Agnieszka Gadomska1,Aneta Zając1, Emilia Wojtkiewicz1, Paweł Ruśkowski1,Ludwik Synoradzki1
Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki polimeryzacji L-laktydu z dodatkiem kwasu gentyzynowego prowadzonych w temp. 120–170°C. Zbadano również możliwość otrzymywania połączeń kwasu gentyzynowego z PLA w wyniku reakcji enzymatycznej.
Słowa kluczowe: polilaktyd, kwas gentyzynowy, leki o przedłużonym działaniu, DDS
1. Wprowadzenie
Polilaktyd (PLA) jest biodegradowanym poliestrem wytwarzanym z surowców pochodzenia naturalnego. Najczęściej stosowaną metodą otrzymywania PLA jest reakcja polimeryzacji z otwarciem pierścienia laktydu (ROP). W wyniku tej reakcji (1) otrzymywany jest polimer o wysokich ciężarach cząsteczkowych, wysokiej czystości optycznej (ee>99%) i mikrobiologicznej.
O
Ze względu na swoją biokompatybilność oraz nietoksyczność PLA znalazł zastosowanie w wielu dziedzinach życia, tj. przemysł opakowań, medycyna, chirurgia, ortopedia oraz farmacja.
Odkryciem ostatnich lat jest możliwość zastosowania PLA w lekach o kontrolowanym czasie uwalniania (DRUG DELIVERY SYSTEM). Ideą tego typu rozwiązań jest opracowanie produktu farmaceutycznego, który po jednorazowej aplikacji utrzymywałby efekt terapeutyczny na stałym, wysokim poziomie przez możliwie długi czas.
Systemy leków o kontrolowanym czasie uwalniania mogą być realizowane na dwa sposoby.
Jednym z nich jest tworzenie sfer polimerowych, w których zawieszona jest substancja aktywna.
Uwalnianie terapeutyku zachodzi w wyniku dyfuzji przez otoczkę polimerową. Drugim sposobem jest wiązanie substancji z matrycami (nośnikami) polimerowymi. Jest to przykład systemu leczniczego o dłuższym działaniu niż sfery polimerowe, gdyż lek uwalniany jest w wyniku hydrolizy wiązania matryca – substancja aktywna.
Kwas gentyzynowy (2) jest powszechnie znanym i stosowanym lekiem przeciwzapalnym i przeciwbólowym. Otrzymywany jest w wyniku reakcji Kolbego z hydrochinonu, ale również może być otrzymywany biotechnologicznie przez szczepy Penicillium patulum i Polyporus tumulosus. Budowa kwasu gentyzynowego, a szczególnie obecność dwóch grup hydroksylowych oraz karboksylowej, stwarza wiele możliwości otrzymywania jego połączeń z innymi związkami – syntezy proleków.
1 Laboratorium Procesów Technologicznych, Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warszawa, agadomska@ch.pw.edu.pl
75
2. Wyniki
2.1. Polimeryzacja L-laktydu z dodatkiem substancji aktywnej
Polilaktyd posiada w swojej budowie grupy końcowe (–OH i –COOH) pozwalające wiązać substancje aktywne zawierające wolne grupy funkcyjne (–NH2, –OH i –COOH) z matrycą polimerową. W ten sposób otrzymywana jest nowa forma leku, która charakteryzuje się dłuższym czasem przebywania w organizmie oraz większą odpornością na przedwczesny metabolizm, co pozwala znacznie obniżyć całkowitą dawkę terapeutyku. Zbadano możliwość przyłączenia substancji aktywnej do polimeru, w wyniku reakcji polimeryzacji L-laktydu z dodatkiem kwasu gentyzynowego (3). Reakcje prowadzone były w temperaturach 120–170°C, z wykorzystaniem katalizatora 2–etyloheksanianu magnezu (Oct2Mg), jak i bez jego udziału.
OH
Proces zbadano w zestawie 4 automatycznych reaktorów – Multimaxie, ze sprzężonym z nim spektrometrem podczerwieni. Aparat ten pozwala na obserwację w przebiegu reakcji w czasie rzeczywistym, a także na wyznaczenie konwersji reakcji na podstawie zmian intensywności pasm charakterystycznych substratu. O przyłączeniu cząsteczki kwasu gentyzynowego świadczyło pojawienie się pasma przy 1650 cm–1. Natomiast o pozytywnym przebiegu polimeryzacji zanik pasma laktydu przy 1250 cm–1, pojawienie się pasma polilaktydu przy 1180 cm–1 (Rys. 1 i Rys. 2).
Rys. 1. Widmo w podczerwieni polimeryzacji L-laktydu z kwasem gentyzynowym początek reakcji – linia niebieska, koniec reakcji – linia zielona
Rys. 2. Zmiany widm IR w czasie reakcji polimeryzacji L-laktydu z dodatkiem substancji aktywnej C=Oprodukt
Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono zależności konwersji L-laktydu i średniego ciężaru cząsteczkowego PLA od temperatury i stężenia katalizatora (Rys. 3 i Rys.4).
Zaobserwowano, że w temperaturze 120°C reakcja praktycznie nie zachodzi. Najwyższą konwersję (~70%) oraz średni ciężar cząsteczkowy (~3 500) uzyskano w temperaturze 170°C. Stwierdzono, że stężenie katalizatora nie ma wpływu na konwersję, natomiast ma znaczący wpływ na średni ciężar cząsteczkowy otrzymywanych polimerów zawierających przyłączoną cząsteczkę kwasu gentyzynowego. Zaobserwowano, że najwyższe średnie ciężary cząsteczkowe (~3 500) otrzymano w reakcjach katalizowanych 1%mol. Oct2Mg.
0 20 40 60 80
konwersja [%]
120 150 170
tem peratura [°C]
0,0 0,5 1,0 1,5
stężenie kat. [%mol.]
Rys. 3. Zależność konwersji L-laktydu w polimeryzacji z kwasem gentyzynowym od temp. i stężenia katalizatora
0 1000 2000 3000 4000
Mw
120 150 170
temperatura [°C]
0,0 0,5 1,0 1,5 stężenie kat. [%mol.]
Rys. 4. Wpływ temp. i stężenia katalizatora na średni ciężar cząsteczkowy polilaktydu z przyłączoną substancją aktywną
2.2. Polimeryzacja enzymatyczna
Kolejnym etapem badań było sprawdzenie możliwości otrzymywania połączeń kwasu gentyzynowego z polilaktydem w wyniku reakcji enzymatycznej. Reakcje prowadzono w toluenie, w temperaturze 45°C, przez 24 h. Zbadano szereg enzymów z grupy esteraz, m.in.: lipazę z Pseudomonas cepacia, Pseudomonas fluorescens, Candida antarctica, Thermomyces lanuginosus, Rhizomucor miehei, Mucor javanicus oraz Penicillium camembert. We wszystkich reakcjach nie uzyskano produktu przyłączenia kwasu gentyzynowego do polilaktydu. Główną przyczyną braku oczekiwanego produktu, może być zbyt wysoka kwasowość substancji aktywnej (kwasu gentyzynowego), która może inhibować działanie enzymu.
77
3. Podsumowanie
W wyniku polimeryzacji z dodatkiem substancji aktywnej otrzymano polilaktydy zawierające wybudowaną cząsteczkę kwasu gentyzynowego z wysoką konwersją (~70%) oraz ciężarami cząsteczkowymi Mw~1 500–3 500. Sprawdzono, że w wyniku reakcji enzymatycznej z szeregiem esteraz nie można otrzymać połączeń kwasu gentyzynowego z polilaktydem.
Badania były finansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007–2013. Badania zostały wykonane w ramach projektu „Biopol” POIG 01.01.02–10–025/09 „Technologia otrzymywania biodegradowalnych poliestrów z wykorzystaniem surowców odnawialnych”.
Literatura
[1] S. Sashmal, S. Mukherjee, S. Ray, R. S. Thakur, L. K. Ghosh, B. K. Gupta, Pak. J. Pharm. Sci.
2007, 2, 157–162.
[2] D. Garlotta, J. Polym. Environ. 2002, 12(2), 63–84.
[3] A. P . Gupta, V. Kumar. Eur . Polym. J. 2007, 43, 4053–4074.
[4] M. Chorny, I. Fishbein, H. D. Danenberg, G. Golomb, J. Control. Release 2002, 83(3), 389–400.
O
PTIMIZATION OF SYNTHESISS POLY(
LACTIC ACID) –
GENTISIC ACID COMPOUNDSPoly(lactic acid) PLA belongs to the family of biodegradable aliphatic polyesters commonly made from α-hydroxy acids. PLA finds applications in packing materials, pharmaceuticals, orthopedic implants, tissue engineering, composites and textiles, because products of them degradable are non-toxic and ecological friendly.
The most popular rout of producing PLA is ring opening polymerization process (ROP), which based at reaction from cyclic dimmers of lactic acid (lactide). Product of bulk polymerization of lactide is a colorless glossy, stiff thermoplastic and have good mechanical properties.
Gentisic acid is a well-known anti-inflammatory and analgesic drug. Construction of gentisic acid, and particularly the presence of two hydroxyl and carboxyl groups, opens many possibilities for the preparation of its connections with other compounds.
The possibility of connecting active substance in the polymer, in the polymerization of
L–lactide with acid was examined. The reactions between L–lactide and gentisic acid were carried out in 120–170 °C and catalyzed by magnesium 2–ethylhexanoate. The second step was an enzymatic reaction, which was carried out between L–lactide and gentisic acid.
As a result of polymerization with the addition of the active substance prepared containing polylactide with a gentisic acid molecule with high conversion (~ 70%) and molecular weights Mw ~ 1 500–3 500. It was verified that in an enzymatic reaction can not receive to poly(lactic acid) with gentisic acid compound.
78