СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ 2-ГИДРОКСИПРОПИЛ-β-ЦИКЛОДЕКСТРИНА
METHOD OF PRODUCING HEAT-SENSITIVE NANOPARTICLES BASED ON 2-HYDROXYPROPYL-β-CYCLODEXTRIN

Изобретение относится к области получения водорастворимых наноматериалов на основе самоорганизованных циклодекстринов с температурно-зависимыми морфологией и размерами, которые могут быть использованы в биохимических технологиях как эффективные носители лекарственных препаратов, а также в отраслях медицинской химии и практической медицины, где требуется точечная доставка к очагам патологии физиологически активных веществ.
Циклодекстрины представляют собой циклические олигосахариды, содержащие 6 (α-ЦД), 7 (β-ЦД) и 8 (γ-ЦД), ковалентно связанных глюкозидными связями фрагментов глюкозы. С увеличением числа глюкозидных фрагментов в ЦД растет объем гидрофобной полости, имеющей форму усеченного конуса. Особенности строения усеченных конусов α-, β-, γ-ЦД позволяет использовать их для нековалентного инкапсулирования органических молекул и неорганических солей с образованием соединений включения типа «гость-хозяин». Наиболее широкое распространение в качестве «хозяина» получили β-циклодекстрины и их производные [1. Chem. Rev. 2006, 106, 782; 2. ibid. 1998, 98, 1787; 3. ibid. 1998, 98, 2045; 4. ibid 2003, 103, 4147; 5. ibid. 2004, 104, 1955; 6. Adv. Drug Delivery Rev. 1999, 36, 125].
Особенно интересна способность β-циклодекстринов и их производных к самоорганизации за счет образования многочисленных водородных связей между соседними молекулами. Такие ассоциаты на основе нековалентных взаимодействий часто формируются вокруг зародышей неорганических фаз (металлы, оксиды, сульфиды и т.п.), что значительно повышает роль циклических олигосахаридов для создания наночастиц требуемых размеров и свойств [7. Chem. Asian J. 2006, 1, 664-668; 8. Nature, 1993, 366, 324-327]. Благодаря этому циклодекстрины аналогично поверхностно-активным веществам способствуют стабилизации наночастиц металлов, оксидов и других соединений и активно используются для получения водорастворимых аддуктов [9. Cyclodextrins and Their Complexes, 2006, Willey-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; Wienheim].
3
4
2
3
Особое значение для медицинских целей приобретают аддукты с магнитоупорядоченным ядром на основе железа и его магнитных оксидов (FeO, γ-FeO) [10. Chem. Mater. 2007, 19, 4087-4091], движением которых можно управлять с помощью внешних магнитных полей. Однако именно внешнее управление движением магнитных аддуктов является основным недостатком при использовании этих материалов в медицинских целях.
Из-за низкой намагничиваемости аддуктов и существенного гидродинамического сопротивления, создаваемого потоком движущейся жидкой среды в организме, реализация целенаправленного движения наночастиц требует приложения сильных магнитных полей, что, однако, не гарантирует селективную доставку наночастиц к очагам патологии. Избирательная направленность движения аддуктов в этом случае весьма затруднительна, поскольку невозможна без применения дополнительных направляющих действий.
Транспортная функция аддуктов с циклодекстринами по отношению к молекулам «гостей» представляет собой только часть целевой задачи для практической медицины, заключительным этапом которой становится диссоциация соединений включения, т.е. разрушение аддукта.
Известно, что аддукты циклодекстринов с неорганическими и органическими веществами могут быть разрушены различными способами. Широко используют метод коллапсирования [11. Macromolecular Symposia, 297 (Polymers and Organic Chemistry), 114-125, 2010, Willey-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA; 12. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 616; 13. Adv. Mater. 2008, 20, 2690; 14. Langmuir, 2008, 24, 13306], в результате чего происходит механическое выдавливание соединений включения за счет уплотнения структуры хозяина, что на самом деле представляет собой чрезвычайно сложную технологическую проблему.
Как правило, коллапс носителя осуществляют путем «внешнего» физико-химического воздействия, например изменения pH среды, ионной силы, температуры, электромагнитных полей и других факторов [15. Acta Biomater. 2007, 3, 233; 16. ibid. 2008, 4, 40]. Среди этих методов широко используют химическое разрушение комплексов «гость-хозяин» действием растворов сильных электролитов (сильных кислот и оснований) [17. Mater. Sci. Eng. С 2007, С27, 347; 18. Langmuir, 2007, 23, 6342; 19. Acta Biomater. 2007, 3, 838; 20. ibid. 2008, 4, 1024; 21. ibid. 2010, 6, 502; 22. Mater. Sci. Technol. 2008, 24, 1011; 23. Nanotechnology, 2009, 20, 305101].
К недостаткам таких способов относится неизбирательность внешних физико-химических воздействий, обусловленная сложностью контроля за движением, локализацией, температурой, временем и местом распада аддуктов. Обработка агрессивными реагентами не всегда удобна из-за высокой чувствительности биологической среды к pH, ионной силе и солевому составу. Кроме того, существенным недостатком химического воздействия на аддукты может стать разрушение или модификация самих соединений включения за счет взаимодействия с агрессивным компонентами среды. Это может привести к изменению их потребительских свойств и к снижению эффективности их использования.
В связи с этим поиск альтернативных способов деструкции аддуктов без введения в раствор посторонних химических веществ (молекул, ионов) представляется чрезвычайно актуальной задачей.
К наиболее эффективным средствам внешнего воздействия на комплексы включения относится температурный режим, контроль которого в требуемых пределах относительно прост. В этом отношении параметр температуры становится одним из важных рычагов воздействия на состояние аддуктов. Однако большинство комплексов, образованных циклодекстринами, достаточно термоустойчивы. Их распад требует более жестких температурых условий, при которых невозможно существование белковых тел (денатурация белков наступает при температурах выше 42-44°C). Это, безусловно, затрудняет эффективное использование фактора температуры для разрушения аддуктов с циклодекстринами в физиологической среде.
Несмотря на то, что термодинамические свойства аддуктов циклодекстринов с неорганическими компонентами были предметом изучения во многих работах, сведения об их термической устойчивости крайне ограничены. Как правило, для изучения термической устойчивости использовали деструктивные методы (ТГ, ДСК и т.п.), целью которых было изучение состава и физико-химических характеристик получаемых аддуктов.
Также полностью отсутствуют в литературе сведения о температурной зависимости размеров наночастиц композитов с циклодекстринами в водных растворах. Между тем вопрос о влиянии температуры на строение, форму и свойства аддуктов в жидкой фазе имеет большое практическое значение, например для решения проблем практической медицины.
3
4
Известен способ получения водорастворимого термочувствительного аддукта с β-циклодекстрином на основе магнитного оксида железа (FeO), который оказался эффективным носителем лекарственных препаратов [24. Applied Mater. Interfaces, 2010, 2(7), 1903-1911]. Доставку и распад аддукта осуществляли с помощью постоянного и переменного высокочастотного магнитного поля. Теплоту, выделяющуюся в результате действия высокочастотного переменного магнитного поля на ядро наночастицы, использовали для разрушения аддукта.
3
4
3
4
Однако описанный синтез термочувствительных аддуктов на основе FeO и применение их в медицинской практике вряд ли можно считать оптимальными. Метод получения магнитных наночастиц, который предлагают авторы, представляет собой сложный многостадийный процесс химического закрепления β-циклодекстрина на поверхности оксида. Кроме того, нежелательно высокое содержание FeO в наночастицах, дальнейшая судьба которого после распада наночастиц весьма проблематична, особенно принимая во внимание значительные локальные перегревы, необходимые для реализации лечащей функции.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения водорастворимого аддукта на основе 2-гидроксипропил-β-циклодекстрина (HP-β-CD) и магнитноупорядоченного оксида железа, массовая доля которого в нековалентном аддукте не превышает нескольких процентов [патент РФ №2453499].
Однако продукт, получающийся этим способом, обладает ограниченной растворимостью в воде (≤1 мас.%), что не позволяет его использовать в качестве носителя лекарственных веществ, поскольку недостаточная растворимость препятствует получению необходимых концентраций транспортируемых молекул. Низкая растворимость аддукта с 2-гидроксипропил-β-циклодекстрином есть прямое следствие относительно высокого содержания в нем оксида железа.
Задачей предлагаемого способа является получение аддуктов с высокой растворимостью в воде, предельно низким содержанием оксида железа и чувствительных к незначительному изменению температуры в физиологически значимом интервале (38-42°C), в которых возможно самопроизвольное коллапсирование наночастиц и выделение в биологическую среду лекарственных препаратов без образования золей нерастворимых соединений (оксидов, гидроксидов и т.п.).
2
2
Данная задача решается предложенным способом, который состоит в том, что аддукт с перечисленными выше свойствами получают взаимодействием солей железа (2+) с NaHPO и высокозамещенным 2-гидроксипропил-β-циклодекстрином (степень замещения (СЗ) 6,8) в молярном отношении 100:100:1 соответственно в аэрированном водном щелочном растворе при комнатной температуре в течение 60 ч.
Отличием предложенного способа является использование 100-кратного избытка солей железа и гипофосфита по отношению к 2-гидроксипропил-β-циклодекстрину в исходной смеси, в результате чего образуется термочувствительный аддукт, практически не содержащий оксида металла, термический распад которого при 38°C не приводит к выпадению нерастворимых соединений.
2+
2
2
Супрамолекулярный продукт, полученный при молярном отношении Fe:NaHPO:HP-β-CD=100:100:1, обладает существенно более высокой растворимостью в воде, приближающейся к растворимости чистого HP-β-CD. Водные растворы аддукта опалесцируют, что обусловлено присутствием частиц субмикронных размеров (700-800 нм), рассеивающих свет видимого диапазона.
Формирование супрамолекулярного продукта происходит только в присутствии высокозамещенного HP-β-CD (СЗ не ниже 6,8), что обусловлено образованием большого числа водородных связей гидроксипропильных заместителей с соседними молекулами лиганда. В присутствии низкозамещенного 2-гидроксипропил-β-циклодекстрина (СЗ меньше 6,8) и незамещенных α-, β- и γ-циклодекстринов образование наночастиц не обнаружено (пример 6).
57
2
3
Методом гамма-резонансной спектроскопии (ГРС) аддукта, полученного в присутствии солей железа природного изотопного состава, мессбауэровский спектр железа не регистрируется, что свидетельствует либо об отсутствии, либо о чрезвычайно низкой концентрации металла (ниже предела чувствительности ГРС на природном изотопе железа). Однако при использовании для синтеза аддукта соединений железа со 100%-ным обогащением мессбауэровским изотопом (Fe) при 298 К регистрируется дублет, характерный для кристаллического γ-FeO (рис. 1).
3+
2+
2
3
Таким образом, согласно данным ГРС в аддукте, полученным предлагаемым способом, содержится исчезающе малое количество железа. Величины изомерного сдвига и квадрупольного расщепления (0,35 и 0,66 мм/с соответственно) мессбауэровского спектра, измеренного при 298 К, указывают на присутствие ионов Fe в октаэдрическом окружении, а отсутствие магнитного расщепления свидетельствует о суперпарамагнитном поведении наночастиц. Параметры спектра ГРС и химические свойства аддукта согласуются с предположением о наличии в образцах также незначительного количества ионов Fe и очень мелких частиц FeO (несколько нм в диаметре).
Полученные результаты подтверждают присутствие в аддукте следов оксида железа(III), содержание которого (Fe) по данным ГРС не превышает 0,1 мас.%, что позволяет рассматривать это вещество исключительно как продукт самоорганизации HP-β-CD, практически не содержащий металла. Этот вывод количественно согласуется с данными элементного анализа.
Таким образом, самоорганизация HP-β-CD и аддуктообразование происходят при непосредственном участии железа (или его соединений), однако с увеличением его относительного количества в исходном растворе доля железа в конечном продукте резко падает (рис. 2).
2
4
3
2
3
2
4
2
4
2
2
В предлагаемом способе синтез аддукта проводят при комнатной температуре из растворов солей железа(II), в качестве которых может быть использованы любые растворимые соли, например FeCl, FeSO, Fe(NO), Fe(OOCCH), соль Мора (Fe(NH)(SO)·6HO) и т.п.
2+
Особенностью предлагаемого метода является образование термочувствительных водорастворимых наночастиц, состоящих из неорганических солей и самоорганизованных молекул HP-β-CD, в условиях, ограничивающих захват оксида железа за счет существенного уменьшения молярного отношения HP-β-CD:Fe до 1:100 в исходном водном растворе.
Присутствие гипофосфит-иона необходимо для восстановления железа(II) до металла, на поверхности зерен которого происходит самоорганизация молекул HP-β-CD до размеров наночастиц (750-800 нм в диаметре). Замена гипофосфита на другие восстановители (гидросульфит-, сульфит-, тиосульфат-ионы, натрийборгидрид, литийалюмогидрид и т.д.) в рассматриваемых условиях не приводит к самоорганизации HP-β-CD с образованием наночастиц.
2
Синтез наночастиц проводят в щелочном растворе с pH 9-10. Нижняя граница интервала pH определяется условием существования гидроксида железа Fe(OH). Верхняя граница зависит от устойчивости продукта взаимодействия частиц металла, образующихся при восстановлении гидроксида железа(II) гипофосфит-ионом в щелочном растворе (реакция 1), и олигосахарида.
Величины исходных концентраций солей железа(II) и гипофосфита выбираются, исходя из растворимости соответствующих соединений
Природа щелочного металла (в составе гидроксида или гипофосфита) не влияет на состав и выход продукта. В качестве щелочи и гипофосфита может быть использованы гидроксид и гипофосфит любого щелочного металла.
Молярное отношение HP-β-CD:Fe(II) отражается на выходе и составе продукта. На рис. 3 приведена зависимость выхода продукта самоорганизации HP-β-CD от величины молярного отношения НР-β-CD:Fe(II). Выбор молярного отношения HP-β-CD:Fe(II), равного 1:100, соответствует экстремуму этой зависимости.
Увеличение молярного отношения HP-β-CD:Fe(II) в исходной смеси приводит к образованию аддукта с большим содержанием оксида железа(III) [патент РФ №2453 499], однако растворимость аддукта при этом резко падает, а распад его приводит к формированию золей гидратированного оксида железа, что нежелательно при использовании наночастиц этого вещества как транспортного средства в физиологической среде.
h
2
4
4
2
4
Выбор температуры (295-298 К) синтеза обусловлен термическими свойствами наночастиц аддукта на основе HP-β-CD и минеральных солей. Установлено, что область устойчивого существования полученного аддукта ограничена узким температурным интервалом. На рис. 4 (вкладка а) приведена зависимость размеров наночастиц аддукта от температуры, полученная с помощью метода динамического светорассеяния (ДСР). Согласно данным ДСР в исследуемом растворе до 37°C присутствуют преимущественно крупные частицы (780-800 нм в диаметре) (автокорреляционная функция распределения эффективных радиусов R при комнатной температуре представлена на вкладке б рис. 4). Выше 37°C размер частиц резко падает до 400-420 нм, что сопровождается появлением в растворе свободных молекул HP-β-CD и ионов минеральных солей (NaSO, (NH)SO и др.), входящих во внешнюю оболочку наночастиц аддукта.
Исходя из полученных данных, оптимальной температурой синтеза аддукта является комнатная температура (температура окружающей среды), поскольку от 22 до 38°C размер наночастиц почти не меняется (рис. 4а). Более низкие температуры (от температуры замерзания раствора до комнатной температуры), требующие специального охлаждения, для синтеза экономически нецелесообразны. При температурах выше 38°C аддукт термически неустойчив и частично распадается с образованем наночастиц меньшего размера.
Таким образом, самоорганизация молекул высокозамещенного HP-β-CD в присутствии ионов железа(II), щелочи и восстановителя на воздухе при комнатной температуре приводит к заявляемому технологическому эффекту, т.е. к образованию водорастворимых термочувствительных наночастиц, практически не содержащих оксида железа(III). Преимуществами изложенного способа являются высокая растворимость наночастиц, термочувствительность в узком температурном интервале (37-42°C), низкое содержание железа в виде оксида (<0,1 мас.%) и возможность проведения синтеза в обычных аэробных условиях. Полученные соединения могут быть использованы в качестве контейнеров для лекарственных препаратов, способных распадаться в очагах патологии с температурой, превышающей 37°C.
Перечень иллюстративных материалов.
Рис. 1. Спектр Мессбауэра аддукта на основе HP-β-CD при 298 К.
Рис. 2. Зависимость содержания Fe (γ, мас.%) в аддукте от величины молярного отношения HP-β-CD:Fe(II) (x).
Рис. 3. Зависимость выхода аддукта от величины молярного отношения HP-β-CD:Fe(II).
Рис. 4. Размеры наночастиц аддукта как функция температуры (а) и автокорреляционная функция распределения эффективных радиусов частиц аддукта на основе HP-β-CD в водном растворе с концентрацией 0,3 мас.% (б).
Заявляемый способ получения термочувствительных водорастворимых наночастиц аддукта на основе HP-β-CD проиллюстрирован с помощью следующих примеров.
Пример 1
4
2
4
2
2
2
3
К 20 мл раствора, содержащего 60 мг 2-гидроксипропил-β-циклодекстрина-1500 (0,04 ммоль), 627 мг Fe(NH)(SO)·6HO (4 ммоль) и 16 ммоль NaOH, добавляют 20 мл водного раствора, содержащего 170 мг (4 ммоль) гипофосфита натрия. Смесь перемешивают при комнатной температуре в течение 24 ч. Осадок маггемита (γ-FeO) отделяют. Раствор подвергают вакуумной сушке при температуре жидкого азота. Бесцветный продукт растворяют в воде при комнатной температуре для получения раствора с концентрацией 0,3 мас.%. Методом ДСР определяют эффективный гидродинамический радиус частиц в исследуемом растворе. В растворе обнаруживают наночастицы со средним эффективным гидродинамическим радиусом ~400-410 нм.
Пример 2
В условиях эксперимента, представленных в примере 1, после отделения нерастворимого осадка маггемита и лиофилизации бесцветный продукт растворяют в воде с образованием раствора с массовой концентрацией 0,3%. Методом ДСР определяют эффективный гидродинамический радиус частиц в исследуемом растворе. В растворе обнаруживают наночастицы со средним эффективным гидродинамическим радиусом ~400-410 нм. Полученный раствор выдерживают при температуре 30°C в течение 30 мин. Методом ДСР определяют эффективный гидродинамический радиус частиц. В растворе обнаруживают наночастицы со средним гидродинамическим радиусом, равным ~400 нм.
Пример 3
В условиях эксперимента, представленных в примере 7, после отделения нерастворимого осадка маггемита и лиофилизации бесцветный продукт растворяют в воде с образованием раствора с массовой концентрацией 0,3%. Методом ДСР определяют эффективный гидродинамический радиус частиц в исследуемом растворе. В растворе обнаруживают наночастицы со средним эффективным гидродинамическим радиусом ~400-410 нм. Полученный раствор выдерживают при температуре 38°C в течение 30 мин. Методом ДСР обнаруживают, что светорассеяние термостатированного при 38°C раствора не совпадает со светорассеянием чистого растворителя. В растворе присутствуют наночастицы со средним эффективным гидродинамическим радиусом, равным ~200 нм.
Пример 4
В условиях эксперимента, представленных в примере 7, после отделения нерастворимого осадка маггемита и лиофилизации бесцветный продукт растворяют в воде с образованием раствора с массовой концентрацией 0,3%. Методом ДСР определяют эффективный гидродинамический радиус частиц в исследуемом растворе. В растворе обнаруживают наночастицы со средним эффективным гидродинамическим радиусом ~400-410 нм. Полученный раствор выдерживают при температуре 46°C в течение 30 мин. Методом ДСР обнаруживают, что автокорреляционные кривые распределения эффективных гидродинамических радиусов соответствуют присутствию в растворе высокомолекулярных наночастиц со средним эффективным гидродинамическим радиусом, равным ~200 нм.
Пример 5
4
2
4
2
2
2
2
К 75 мл раствора, содержащего 700 мг 2-гидроксипропил-β-циклодекстрина-1500 (0,5 ммоль), 183 мг Fe(NH)(SO)·6HO (0,5 ммоль) и 2 ммоль NaOH, добавляют 25 мл водного раствора, содержащего 50 мг (0,5 ммоль) гипофосфита натрия (молярное отношение HP-β-CD:Fe:NaHPO составляет 1:1:1). После перемешивания смеси при комнатной температуре в течение 60 ч, отделения гидроксида железа и диализа в токе воды в течение 4 ч раствор из диализного мешка изучают методом ДСР при комнатной температуре. Устанавливают, что светорассеяние полученного раствора совпадает со светорассеянием чистого растворителя. В растворе нет высокомолекулярных частиц.
Пример 6
2
3
В условиях эксперимента, аналогичных опыту 1, с использованием 2-гидроксипропил-β-циклодекстрина-1338 (СЗ ~4) после отделения осадка маггемита (γ-FeO), диализа в проточной воде в течение 4 ч получают водный раствор, светорассеяние которого согласно данным ДСР совпадает со светорассеянием чистой воды, что свидетельствует об отсутствии высокомолекулярного продукта.