СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ОБОЛОЧЕК ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КАПСУЛ НАНОЧАСТИЦАМИ МАГНЕТИТА
METHOD OF MODIFYING ENVELOPES OF POLYELECTROLYTE CAPSULES WITH MAGNETITE NANOPARTICLES

Изобретение относится к области медицины и биотехнологии и предназначено для доставки лекарств с помощью полиэлектролитных капсул, модифицированных магнитными наночастицами.
Уникальные свойства магнитных наночастиц - высокая намагниченность и магнитная анизотропия, гигантское магнитосопротивление, аномально большой магнитокалорический эффект и др. [1] - привели к интенсивным разработкам в области синтеза этих объектов и активному развитию методов их исследования. Особый интерес связан с возможностями использования магнитных наночастиц в медицине и биотехнологии для доставки лекарственных препаратов [2], гипертермии [3, 4], повышения контраста оптической томографии [5, 6], разделения клеток [7]. Наиболее подходящими магнитными материалами для этих целей являются биосовместимые оксиды железа, в частности, оксид железа Fe3O4 - магнетит.
Доставка лекарственных веществ, в том числе адресная доставка, - актуальная задача современной медицины. Одним из эффективных и перспективных способов является доставки лекарств с помощью магнитных носителей ("магнитная доставка"). "Магнитная доставка" позволяет воздействовать на ограниченный, строго определенный участок организма, приводит к уменьшению количества вводимого функционального соединения, снижению концентрации лекарственных веществ в местах, не являющихся объектами воздействия, а следовательно, сводит к минимуму побочные эффекты препарата. Для осуществления "магнитной доставки" соединение либо ковалентно связывают с поверхностью наночастицы, либо помещают в капсулы-контейнеры, модифицированные магнитными частицами. Использование магнитных контейнеров, кроме того, что приводит к преимуществам собственно "магнитной доставки", способствует биодоступности препаратов, снижению их цитотоксичности, расширяет круг применимых лекарственных веществ.
Немногим более десяти лет назад для получения микроконтейнеров был предложен способ послойной адсорбции противоположно заряженных полиэлектролитов на поверхность коллоидных частиц, так называемый метод Layer-by-Layer [8]. Этот способ позволяет получать монодисперсные устойчивые капсулы с нанометровой проницаемой оболочкой из широкого диапазона полимеров, в том числе биосовместимых [9]. За счет электростатической адсорбции в процессе формирования оболочки капсулы в ее состав можно включать наночастицы, обладающие поверхностным зарядом. Таким способом полиэлектролитные капсулы были модифицированы наночастицами золота и серебра для дистанционного вскрытия оболочек воздействием лазерного излучения [10-12]. С помощью электростатической адсорбции наночастиц на поверхность оболочки полиэлектролитных капсул также проводили модификацию таких капсул наночастицами магнетита [13]. Однако для манипулирования капсулами с помощью магнитного поля их оболочки должны содержать большое количество магнитных наночастиц, что достигается лишь повторением стадии адсорбции частиц после формирования каждого противоположно заряженного полиэлектролитного слоя. Альтернатива этому - получение наночастиц непосредственно на оболочке капсулы. Наночастицы серебра и золота включали в оболочки полиэлектролитных капсул с помощью in situ синтеза, что позволило несколько ускорить и упростить методику создания нанокомпозитной капсулы [14, 15].
Известен способ получения микрокапсул с оболочками из полиаллиламина и наночастиц магнетита, включающий 1) получение матрицы-ядра - микрочастиц карбоната марганца; 2) создание с помощью метода послойной адсорбции на поверхности микрочастиц карбоната марганца оболочки, внутренний слой которой состоит из нитратного комплекса полиаллиламина, а внешний - из слоев полиаллиламина и полистиролсульфоната; 3) растворение матрицы-ядра из карбоната марганца в 0.1 М растворе HCl; 4) замену цитрат-ионов внутреннего слоя оболочки капсулы на гидроксил-ионы выдерживанием системы в 0.01 М растворе NaOH; 5) обработку полученных капсул раствором солей железа (II) и железа (III) для формирования наночастиц магнетита во внутреннем слое капсул; 6) удаление внешних слоев капсулы из полиаллиламина и полистиролсульфоната в высокощелочной среде (Shchukin D.G. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2003. V.42. P.4472). В известном способе наночастицы магнетита получаются за счет химической конденсации магнетита в щелочной среде внутренних слоев оболочки капсулы, созданной заменой цитрат-ионов на гидроксил-ионы. Получение магнитных наночастиц непосредственно в оболочке капсулы позволяет с одной стороны, привнести магнитные свойства, а с другой, придать большую механическую устойчивость по сравнению с обычными оболочками полиэлектролитных капсул.
Недостатками известного способа являются:
Использование карбоната марганца в качестве матрицы-ядра требует применения жестких условий для его растворения - соляной кислоты с рН 1.
Получение микрокапсул, модифицированных наночастицами магнетита - процесс многостадийный и сложный, связанный с формированием полиэлектролитной оболочки с различными типами слоев внешней и внутренней части, заменой ионов внутренней части оболочки, формированием магнетита и удалением внешних слоев.
Наночастицы магнетита модифицируют только внутреннюю часть оболочки полиэлектролитных капсул, поэтому для эффективного манипулирования капсулами с помощью магнитного поля необходимо удаление внешних слоев, которое требует использования высокощелочной среды.
Задачей, лежащей в основе настоящего изобретения, является предложение способа получения модифицированных полиэлектролитных капсул, которые можно использовать для доставки лекарственных веществ, позволяющего преодолеть указанные недостатки известного способа.
Техническим результатом является разработка простого и надежного способа получения модифицированных полиэлектролитных капсул, предназначенных для доставки лекарственных веществ, с использованием компонентов, не оказывающих вредного воздействия на организм человека.
Поставленные задача и технический результат достигаются тем, что в способе модификации полиэлектролитных капсул, предназначенных для доставки лекарственных веществ, включающем получение матрицы-контейнера, образование полиэлектролитной оболочки на поверхности матрицы-контейнера, модификацию полиэлектролитной оболочки на поверхности матрицы-контейнера или после растворения матрицы; матрицу-контейнер из карбоната кальция синтезируют в виде пористых микрочастиц. В качестве матрицы-контейнера используют пористые сферические микрочастицы карбоната кальция, полученные путем сливания водных растворов, содержащих ионы Са2+ и CO32-. Затем на поверхности названных микрочастиц осуществляют последовательную адсорбцию полиаллиламина и полистиролсульфоната с образованием оболочки полиэлектролитных капсул. Модификацию оболочки полиэлектролитных капсул проводят следующим образом: к раствору хлоридов двух- и трехвалентного железа приливают суспензию капсул с отрицательно заряженным внешним слоем, при перемешивании постепенно добавляют раствор аммиака, выдерживают при перемешивании, а затем осадок капсул с наночастицами отделяют центрифугированием и промывают водой. Растворение карбонатной матрицы проводят под действием этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) в нейтральных условиях, что особенно важно при работе со многими биологическими объектами. Поэтому карбонатные микрочастицы особенно привлекательны для формирования микрокапсул биологического и медицинского назначения.
Существо предлагаемого изобретения поясняется схемами и фотографиями, представленными на фигурах:
на фиг.1. Схема способа получения полиэлектролитных капсул с модифицированной оболочкой;
на фиг.2. Изображение частицы карбоната кальция, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии;
на фиг.3. Изображения водной суспензии капсул (ПАА/ПСС)4/Fe3O4: до (а) и после (б) воздействия магнита;
на фиг 4. Изображение наночастиц, располагающихся на оболочке полиэлектролитной капсулы, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии.
Схема операций по получению модифицированных полиэлектролитных капсул иллюстрируется фиг.1.
Первой операцией является синтез микрочастиц, являющихся ядром для последующего образования на их основе полиэлектролитных капсул. В качестве таких частиц были сформированы пористые частицы карбоната кальция.
Карбонат кальция.
Синтез пористых СаСО3 микрочастиц осуществляли путем непосредственного смешивания растворов, содержащих ионы Са2+ и CO32- [16]. При этом сначала образуется аморфный осадок из наночастиц СаСО3, а затем в объеме их агрегатов возникают центры роста микрочастиц. Экспериментальные условия, а именно тип используемых солей, их концентрация, рН, температура, скорость смешивания растворов и интенсивность перемешивания реакционной смеси, существенно влияют на качество полученных частиц.
На полученные микрочастицы карбоната кальция последовательно адсорбировали полиаллиламин и полистиролсульфонат путем поочередной инкубации при перемешивании названных микрочастиц в их водных растворах.
Для модификации оболочки полиэлектролитных капсул их суспензию приливали к раствору хлоридов двух- и трехвалентного железа, при перемешивании постепенно добавляли раствор аммиака, выдерживали при перемешивании, а затем осадок капсул с наночастицами отделяли центрифугированием и промывали водой.
Пример реализации способа.
Заранее сформированные микрочастицы карбоната кальция инкубировали в течение 15 мин в растворе полиаллиламин гидрохлорида (ПАА) при перемешивании на шейкере (IKA-VIBRAX-VXR, IKA, Германия). После инкубации микрочастицы промывали водным раствором NaCl. Далее проводили инкубацию в водном растворе полистиролсульфоната натрия (ПСС) при тех же условиях. Таким образом, процедура последовательной инкубации в растворах полимеров повторялась до получения капсул с оболочкой состава (ПАА/ПСС)4. Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в образце было выявлено наличие сферических частиц, покрытых оболочкой, размерами 2.5-4.5 мкм (фиг.2).
На оболочке полученных полиэлектролитных капсул осуществляли синтез наночастиц магнетита по методу Элмора [17], представляющего собой химическую конденсацию высокодисперсного магнетита, в основе которой лежит реакция:
2FeCl3+FeCl2+8NH4OH→Fe3O4↓+8NH4Cl+4H2O.
Для осуществления синтеза наночастиц магнетита in situ на поверхности полиэлектролитных капсул предварительно смешивали 1М растворы хлооидов двух- и трехвалентного в соотношении 1:2 и помещали в ультразвуковую ванну с термостатом (Sonorex Super 10Р, 35 кHz, 160/230W, Bandelin Electronics GmbH, Германия) при температуре 80°С до приобретения раствора цвета крепкого чая. Затем этот раствор приливали к суспензии капсул на ядрах СаСО3 (1.5×10-5 и 3×10-5 моль Fe2+ и Fe3+ соответственно на 108 частиц) при перемешивании реакционной смеси ультразвуком и температуре 80°С, и постепенно добавляли 28%-ный раствор аммиака до приобретения капсулами темно-коричневой, почти черной окраски. После выдерживания системы при той же температуре и перемешивании ультразвуком в течение 30 мин осадок капсул с наночастицами был отделен центрифугированием (ROTINA 38/38R, Hettich, Германия) и трижды промыт водой.
Полиэлектролитные капсулы из ПАА и ПСС к магнитному полю не восприимчивы. После проведения химической конденсации магнетита в суспензии капсул микрочастицы приобрели магнитные свойства - они быстро перемещаются в водной среде под действием внешнего магнитного поля (фиг.3).
При исследовании нанокомпозитных капсул методом порошковой дифракции (станция синхротронного излучения Белок с двумерным CCD-детектором Rayonix SX165, 2048×2048) было определено, что основная фаза наночастиц, синтезированных на оболочке полиэлектролитных капсул, представляет собой магнетит. С помощью ПЭМ после синтеза магнетита на оболочке наблюдались наночастицы двух форм (фиг.4) - октаэдрической, характерной для кристаллов магнетита, со стороной от 5 до 30 нм, и стержневидной, шириной в основном 5-10 нм и длиной около 100 нм.
Таким образом, in situ синтез наночастиц магнетита методом химической конденсации эффективно придает магнитные свойства полиэлектролитным капсулам - потенциальным средствам доставки лекарственных веществ. Способ достаточно прост, не требует использования высоких температур и токсичных соединений. Основная кристаллическая фаза синтезированных наночастиц представляет собой биосовместимый магнетит, что делает предложенный способ модификации капсул весьма перспективным для использования в медицине и биотехнологии.
Источники информации:
1. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б. и др. // Успехи химии. 2005. Т.74. С.539.
2. Lubbe A.S., Alexiou C., Bergemann C. // J. Surg. Res. 2001. V.95. P.200.
3. Jordan A., Scholz R., Wust P. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V.201. P.413.
4. Брусенцов Н.А., Брусенцова Т.Н., Филинова Е.Ю. // Хим._фармацевт. журн. 2007. Т.41. №9. С.3.
5. Tiefenauer L.X., Tschirky A., Kuhne G., Andres R.Y. // Magn. Reson. Imaging 1996. V.14. P.391.
6. Брусенцов Н.А., Полянский В.А., Пирогов Ю.А. и др. // Хим._фармацевт. журн. 2010. Т.44. №6. С.7.
7. Zborowski M., Sun L., Moore L.R. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V.194. P.224.
8. Sukhorukov G.B., Donath E., Lichtenfeld H. et al. // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 1998. V.137. P.253.
9. De Geest B.G., De Koker S., Sukhorukov G.B. et al. // Soft Matter. 2009. V.5. P.282.
10. Skirtach A.G., Dejugnat C., Braun D. et al. // Nano Lett. 2005. V.5. P.1371.
11. Angelatos A.S., Radt В., Caruso F. // J. Phys. Chem. B. 2005. V.109. P.3071.
12. Букреева Т.В., Парахонский Б.В., Скиртач А.Г. и др. // Кристаллография. 2006. Т.51. №5. С.183.
13. Патент США №6479146, МПК A61K 9/51, опубл. 12.11.2002
14. Antipov A.A., Sukhorukov G.B., Fedutik Y.A. et al. // Langmuir. 2002. V.18. P.6687.
15. Koo H.Y., Choi W.S., Kim D.Y. // Small. 2008. V.4. P.742.
16. Volodkin D.V., Petrov A.I., Prevot M., Sukhorukov G.B. // Langmuir. 2004. V.20. P.3398-3406.
17. Elmore W.С. // Phys. Rew. 1938. V.54. P.309.