Paulina Jaworska1, Anna Trusek-Hołownia1
Streszczenie: W artykule przedstawiono wpływ struktury polimerowej a szczególnie wielkości porów na transport substancji modelowej. Porównano transport dwóch substancji różniących się wielkością cząsteczki. Pokazano, że opór pochodzący od oporu w porach membrany jest dominującym i znacząco wpływa na szybkość uwalniania substancji.
Słowa kluczowe: membrany polimerowe, alginian, uwalnianie
1. Wprowadzenie
Polimery ze względu na ich amfifilowy charakter, biodegradowalność, którą można kontrolować i znakomitą biokompatybilność mają szerokie zastosowanie jako materiały biomedyczne [1]. Zastosowanie polimerowych nośników umożliwiło aplikację leków, których wcześniejsze stosowanie było ograniczone ze względu na wysoką toksyczność, niską rozpuszczalność czy niemożność dostarczenia do komórek docelowych [2].
Przewaga polimerów biodegradowalnych, jako nośników leków, nad innymi materiałami, szczególnie małymi cząsteczkami jest znacząca. Skład chemiczny oraz struktura polimeru mogą być z łatwością zmieniane i dostosowane w celu utworzenia odpowiedniego mikrośrodowiska dla enkapsulowanych leków, często różniących się hydrofilowością, masą cząsteczkową, pI itd. [3].
Morfologia oraz skład polimeru mogą być łatwo zoptymalizowne i dobrane tak, aby osiągnąć pożądaną kinetykę uwalniania leku.
Nośniki polimerowe są atrakcyjną startegią dostarczania dużej różnorodności substancji, w tym leków przeciwnowotworowych, substancji przeciwzapalnych, immunosupresantów antygenów, hormonów, antywirusów, substancji antybakteryjnych i przeciwgrzybicznych oraz witamin [4].
W artykule przedstawiono wyniki porównania transportu dwóch substancji modelowych różniących się znacząco masami cząsteczkowymi: paracetamolu (Mcz=151Da) oraz witaminy B12 (Mcz=1355Da). Wykorzystując algininowe kapsułki oraz stałą membranę porowatą z octanu celulozy oceniono wpływ struktury membranowej na szybkość uwalniania.
2. Materiały i metody
2.1. Transport ze struktury alginianowej
Alginian sodu, otrzymywany był w postaci usieciowanych kapsułek o średnicy 3,2 mm.
Kapsułki alginianowe zawierały odpowiednie stężenie substancji modelowej. Stałe kapsułki żelowe otrzymywano poprzez sieciowanie płynnego roztworu alginianu sodu dwuwartościowymi jonami Ca2+. Alginian sodu w postaci płynnej, zawierający odpowiednią ilość enkapsulowanego leku, wkraplano do łaźni zawierającej jony wapnia i pozostawiano odpowiednio długo, aby umożliwić uformowanie sferycznych struktur.
1Zakład Procesów Chemicznych i Biochemicznych, Wydział Chemiczny, Politechnika Wrocławska, ul. Norwida 4/ 6, 50-373 Wrocław, paulina.jaworska@pwr.wroc.pl
85
Warunki procesu sieciowania dobrane były we wcześniej przeprowadzonym eksperymencie i były one następujące: stężenie polimeru-1,5% w/v alginianu sodu, stężenie substancji sieciującej-2% Ca2+, czas sieciowania-2h.
Substancja modelowa, zamknięta we wnętrzu kapsułek uwalniana była do wody w kolbie umieszczonej na wytrząsarce płytowej. W odpowiednich odstępach czasu pobierane były próby w celu oznaczenia stężenia substancji modelowej w medium odbierającym.
We wszystkich przypadkach stężenie początkowe paracetamolu we wnętrzu alginianowego nośnika substancji zawierało się w zakresie 1-8 g.l-1. Stężenie paracetamolu w łaźni odbierającej oznaczano spektrofotometrycznie przy λ=241 nm wykorzystując krzywą standardową o równaniu C[g.l-1]=Abs(241 nm)/66,701.
Stężenie początkowe witaminy we wnętrzu nośnika zawierało się w zakresie 1-17 g.l-1. Badania przeprowadzono analogicznie do kapsułek zawierających paracetamol. Stężenie witaminy B12 w łaźni odbierającej oznaczano spektrofotometrycznie przy λ=361 nm, wykorzystując krzywą o równaniu C[g.l-1]=0,0963·Abs(361 nm)+0,0038.
2.2. Transport przez membranę celulozową
Kolejną analizowaną strukturą polimerową były membrany zbudowane z octanu celulozy.
Wnętrze struktur stanowił usieciowany alginian sodu zawierający odpowiednie stężenie paracetamolu lub witaminy B12 (otrzymywany w postaci kapsułek o średnicy 3,2.10-3 m w wyniku procesu sieciowania) lub roztwór wodny badanej substancji.
Do badań wybrano dwa typy membran celulozowych: jedną o wielkości porów w granicach 0,5-1,0 kDa, drugą w przedziale 8-10 kDa. Są to membrany o porach asymetrycznych, rozszerzających się nietypowo do wnętrza rurki o średnicy 10mm, grubość ścianki wynosi 30µm.
W obliczeniach nie uwzględniono porowatości membrany (odnoszono je do całej powierzchni geometrycznej).
W przypadku usieciowanych kapsułek, upakowane zostały bardzo ciasno we wnętrzu rurki a wolne przestrzenie między kapsułkami wypełniono wodą. Woda stanowiła 50% całej objętości światła rurki. Medium wypełniające wnętrze membrany nie było poddawane cyrkulacji.
Substancja modelowa, zamknięta we wnętrzu woreczka dializacyjnego uwalniana była do wody w kolbie umieszczonej na wytrząsarce płytowej. Jednocześnie szacowano na podstawie bilansu masy i wyznaczonego współczynnika podziału stężenie substancji w wodzie wypełniającej woreczek i w obecnych w niej kapsułkach.
3. Wyniki i wnioski
Przeprowadzono badania porównawcze dla dwóch substancji modelowych, różniących się znacząco wielkością cząsteczki: paracetamolu (151 Da) oraz witaminy B12 (1355 Da). Do badań wykorzystano dwie struktury polimerowe: polimer naturalny- alginian sodu oraz membrany zbudowane z octanu celulozy.
Na podstawie zmian stężenia substancji w czasie oraz przy znajomości powierzchni geometrycznych nośników wyliczono strumień masy. Następnie wykorzystując równanie na strumień masy w procesie dyfuzyjnym – Rów. (1) wyznaczono wartości Kexp.
)
Ageom.- powierzchnia geometryczna nośnika substancji, m2
86
Δc- różnica stężeń, g.m-3
cwew. –stężenie wewnątrz nośnika, g.m-3 czew. –stężenie w medium odbierającym, g.m-3 P- współczynnik podziału
Współczynnik podziału Pi zdefiniowano jako relację stężenia równowagowego substancji
„i” w r-rze odbierającym do stężenia równowagowego wewnątrz nośnika. Współczynnik P przyjął wartość stałą, niezależnie od stężenia substancji i wyniósł on dla paracetamolu-0,733, dla witaminy B12-0,694.
Przykładowy przebieg zmiany stężenia substancji w roztworze odbierającym (mierzone) oraz wewnątrz nośnika (obliczone z bilansu masy) przedstawiono na Rys. 1.
Rys. 1. Przykładowy przebieg zmiany stężenia paracetamolu, stężenia w roztworze odbierającym (romb) oraz wewnątrz nośnika x 100 (kwadraty).
W Tab. 1 zestawiono wartości uzyskanych dla różnych struktur współczynników Kexp. Należy podkreślić, że na wartość tego współczynnika mają wpływ nie tylko współczynniki dyfuzji i droga dyfuzji, ale również w przypadku struktur pokrytych membraną jej porowatość i krętość. Przy liczeniu współczynnika przenikania założono stały profil wewnątrz struktury.
Tab. 1. Wyznaczone wartości współczynnika Kexp. [m.s-1]
Roztwór wodny Usieciowany alginian Paracetamol Wit. B12 Paracetamol Wit. B12 Kapsułki alginianowe --- ---- 8,1421·10-6 4,8160·10-6 Membrana celulozowa
0,5-1,0 kDa 8,0-10,0 kDa
5,6002·10-7 3,9081·10-9 1,7889·10-7 9,123·10-10 7,1463·10-7 2,5582·10-8 3,3405·10-7 1,789·10-9
Pokazano, że struktura polimeru ma znaczący wpływ na transport substancji modelowej i zastosowanie stałej membrany porowatej znacząco go limituje. Porównanie wartości Kexp
uzyskanych w układach z różnymi membranami polimerowymi wskazało na dominujący opór w transporcie pochodzącym od transportu w porach membrany.
Badania realizowano dzięki dofinansowaniu Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej, nr zlecenia B20172/
W-3.
0 10 20 30 40 50 60
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
stężenie paracetamolu [g/m3]
Czas [h]
87
Literatura
[1] O. Pillai, R. Panchagnula. Polymers in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology 2001, 5:447–451
[2] H. Mao, I. Kdaiyala, K. Leong, Z. Zhao, W. Dang. Biodegradable polymers: poly
(phosphoester)s. Encyclopaedia of Controlled Drug Delivery, New York: John Wiley and Sons 1999, 1:45-60.
[3] L. Yang, P. Alexandridis. Physicochemical aspects of drug delivery and release from polymer- based colloids. Current Opinion in Colloid & Interface Science 2000, 5:132-143
[4] V. Wagner, A. Dullaart, A. Bock, A. Zweck. The emerging nanomedicine landscape. Nature Biotechnology 2006, 24(10): 1211-1217