. Недостатком этого известного способа является использование критических условий и большое количество циклов замораживания-оттаивания.
+
+
2+
2+
2+
2+
3+
2+
2+
2+
Прототипом заявляемого изобретения является способ получения супрамолекулярного гидрогеля, RU 2641111, опубл. 16.01.2018. Согласно прототипу, водный раствор L-цистеина смешивают с водным раствором ацетата серебра так, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,0 до 6,0 мМ, а отношение молярных концентраций ацетата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,23 до 1,33, далее смесь оставляют в защищенном от света месте при комнатной температуре на 4 часа для формирования L-цистеин-серебряного раствора, смешением      L-цистеин-серебряного раствора с водным раствором сульфата с катионом из ряда Na, K, Cu, Fe, Mg, Zn, Al, Ni, Со, Mn, при концентрации сульфата в смеси в пределах 0,075-0,750 мМ через определенное время, зависящее от концентрации сульфата и типа катиона, жидкая система превращается в гель.
Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что разработан способ получения гелей для медицинских целей на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта, пригодных для использования в качестве матрицы для инкапсулирования лекарственных препаратов, за счет модифицирования морфологии гелей с повышением стойкости к внешним механическим воздействиям.
+
+
2+
2+
2+
2+
Технический результат достигается тем, что смешивают водный раствор L-цистеина с водным раствором нитрата серебра так, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,5 до 4,5 мМ, а отношение молярных концентраций нитрата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,25 до 1,30, где далее смесь оставляют в защищенном от света месте при температуре на 4-12 часов для формирования L-цистеин-серебряного раствора, затем последовательно смешивают созревший L-цистеин-серебряный раствор с водным раствором поливинилового спирта, при концентрации поливинилового спирта в смеси в пределах от 1,0 до 2,0 мас. %, и водным раствором сульфата с катионом из ряда Na, K, Mg, Zn, Ni, Co, при концентрации сульфата в смеси в пределах 0,075-0,750 мМ, через определенное время, зависящее от концентрации сульфата и типа катиона, жидкая система превращается в гель.
Исследованием уровня техники установлено, что способов получения гелей для медицинских целей на основе L-цистеина, нитрата серебра и поливинилового спирта не обнаруживается.
Изобретение поясняется графическими материалами:
Фиг. 1. Вязкость гидрогеля через 1 сутки после приготовления в зависимости от концентрации поливинилового спирта.
Фиг. 2. Схема взаимодействия макромолекулы поливинилового спирта с фрактальным кластером.
2
4
2
4
2
4
2
4
Фиг. 3. Микрофотографии образцов: L-цистеин-серебряный раствор (а), 2% ПВС (б), гидрогелей: ЦСР–NaSO (в), ЦСР–0,02%ПВС–NaSO (г), ЦСР–1,0%ПВС–NaSO (д), ЦСР–2.0%ПВС–NaSO (е).
Сущность изобретения заключается в следующем.
+
+
2+
2+
2+
2+
Опытным путем установлено, что гель, приготовленный из растворов L-цистеина и нитрата серебра, при добавлении водного раствора сульфата с катионом из ряда Na, K, Mg, Zn, Ni, Со, представляет собой агрегированные в определенную сетчатую структуру фрактальные кластеры, скрепленные между собой сульфат-ионами. Гель является оптически прозрачным.
о
+
+
2+
2+
2+
2+
Опытным путем было установлено, что изменение аниона соли серебра, по сравнению с прототипом, с ацетата на нитрат приводит к изменению концентрационных интервалов прекурсоров, в пределах которых возможно получение геля, позволяющего достичь заявляемого технического результата. И заявляемый гель получается смешением водного раствора L-цистеина с водным раствором нитрата серебра так, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,5 до 4,5 мМ, а отношение молярных концентраций нитрата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,25 до 1,30, где далее смесь выдерживают в защищенном от света месте при температуре от 18 до 28С в течение от 4 до 12 часов, для формирования L-цистеин-серебряного раствора; дальнейшим последовательным смешением L-цистеин-серебряного раствора с водным раствором поливинилового спирта, так что его концентрация в смеси находится в пределах от 1,0 до 2,0 мас. %, и водным раствором сульфата с катионом из ряда Na, K, Mg, Zn, Ni, Со, при концентрации сульфата в смеси в пределах 0,075-0,750 мМ, и через определенное время, зависящее от концентрации сульфата и типа катиона, система переходит из жидкого состояния в гель.
о
о
Временной интервал при формировании L-цистеин-серебряного раствора обусловлен влиянием температуры смеси на продолжительность его формирования. Так при 18 С продолжительность формирования       L-цистеин-серебряного раствора составляет 12 часов, а при 28 С – 4 часа.
При этом, при повышении концентрации поливинилового спирта выше 2,0 мас. % не удается получить гель.
Для определения эффективной нижней концентрационной границы добавляемого раствора поливинилового спирта были проведены реологические испытания гидрогелей. На Рис. 1 приведена зависимость вязкости гидрогелей от концентрации поливинилового спирта. Увеличение концентрации поливинилового спирта до 1,0 мас. % слабо влияет на вязкость системы (отрезок AB), тогда как повышение концентрации полимера от 1,0 до 2,0 мас. % оказывает существенное влияние на вязкость (отрезок BC). Таким образом подтверждено, что допускаемый диапазон концентраций поливинилового спирта находится в интервале от 1,0 до 2,0 мас. %.
Экспериментально было установлено, что добавление поливинилового спирта с концентрацией 2,0 мас. % повышает стабильность геля во времени с 7 до 60 суток.
Измерение pH заявляемых гидрогелей показало, что увеличение концентрации поливинилового спирта ведет к сдвигу pH в щелочную область. Это может быть следствием образования водородной связи между гидроксильными группами поливинилового спирта и карбоксильной группой фрактальных кластеров Фиг. 2 при формировании морфологии позволяющей достичь заявляемого технического результата.
Для оценки морфологии гидрогелей, полученных заявляемым способом, они, как и прекурсоры, были исследованы способом электронной микроскопии Рис. 3. На Рис. 3а, соответствующему             L-цистеин-серебряный раствору, отсутствует пространственный каркас, но видна плотная ламелярно-цепочечная структура, а у раствора поливинилового спирта Рис. 3б отсутствует какая-либо пространственная организация. Для геля, изготовленному без добавления поливинилового спирта Рис. 3в, наблюдается выраженная сетчатая структура со средним диаметром пор 5 мкм и средней толщиной нитей сетки 0,7 мкм. Добавление, согласно заявляемому способу, поливинилового спирта при концентрации 0,02 мас. % Рис. 3г приводит к изменению формы пор от сферической к эллиптической, а также увеличению средней толщины нитей пространственной сетки до 2 мкм, при сохранении среднего диаметра пор ∼5 мкм. Для геля с содержанием поливинилового спирта 1,0 мас. % Рис. 3д при сохранении средних размеров наблюдется образование пористо-слоистой структуры. Увеличение концентрации поливинилового спирта до 2,0 мас. % Рис. 3е приводит к утолщению нитей до 4 мкм и уменьшению среднего диаметра пор до 2 мкм, при сохранении пористо-слоистой структуры. Таким образом, при увеличении концентрации полимера прослеживается утолщение нитей пространственной сетки и уменьшение размера пор, что согласуется с результатами реологических испытаний Рис. 1, когда при повышении концентрации полимера вязкость геля росла за счет наличия более плотной пространственной сетки.
Проведенные способом электронной микроскопии исследования также подтвердили заявляемый концентрационный интервал добавления поливинилового спирта в качестве прекурсора образования геля, а именно от 1,0 до 2,0 мас. %.
Способ осуществляется следующим образом.
о
+
+
2+
2+
2+
2+
Смешивают водный раствор L-цистеина с водным раствором нитрата серебра так, чтобы концентрация L-цистеина в смеси составляла от 1,5 до 4,5 мМ, а отношение молярных концентраций нитрата серебра к L-цистеину в смеси находилось в диапазоне от 1,25 до 1,30 и смесь оставляют в защищенном от света месте при температуре от 18 до 28 С в течение от 4 до 12 часов для формирования L-цистеин-серебряного раствора; далее L-цистеин-серебряный раствор последовательно смешивается с водным раствором поливинилового спирта, так что его концентрация в смеси находится в пределах от 0,002 до 2,0 мас. % и водным раствором сульфата с катионом из ряда Na, K, Mg, Zn, Ni, Со, при концентрации сульфата в смеси в пределах 0,075-0,750 мМ, и через определенное время, зависящее от концентрации сульфата и типа катиона, система переходит из жидкого состояния в гель.
Пример выполнения заявляемого способа.
о
К 0,6 мл 0,01 М водного раствора L-цистеина приливают 0,65 мл бидистиллированной воды, смесь перемешивают и добавляют 0,75 мл 0,01 М водного раствора нитрата серебра. В результате получают бледно-желтый опалесцирующий раствор, который при созревании в течение 4 часов в темноте, при температуре 28 С, становится прозрачным, приобретая желтый оттенок. В полученный L-цистеин-серебряный раствор приливают 0,5 мл 0,4 мМ водного раствора поливинилового спирта. Для получения геля в полученный раствор добавляют раствор электролита – 0,1 мл сульфата натрия концентрации 0,25 мМ. За 60 минут формируется устойчивый супрамолекулярный гидрогель.
Для изготовления заявляемого геля не требуется специального оборудования, он может быть изготовлен на стандартном оборудовании химической лаборатории.
Гель найдет практическое применение в качестве матрицы для инкапсулирования лекарственных препаратов.