Joanna Zwolińska

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ ZAKŁAD CHEMII ORGANICZNEJ

Joanna Zwolińska

ROZPRAWA DOKTORSKA

Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej

Promotor: prof. dr hab. inż. Adam Voelkel

Praca doktorska wykonana w ramach Studium Doktoranckiego i przedłożona Radzie Wydziału Technologii Chemicznej

Politechniki Poznańskiej w celu uzyskania stopnia doktora

Poznań 2014

Składam serdeczne podziękowania promotorowi niniejszej pracy Panu prof. dr hab. Adamowi Voelkelowi za opiekę naukową, a także za życzliwość i wyrozumiałość, których doświadczałam w trakcie realizacji pracy doktorskiej.

Serdecznie dziękuję Całemu Zespołowi Zakładu Chemii Organicznej w szczególności dr inż. Beacie Strzemieckiej, mgr inż. Małgorzacie Kasperkowiak i mgr inż. Zuzannie Okulus za wspaniałą, twórczą atmosferę, wsparcie i przyjaźń.

Szczególne podziękowania składam Mamie i Mężowi za wiarę w moje możliwości i nieustające wsparcie.

Joanna Zwolińska

"Uczony jest w swojej pracowni nie tylko technikiem, lecz również dzieckiem wpatrzonym w zjawiska przyrody, wzruszające jak czarodziejska baśń."

Maria Skłodowska-Curie

4

Spis treści

Wykaz akronimów ... 8

WPROWADZENIE ... 10

CZĘŚĆ TEORETYCZNA ... 12

1. Materiały hybrydowe - rys historyczny i rozwój ... 12

1.1. Podział i otrzymywanie materiałów hybrydowych ... 14

1.2. Właściwości i zastosowanie ... 17

2. Formy i drogi podania leku - systemy dostarczania substancji aktywnej ... 21

3. Modelowe substancje aktywne ... 26

4. Nośniki substancji aktywnej... 30

4.1. Nieorganiczne nośniki substancji aktywnych ... 30

4.1.1. Materiały krzemionkowe ... 30

4.1.2. Zeolity ... 34

4.1.3. Kaolin i bentonit ... 35

4.1.4. Materiały węglowe ... 35

4.1.5. Materiały ceramiczne ... 37

4.2. Organiczne nośniki substancji aktywnych ... 37

4.2.1. Polimery naturalne ... 39

4.2.2. Polimery syntetyczne biodegradowalne ... 41

4.2.4. Dendrymery ... 42

4.2.5. Nośniki czułe na bodźce ... 43

4.3. Liposomy ... 44

5. Wprowadzenie substancji aktywnej na nośnik ... 45

5.1. Adsorpcja z roztworu substancji aktywnej wskutek nieustannego mieszania ... 45

5.2. Impregnacja materiału porowatego roztworem leku ... 46

5.3. Ogrzewanie sproszkowanej mieszaniny leku oraz materiału porowatego - "melt method" ... 46

5.4. Jednoetapowa synteza z użyciem substancji aktywnej jako templatu... 47

5

6. Uwalnianie substancji aktywnej - badanie dostępności farmaceutycznej ... 47

7. Metody charakterystyki materiałów hybrydowych jako nośników substancji aktywnej ... 51

CEL I ZAKRES PRACY ... 54

CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA ... 55

8. Charakterystyka surowców wyjściowych ... 55

8.1. Ibuprofen ... 55

8.2. Aerosil ... 56

8.3. Glikol polietylenowy ... 57

8.4. Polilaktyd ... 57

8.5. Pluronik ... 58

8.6. Eudragit ... 59

8.7. Hydroksyapatyt i ortofosforan (V) wapnia ... 59

9. Odczynniki ... 61

10. Sposoby otrzymywania materiałów hybrydowych ... 61

10.1. Materiały hybrydowe - nośniki stosowane do postaci doustnych ... 61

10.2. Materiały hybrydowe - nośniki stosowane do ubytków kostnych ... 62

11. Opis metod pomiarowych ... 64

11.1. Odwrócona chromatografia gazowa ... 64

11.2. Niskotemperaturowa adsorpcja azotu ... 73

11.3. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera oraz metoda osłabionego całkowitego odbicia... 74

11.4. Spektroskopia Ramana ... 75

11.5. Skaningowa mikroskopia elektronowa ... 76

11.6. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego ... 76

11.7. Kąt zwilżania ... 76

11.8. Badanie kinetyki uwalniania substancji aktywnej w warunkach in vitro ... 78

11.9. Analiza chemometryczna ... 79

WYNIKI I DYSKUSJA ... 80

12. Charakterystyka nośników do postaci doustnych ... 80

6

12.1. Niskotemperaturowa adsorpcja azotu ... 80

12.2. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego ... 82

12.3. Skaningowa mikroskopia elektronowa ... 85

12.4. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera ... 87

12.5. Spektroskopia Ramana ... 94

12.6. Odwrócona chromatografia gazowa ... 104

12.6.1. Składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej jako miara aktywności materiałów hybrydowych ... 104

12.6.2. Charakterystyka właściwości kwasowo-zasadowych materiałów hybrydowych ... 108

12.6.3. Ocena stopnia pokrycia materiału hybrydowego przez polimer za pomocą parametru  12 ... 111

12.6.4. Charakterystyka oddziaływań substancja aktywna-nośnik ... 121

12.7. Badanie kinetyki uwalniania substancji aktywnej z materiałów hybrydowych w warunkach in vitro ... 127

12.8. Analiza chemometryczna ... 131

13. Powtórna charakterystyka oddziaływań substancja aktywna-nośnik ... 144

14. Charakterystyka nośników do ubytków kostnych ... 147

14.1. Odwrócona chromatografia gazowa ... 147

14.1.1. Składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej jako miara aktywności materiałów hydroksyapatytowych ... 147

14.1.2. Składowa specyficzna swobodnej energii powierzchniowej jako miara kwasowo- zasadowych właściwości powierzchni materiałów hydroksyapatytowych ... 149

14.1.3. Swobodna energia powierzchniowa materiałów hybrydowych ... 152

14.1.4. Praca adhezji... 153

14.1.5. Parametr Flory-Hugginsa ... 154

14.2. Kąt zwilżania ... 158

14.3. Badanie kinetyki uwalniania substancji aktywnej ze scaffoldów w warunkach in vitro 159 PODSUMOWANIE ... 166

LITERATURA ... 171

7 STRESZCZENIE ... 189 ABSTRACT ... 191

8

Wykaz akronimów

Akronim Polskie tłumaczenie Angielskie tłumaczenie

ACE Konwertaza angiotensyny Angiotensin-converting enzyme ATR Spektroskopia osłabionego

całkowitego odbicia w podczerwieni

Attenuated total reflectance BCS System klasyfikacji

biofarmaceutycznej

Biopharmaceutics classification system

BET Niskotemperaturowa adsorpcja azotu z procedurą Brunauera-Emmetta- Tellera

BPMOs bifunkcyjne hybrydy Bifunctional periodic mesoporous organosilicas

CNT Nanorurki węglowe carbon nanotubes CR Kontrolowane uwalnianie substancji

aktywnej

Controlled release FTIR Spektroskopia w podczerwieni z

transformacją Fouriera

Fourier transform infrared spectroscopy

HAP, HA Hydroksyapatyt Hydroxyapatite HPLC Wysokosprawna chromatografia

cieczowa

High-performance liquid chromatography

IGC Odwrócona chromatografia gazowa Inverse gas chromatography MCM-41 Specyficzny typ struktury zeolitu Mobil Composition of Matter No.

41 MR Modyfikowane uwalnianie

substancji aktywnej

Modified release

MWCNT wielościenne nanorurki węglowe Multi-walled carbon nanotubes OCAS Doustny system o kontrolowanej

absorpcji

Oral-controlled absorption system OMMs Uporządkowane materiały

mezoporowate

Ordered mesoporous materials OROS Doustne systemy dostarczania

substancji czynnej z osmotycznie kontrolowanym uwalnianiem

Osmotic controlled release oral delivery system

PAAm Poliakryloamid Polyacrylamide

PAMAM Dendrymer poliamidoaminowy Poly(amido amine) dendrimers

PE Polietylen Polyethylene

PCL Polikaprolakton Polycaprolactone

PGA Poliglikolid Polyglycolide

PLGA Kopolimer kwasu mlekowego i glikolowego

Poly(lactic-co-glycolic) acid

PLA Polilaktyd Polylactide

PMMA Poli(metakrylanu metylu) Poly (methyl methacrylate) PMOs Mezoporowate organiczne

krzemionki

Periodic mesoporous organosilicas SBA-15 Specyficzny typ struktury zeolitu

SEM Skaningowa mikroskopia elektronowa

Scanning electron microscopy SR Powolne uwalnianie substancji Slow release

9 aktywnej

SSRI Selektywne inhibitory zwrotnego wychwytu serotoniny

Selective serotonin reuptake inhibitor

SWCNT Jednościenne nanorurki węglowe Single-walled carbon nanotubes TEOS Tetraetoksysilan Tetraethyl orthosilicate

TCP Ortofosforan (V) wapnia Tricalcium phosphate TMOS Tetrametoksysilan Tetramethyl orthosilicate TPS Spektroskopia w dziedzinie fal

submilimetrowych

Terahertz pulsed spectroscopy XL Bardzo powolne uwalnianie

substancji aktywnej

Extra long XRD Dyfrakcji promieniowania

rentgenowskiego

X-ray diffraction

10

WPROWADZENIE

Obserwujemy dynamiczny rozwój metod i technologii związanych z dostarczaniem substancji aktywnych do chorych tkanek. Dzięki łączeniu nanotechnologii i innowacyjnych metod medycyny molekularnej wzrosło zainteresowanie nowymi formami dostarczania substancji aktywnych. Badania są prowadzone w celu zwiększenia bezpieczeństwa systemów dostarczania substancji aktywnych, zredukowania działań niepożądanych oraz zwiększenia wygody pacjenta poprzez zmniejszenie częstości podawania leku. Podczas dostarczania substancji aktywnej do organizmu, głównym problemem stało się utrzymanie właściwego poziomu stężenia leku, bez wystąpienia niepożądanych działań. Za wysokie stężenie leku może wpływać na jego toksyczność, natomiast zbyt niskie uniemożliwia osiągnięcie poziomu terapeutycznego danej substancji leczniczej w organizmie.

Najczęstszą formą dostarczania leków jest podanie doustne w postaci tabletek, cieczy, proszku. Na szybkość i skuteczność działania leku wpływa dobór właściwego sposobu dawkowania. W miarę rozwoju wiedzy na temat farmakokinetyki i dystrybucji substancji aktywnej w organizmie, rozwinęły się nowe formy podawania leków tzw. systemy dostarczania leków (ang. drug delivery system). Dzięki nim możliwe było pokonanie barier biologicznych występujących w organizmie i wprowadzenie leku bezpośrednio do miejsca działania. Ponadto klasyczne formy podawania leku często nie przynoszą pozytywnych efektów terapeutycznych, dlatego korzystniejsze jest formowanie nowych nośników substancji aktywnej. Jedynym ograniczeniem stosowania nośników leków może być wysoki koszt produkcji, który często decyduje o użyciu leku w tradycyjnej postaci.

Z medycznego punktu widzenia, ciekawą grupą nośników są materiały (układy) hybrydowe. Układy hybrydowe stanowią specyficzną grupę materiałów, które powstają na skutek wprowadzenia do części nieorganicznej struktur organicznych. Dzięki takiemu unikalnemu połączeniu, można wyodrębnić pożądane właściwości z obu części hybrydy.

Układy hybrydowe można uzyskać wprowadzając substancję aktywną w trakcie formowania leku lub nanosić ją w procesie adsorpcji. Podczas wprowadzenia substancji aktywnej w trakcie tworzenia układu, uzyskuje się jego równomierne rozłożenie w strukturze. W przypadku tworzenia w procesie adsorpcji stężenie substancji aktywnej nie zawsze jest stałe. Ilość zaadsorbowanej substancji czynnej oraz szybkość jej uwalniania zależy od struktury nośnika oraz od charakteru oddziaływań nośnik-środek farmakologicznie aktywny. Podczas wprowadzenia leku na drodze adsorpcji, profile uwalniania często charakteryzują się szybką desorpcją na początku procesu, tzw. "burst

11 effect". Zazwyczaj dąży się do eliminacji tego efektu, jednak może to być przydatne gdy w pierwszym etapie leczenia konieczna jest duża dawka leku, a następnie wystarczy dawka podtrzymująca.

Prowadzone w ramach niniejszej pracy badania stanowią pierwszy krok do opracowania procedury pozwalającej na wstępną ocenę przydatności danego materiału hybrydowego jako potencjalnego nośnika leku. Opracowanie i wprowadzenie do praktyki nowej substancji pomocniczej – matrycy hybrydowej wiąże się z przeprowadzeniem szeregu badań, w tym również badań fizykochemicznych. Główną metodą zastosowaną w badaniach była odwrócona chromatografia gazowa, która miała na celu pomóc w zdobyciu nowej wiedzy na temat wpływu parametrów fizykochemicznych na przedłużone uwalnianie substancji aktywnej.

12

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Materiały hybrydowe - rys historyczny i rozwój

Pod koniec XX i na początku XXI wieku, nanotechnologia otworzyła nowe perspektywy rozwoju różnorodnych materiałów, miedzy innymi ze względu na dostępność współczesnych metod ich fizykochemicznej charakterystyki. Wiele komercyjnych materiałów takich jak: metale, tworzywa sztuczne czy ceramika, nie spełniają oczekiwań pod względem wymogów technologicznych i ich nowych zastosowań. Naukowcy i inżynierowie zdali sobie sprawę, że mieszanie materiałów może doprowadzić do wykazania lepszych właściwości niż ich czyste odpowiedniki [1-3]. Termin materiał hybrydowy, w szerokim pojęciu, jest to materiał utworzony w wyniku zmieszania dwóch związków, z czego jeden z tych składników jest organiczny, a drugi nieorganiczny.

Aczkolwiek, w celu odróżnienia ich od kompozytów, konieczne jest podanie stopnia zmieszania. W przypadku materiałów hybrydowych mówimy o mieszaniu składników o wymiarach nanometrów, a nawet na poziomie molekularnym. Skala wielkości cząstek przedstawiona jest na rysunku 1, w którym niebieska linia ciągła jest zakresem dla materiałów hybrydowych. Takie materiały mogą się charakteryzować bardzo interesującymi cechami, których nie posiadają jego składniki: organiczny polimer czy nieorganiczny materiał. Mogą one posiadać na przykład bardzo dobrą elastyczność oraz doskonałą wytrzymałość mechaniczną i stabilność termiczną [4-6].

Rysunek 1. Skala wielkości cząstek dla materiałów hybrydowych [6]

Pochodzenie materiałów hybrydowych nie jest wynikiem pracy naukowców w laboratorium, lecz swoje początki zawdzięcza naturze. Badacze próbują jedynie naśladować procesy, w jakich są tworzone biologiczne organiczno-nieorganiczne hybrydy i przenoszą je na tworzywa sztuczne. W naturalnych materiałach hybrydowych część nieorganiczna, w większości przypadków, odpowiada za wytrzymałość mechaniczną oraz

13 ogólną strukturę, natomiast organiczna zapewnia łączenie nieorganicznych bloków i/lub tkanek miękkich. Typowymi przykładami takich materiałów są kości czy masa perłowa [7,8].

Mimo, iż nie jest znana dokładna data powstania pierwszych (sztucznych) materiałów hybrydowych, to wiadomo, że pierwsze mieszanie składników organicznych i nieorganicznych miało miejsce już w starożytności. W tym czasie produkcja jasnych i kolorowych farb ewoluowała do ciągłego tworzenia nowych mieszanek barwników, nieorganicznych pigmentów oraz innych organiczno-nieorganicznych składników do tworzenia farb. Materiały hybrydowe nie są więc wynalazkiem z ostatniej dekady, ale zostały stworzone tysiące lat temu. Wraz z postępem technologicznym wzrosło zapotrzebowanie na materiały hybrydowe, w głównej mierze ze względu na ich unikatowe właściwości: większą odporność chemiczną, zmniejszoną palność i wiele innych. W przeciągu ostatnich kilkudziesięciu lat materiały hybrydowe w znacznym stopniu zastąpiły wcześniej stosowane materiały, takie jak: szkło, drewno, metale [4,9,10].

Materiały hybrydowe mogą być charakteryzowane w zależności od rodzaju i rozmiaru organicznych i nieorganicznych prekursorów. Prekursorami mogą być dwa osobne monomery bądź polimery, które są związane kowalencyjnie. Jeśli składniki organiczne i nieorganiczne nie mieszają się ze sobą, to układ hybrydowy występuje jako układ heterogeniczny. Jednakże możliwe jest uzyskanie homogenicznej albo jednofazowej hybrydy, wybierając dwufunkcyjne monomery. Właściwości tych materiałów nie są tylko sumą poszczególnych składowych obu faz, ale dominująca może być rola wewnętrznych oddziaływań. Z tego względu zastosowano prostą klasyfikację opartą na wiązaniach i oddziaływaniach pomiędzy organiczną i nieorganiczną częścią materiału hybrydowego [11,12]. Klasa I odpowiada materiałom, w których obie fazy wykazują tylko słabe oddziaływania typu: van der Waalsa, wiązania wodorowe, siły elektrostatyczne czy wiązania jonowe. W II klasie materiałów obie fazy połączone są silnymi wiązaniami chemicznymi: kowalencyjnymi lub jonowo-kowalencyjnymi. Słabe oddziaływania chemiczne pomiędzy nieorganicznymi i organicznymi związkami, pozostawiają pewien potencjał dla zjawisk dynamicznych, co oznacza, że w materiale zajdą zmiany po dłuższym okresie czasu, np. może występować agregacja, rozdzielenie faz i ługowanie jednego ze składników. Można uniknąć takiego zjawiska, poprzez wytworzenie wiązań kowalencyjnych. Słabe oddziaływania są natomiast korzystne jeśli wymagana jest ruchliwość jednego ze składników materiału hybrydowego. Ma to miejsce w przypadku

14 polimerów przewodzących jony, np. jony nieorganiczne (Li+) migrują przez polimerową matrycę [13-16].

1.1. Podział i otrzymywanie materiałów hybrydowych

Niezależnie od rodzaju materiału hybrydowego czy jego zastosowania, jak również natury oddziaływań pomiędzy organiczną i nieorganiczną częścią hybrydy, drugim ważnym elementem podziału tych materiałów jest sposób ich tworzenia. Wyróżniamy następujące sposoby formowania hybryd [17]:

ŚCIEŻKA A - konwencjonalne metody zol-żel z wykorzystaniem specyficznych mostków i prekursorów wielofunkcyjnych oraz syntezy hydrotermalne.

A1: Tworzenie amorficznej sieci hybrydowej poprzez tradycyjną metodę zol-żel.

Metoda polega na przeprowadzeniu zolu w żel, w wyniku reakcji hydrolizy i kondensacji prekursora metalu. Prekursorami (substancjami wyjściowymi) są alkoholany o ogólnym wzorze M(OR)n, w którym: M oznacza pierwiastek przejściowy lub metal; R w grupie alkoholanowej -OR, to grupa alkilowa; n - wartościowość metalu. Najczęściej stosuje się prekursory w postaci alkoholanów krzemu np. tetrametoksy- i tertraetoksysilan o wzorach Si(OCH3)4 i Si(OC2H5OH)4. Alkoholany krzemu zawierają niepolarne wiązania ≡Si-C≡, które nie ulegają zerwaniu podczas hydrolizy i kondensacji. W ten sposób otrzymuje się połączenia hybrydowe organiczno-nieorganiczne, znane jako krzemiany modyfikowane organicznie (ang. ormosil - organically modified silicate) lub kserożele modyfikowane organicznie (ang. organically modified xerogel). Zaletami tych prekursorów jest mniejsza porowatość i zwiększona odporność mechaniczna, pozwalająca na ich cięcie, rozdrabnianie czy polerowanie [18-24].

Reakcje prowadzone są w środowisku wodnym z udziałem rozpuszczalników organicznych. Powstały żel poddaje się procesowi starzenia, a następnie suszenia, podczas którego następuje usunięcie rozpuszczalnika. W wyniku konwencjonalnego suszenia powstaje kserożel, tymczasem przy całkowitym usunięciu rozpuszczalników z porów, tworzy się materiał o bardzo małej gęstości zwany aerożelem, natomiast wypalanie kserożelu prowadzi do powstania szkła.

A2: Wykorzystanie mostkowych prekursorów takich jak silseskwioksany X₃Si–R'–SiX₃ (R' to organiczna część, X=Cl, Br, OR) umożliwia tworzenie jednorodnej cząsteczkowo organiczno-nieorganicznej hybrydy - trójwymiarowej macierzy krzemionkowej, z dwoma wiązaniami kowalencyjnymi między grupami organicznymi i nieorganicznymi. W wyniku hydrolizy i kondensacji prekursora w obecności surfaktantów, prowadzi do powstania

15 termicznie stabilnych struktur [3]. Materiały te posiadają wysoką zawartość składnika organicznego, centra aktywne, homogeniczne rozmieszczenie grup funkcyjnych, a chemiczne i fizyczne właściwości zmieniane są na drodze manipulowania budową i składem prekursora silseskwioksanowego. Interesującą grupą materiałów hybrydowych stanowią połączenia benzenowo-krzemianowe. Ich cechą charakterystyczną jest występowanie amorficznych, pseudokrystalicznych ścian. Składają się z okresowo powtarzających się jednostek benzenowych i krzemianowych, powiązanych wiązaniami kowalencyjnymi, przez co tworzą heksagonalne ułożenie mezoporów [25-27].

A3: Synteza hydrotermalna - prowadzona w polarnym rozpuszczalniku (woda, formamid itp.) w obecności organicznych templatów, dąży do powstania wielu struktur zeolitowych, szeroko stosowanych jako adsorbenty i katalizatory. Reakcja prowadzona jest w temperaturze wyższej niż pokojowa oraz ciśnieniu wyższym niż 1 atm, w układzie zamkniętym (zazwyczaj w autoklawie) [28]. W ostatnich latach wiele grup badawczych szeroko rozwija tematykę krystalicznych, mikroporowatych materiałów hybrydowych.

Takie materiały wykazują bardzo dużą powierzchnię właściwą (od 1000 do 4500 m²/g).

Niektóre z nich ujawniają właściwości magnetyczne czy elektroniczne [29-31].

ŚCIEŻKA B - obejmuje uporządkowanie (ang. assembling) (B1) lub dyspersję (B2) dobrze zdefiniowanych struktur materiałów w skali nanometrów (ang. NBB- nanobulding blocks). Takimi materiałami mogą być: modyfikowane bądź niemodyfikowane nanocząsteczki (tlenki metali, metale itp.), nanopowłoki, materiały warstwowe (gliny, podwójne warstwy wodorotlenków, płytkowe fosforany, tlenki), które są zdolne do oddziaływań z materiałami organicznymi [32]. Materiały te mogą łączyć się przez organiczne cząsteczki takie jak: chelaty, polimery czy dendrymery, dając wiele korzyści np. monodyspersyjność czy lepiej zdefiniowaną strukturę, co ułatwia charakterystykę końcowego materiału. Z uwagi na dużą różnorodność nanomateriałów, formowanie krok po kroku, zazwyczaj pozwala na całkowitą kontrolę nad strukturą [33-36].

ŚCIEŻKA C - procesy samouporządkowania, które zawierają metody syntezy z zastosowaniem surfaktantów jako templatów (C1), bądź polimerów w szerokim zakresie pH. W wyniku takich procesów można otrzymać szeroką gamę nowych materiałów z rozmaitymi strukturami dwu- i trójwymiarowymi [37,38]. Procesy samorzutnego uporządkowania wykorzystywano w dużej mierze do otrzymywania materiałów krzemionkowych, o ściśle zdefiniowanej porowatej strukturze i pożądanych właściwościach powierzchniowych. Zostały jednak rozpowszechnione te same metody

16 syntezy do tworzenia mezoporowatych niekrzemianowych materiałów (ang. OMMs - ordered mesoporous materials). W tym przypadku używane były głównie oligomeryczne i polimerowe związki jako templaty. Dzięki odpowiedniemu doborowi templatu (surfaktantów i polimerów blokowych), można kontrolować właściwości strukturalne, takie jak kształt i rozmiar porów [39]. W trakcie lub jeszcze na etapie syntezy uporządkowanych materiałów nanoporowatych, istnieje możliwość modyfikacji powierzchniowych, np. chemiczne wiązanie ligandów o odpowiednich właściwościach fizykochemicznych. W wyniku takich modyfikacji otrzymuje się materiał z grupami organicznymi przyłączonymi do powierzchni lub wpasowanymi w strukturę materiału.

Poprzez użycie prekursorów mostkowych silseskwioksanów (C2) formują się materiały mezoporowate - organiczne krzemionki (ang. PMOs periodic mesoporous organosilicas).

Prekursory związane są z mezoporowatą ścianą krzemionki za pomocą wiązań kowalencyjnych, stanowią nową klasę materiałów organiczno-nieorganicznych o szerokim zastosowaniu w: ceramice, kształtoselektywnej katalizie, materiałach optoelektronicznych, materiałach mikroelektronicznych, sensorach chemicznych, nanoreaktorach, jak również w chemii materiałowej jako wypełnienia kolumn HPLC czy oleje silikonowe [40-41].

Wraz ze zmianą temperatury i stężenia, cząsteczki surfaktantu samorzutnie dążą do organizowania się w agregaty o różnych kształtach. Wzrost stężenia (ok. 20% surfaktantu w wodzie) może prowadzić do tworzenia kulistych micel, których zewnętrzna warstwa składa się z grup hydrofilowych, natomiast łańcuchy węglowodorowe skierowane są do środka miceli. Dalszy wzrost stężenia (ok. 35%) prowadzi do agregacji miceli kulistych do cylindrycznych lub pałeczkowatych, tworząc odpowiednie mezofazy: heksagonalną, regularną i warstwową (lamelarną) [42].

Interesującym przykładem materiałów hybrydowych, organiczno-krzemianowych są tzw. BPMOs (bifunkcyjne hybrydy), powstające na skutek syntezy z użyciem bis-sililowego (mostkowego) prekursora i trietoksysililowej pochodnej tej samej części organicznej. W szkielecie materiału mezoporowatego znajduje się rdzeń grupy organicznej, a jej terminalne łańcuchy skierowane są do wnętrza porów. Obie grupy różnią się reaktywnością [43].

C3: odpowiada za połączenie materiałów powstałych z procesów samouporządkowania i NBB zdefiniowanych struktur materiałów w skali nano. Taka kombinacja prowadzi do dużej różnorodności oddziaływań pomiędzy organicznymi i nieorganicznymi składnikami

17 (wiązania kowalencyjne, tworzenie kompleksów, oddziaływania elektrostatyczne itp.) [44,45].

ŚCIEŻKA D - zintegrowana synteza. Powyżej przedstawione strategie opierają się głównie na otrzymywaniu i uporządkowaniu materiałów hybrydowych w zakresie od 1 do 500 Å.

Coraz częściej stosowane są materiały w skali mikro takie jak: kropelki emulsji, kontrolowane zjawiska separacji faz, koloidalne templaty i wiele innych. Połączenie strategii A, B, C pozwala na tworzenie uporządkowanych materiałów pod względem struktury i funkcjonalności, dając duże możliwości wykorzystania ich w różnych dziedzinach nauki [46].

1.2. Właściwości i zastosowanie

Zależności między strukturą a właściwościami materiałów nieorganicznych (metale, ceramika, szkło itp.) i organicznych (polimery itp.) zostały dobrze poznane i zbadane w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat. Niewątpliwie, było to możliwe poprzez zastosowanie różnych technik analitycznych i metod spektroskopowych, dzięki czemu materiały te mogły być wykorzystane w różnych gałęziach przemysłu.

Przy wyborze polimeru kierowano się zazwyczaj jego właściwościami mechanicznymi lub cieplnymi. Należy jednak rozważyć inne właściwości materiału organicznego takie jak: równowaga hydrofobowo-hydrofilowa, stabilność chemiczna, biokompatybilność, właściwości optyczne lub elektroniczne oraz chemiczne funkcje (zwilżalność, solwatacja, wpływ templatów itp.). W wielu przypadkach związki organiczne umożliwiają łatwiejsze formowanie i przetwarzanie materiałów. Natomiast związki nieorganiczne zapewniają mechaniczną i termiczną stabilność, ale także nowe właściwości, które zależą od budowy chemicznej, struktury, wielkości i krystaliczności fazy nieorganicznej (krzemionka, tlenki metali przejściowych, fosforany metali, chalkogenki metali). Materiały nieorganiczne poprawiają zatem właściwości redoksowe, elektroniczne, magnetyczne, gęstość, współczynnik załamania i wiele innych [4,8,11].

Szeroki wybór metod otrzymywania materiałów hybrydowych, daje duży zakres nowych właściwości, które mogą być osiągnięte przez te materiały. Końcowy produkt nie jest tylko sumą właściwości związków wyjściowych, bądź efektu synergii. Bardzo ważnym aspektem jest charakter oddziaływań pomiędzy organiczną, a nieorganiczną częścią hybrydy. Jest to bezpośrednio związane z łączeniem właściwości materiałów nieorganicznych takich jak, wysoka sztywność mechaniczna, stabilność termiczna, odporność na światło oraz materiałów organicznych, jak transparentność optyczna,

18 stabilność na kurczenie się, mała kruchość. Dlatego materiały te znajdują zastosowanie w optyce i optoelektronice, np. przy wytwarzaniu światłowodów planarnych lub jako nośniki w optycznym zapisie informacji [47-50]. W toku rosnącego znaczenia optycznej transmisji danych, istotną rolę odgrywają więc właściwości optyczne materiałów.

Materiały hybrydowe zawierające różne barwniki organiczne w zol-żelowej matrycy siloksanowej takie jak: rodaminy, spirooksazyny, diaryleny, kumaryny, barwniki nieliniowo optyczne itp. nadają specyficzne właściwości optyczne między innymi:

luminescencję, zdolność do emisji promieniowania typu laserowego (materiały laserujące), fotochromizm, nieliniowość optyczną, fotochemiczne wypalanie dziur [51-52].

Wprowadzenie do szkieletu krzemianowego łańcuchów lub struktur organicznych, w wyniku syntezy zol-żel, daje możliwość zastosowania ich jako powłoki ochronne na elementach stalowych bądź szklanych. Wiąże się to z wieloma korzyściami jak wysoka odporność na ścieranie i zarysowanie przy stosunkowo dużej elastyczności, odporność korozyjna i odporność na degradujące działanie ultrafioletu [53].

Elektrolitowe materiały kompozytowe zawierają organiczno - nieorganiczne polimerowe układy, w których część materiału umożliwia przewodzenie jonów. Są one wykorzystywane jako superkondensatory, półprzewodnikowe baterie litowe czy ogniwa paliwowe. Przykładem hybrydowego polielektrolitu może być układ poli(tlenek etylenu)/montmorylonit, który wykazuje wyższą stabilność przewodnictwa jonowego, niż standardowa mieszanina poli(tlenek etylenu)/LiBF4 [54].

Układy hybrydowe zawierające poliakryloamid i montmorylonit, ze względu na szerokie możliwości ich zastosowania, są przedmiotem wielu prac badawczych [55-56].

Wykorzystywane są m.in. do otrzymywania hybrydowych flokulantów akryloamidowych, przez co stosowane są głównie do oczyszczania ścieków i uzdatniania wody pitnej, a także do stabilizacji struktury gleby, w płuczkach wiertniczych, jak również w przemyśle papierniczym czy spożywczym [57]. Polimery anionogenne w połączeniu z montmorylonitem znalazły zastosowanie jako superabsorbenty - w środkach toaletowych dla zwierząt domowych [58]. Po ich zużyciu, środki mogą być zutylizowane w toalecie, ze względu na to, że łatwo ulegają zdyspergowaniu w wodzie. Dodatkowe korzyści wynikające z użycia tego typu materiału to: brak pylenia, bezwonność, brak uciążliwości dla środowiska oraz korzyści ekonomiczne.

Materiały hybrydowe mogą również powstawać z polimerów pochodzenia naturalnego np. skrobi, która jest materiałem tanim i łatwo dostępnym. Skrobia szybko

19 ulega biodegradacji, jednak cechuje się słabymi właściwościami wytrzymałościowymi oraz małą odpornością na wodę. Wprowadzenie do skrobi montmorylonitu modyfikowanego różną zawartością związków aminowych, przyczyniło się do zwiększenia mechanicznej wytrzymałości skrobiowego materiału hybrydowego, jak i zmniejszenia przepuszczalności wody. Miało to istotny wpływ na jego właściwości użytkowe, dając możliwość wykorzystania w przemyśle spożywczym jako opakowania [59,60].

Materiał hybrydowy w kontakcie z tkanką kostną i osoczem, sprzyja powstawaniu na własnej powierzchni hydroksyapatytu i jego pochodnych, tym samym aktywuje rozwój kości w miejscach, gdzie istnieją ubytki, bądź w pokryciach na wszczepy endoprotez.

Mając na uwadze sposób i rodzaj oddziaływań kompozytów z tkankami, wyróżnia się:

kompozyty bioinertne (np. włókno weglowe/poli(etereter-keton), kompozyty węglowo/węglowe), kompozyty bioaktywne (HAP/kolagen, HAP/PE) oraz kompozyty bioresorbowalne (TCP/kolagen, TCP/PCL lub TCP/PLA) [61,62].

Kompozyty zawierające hydroksyapatyt i kolagen zostały wykorzystane w ortopedii, ze względu na zbliżony skład do składu kości lecz o zróżnicowanej mikrostrukturze. Takie materiały, mimo niskiej wytrzymałości mechanicznej, mają zdecydowanie lepsze właściwości osteokondukcyjne w stosunku do hydroksyapatytu i kolagenu użytych oddzielnie. Dodatkową zaletą jest możliwość kontrolowania szybkości biodegradacji [63].

Układy hybrydowe cieszą się dużym zainteresowaniem jako materiały implantacyjne, pokrycia czy wypełnienia ubytków kostnych. Pierwsze komercyjne kompozyty biomedyczne użyte do rekonstrukcji kości składały się z hydroksyapatytu i polimeru np. polietylenu, znajdując zastosowanie do wytwarzania implantów dna oczodołu [63,64]. Materiały te charakteryzowały się bardzo dobrą odpornością na kruche pękanie oraz porównywalny z kością moduł Younga. Zastosowanie β-trójfosforanu wapniowego pokrytego warstwą poli(L,L-laktyd-co-glikolidu) jako tymczasowego implantu kostnego dawały pozytywne efekty. Implant został umieszczony w 1,5 cm ubytku kostnym, a już po 24 tygodniach doszło do całkowitej regeneracji kości [65]. Natomiast materiały hybrydowe zawierające filmy poli(ε-kaprolaktonu) napromieniowane jonami argonu oraz zmodyfikowane przez adsorpcję tripeptydu (Arg-Gly-Asp) okazały się dobrym materiałem do wzrostu osteoblastów towarzyszącemu osadzaniu kości [66].

Materiały hybrydowe znalazły zastosowanie również w stomatologii jako

20 wypełnienia dentystyczne. Wytrzymałość mechaniczną i niski skurcz zapewniają substancje nieorganiczne, tymczasem organiczne wpływają na poprawę przyczepności nanokompozytu do zębiny [8].

W diagnostyce medycznej można spotkać się z polimerowymi materiałami hybrydowymi, które wykorzystywane są do budowy biosensorów. Przykładem są mikrobiosensory, które służą do jednoczesnego oznaczania glukozy, glutaminy, mleczanu [67]. Biosensory składają się z materiału przewodzącego (metale albo szkła pokryte warstwą metaliczną) oraz warstwy polimerowej zawierającej uwięzione cząsteczki związków aktywnych. Najczęstszym problemem sensorów jest wyciekanie biocząsteczek podczas długotrwałego przechowywania. Naukowcy rozpoczęli badania, w wyniku których na powierzchni pokrytej tlenkiem indu i cynku przeprowadzono elektropolimeryzację pirolu i sulfonianu winylu, tworząc polimerowy film.

Elektropolimeryzacja prowadzona była w obecności nanocząsteczek polipirolu z kowalencyjnie związaną ureazą [68]. Nanocząsteczki większe niż cząsteczki enzymów nie wypłukiwały się z powłoki polimerowej, dzięki czemu elektrody mogły być przechowywane w temperaturze 50^oC przez 40 dni.

Materiały hybrydowe tworzone w celu kontrolowanego uwalniania substancji aktywnej są podstawowym kierunkiem badań mających na celu ulepszenie nowych postaci leku. Amorficzne mezoporowate krzemionki stosowane były jako nośniki substancji aktywnej, ze względu na nietoksyczność, dużą powierzchnię właściwą, mechaniczną i chemiczną stabilność. W materiałach tych impregnacja i dyfuzja cząsteczek substancji aktywnej, występuje poprzez system wewnętrznych kanałów, wynikających z obecności mezoporów [69-73]. W takich materiałach zachodzi przedłużone uwalnianie substancji aktywnej, aczkolwiek morfologia mezoporów nie jest idealna do dostarczania substancji na odpowiednim poziomie. Aby przezwyciężyć te niedogodności zachodzi potrzeba modyfikacji materiałem organicznym. Badania nad materiałem mezoporowatym modyfikowanym grupami aminopropylowymi wykazywały różnice w szybkości uwalniania zaadsorbowanych substancji aktywnych w roztworach symulujących płyn fizjologiczny (pH 7,4) w temperaturze 37^oC. W przypadku ibuprofenu następował spadek szybkości uwalniania leku [74-76].

Struktura materiałów krzemionkowych modyfikowana 2-cyjanopropylotrietoksysilanem, poddana hydrolizie w środowisku kwaśnym, umożliwiła stworzenie krzemianów zawierających grupę karboksylową. Materiał ten wykorzystano jako nośnik famotydyny

21 (substancja modelowa stosowana głównie w terapii choroby wrzodowej żołądka i dwunastnicy) [77].

W ostatnich latach materiały hybrydowe stanowią jedną z najbardziej fascynujących dziedzin chemii materiałowej. Możliwość łączenia różnych właściwości w jednym materiale zapoczątkowało eksplozję pomysłów dotyczących ich potencjalnego wykorzystania. Fakt ten z pewnością doprowadzi do licznych odkryć naukowych na tym polu dziedziny. W niniejszej pracy materiały hybrydowe będą stosowane jako nośniki substancji aktywnej.

2. Formy i drogi podania leku - systemy dostarczania substancji aktywnej

Substancje biologicznie czynne (aktywne) są to związki niskocząsteczkowe (~100- 500 Da), które reagują z docelowymi wielkocząsteczkowymi strukturami, dając odpowiedź biologiczną. Jeśli odpowiedź ta jest terapeutycznie użyteczna, wówczas mamy do czynienia z lekami, aczkolwiek odpowiedź może być szkodliwa, dzieje się tak w przypadku trucizn. Substancje stosowane w medycynie jako leki mogą stać się truciznami, jeśli użyje się je w zbyt dużych dawkach [69]. Substancję aktywną miesza się z odpowiednimi substancjami pomocniczymi, tworząc różne formy leku. W Polsce prawo farmaceutyczne nie zawiera pojęcia lek, ale produkt leczniczy [78]. Wprowadzenie produktu leczniczego na rynek farmaceutyczny podlega ścisłym regulacjom prawnym, wiąże się z długim i kosztownym procesem prowadzenia badań klinicznych. W Polsce leki ujęte są w Rejestrze Produktów Leczniczych Dopuszczonych do Obrotu na terytorium Rzeczypospolitej Polskiej, prowadzonym przez Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych. Urząd ten opracował i wydał farmakopee, określające podstawowe wymagania jakościowe, jak i metody badania produktów leczniczych oraz ich opakowań i surowców farmaceutycznych w Polsce.

Aktualnie obowiązuje Farmakopea Polska IX, która jest polskojęzyczną wersją obecnej Farmakopei Europejskiej [79].

Klasyczne systemy podawania leku nie zawsze dają pozytywne efekty, dlatego ważne jest tworzenie i ulepszanie systemów dostarczania leków (ang. drug delivery system). Do korzystniejszych wyników z pewnością przyczyni się formowanie nowych nośników substancji aktywnej. Rynek nośników leków zmienia się bardzo dynamicznie.

Według Business Communications Company Inc. nakłady finansowe na systemy dostarczające leki na świecie w 2011r. wynosiły prawie 140 miliardów dolarów

22 (Rysunek 2). Większość, bo aż 59% światowego rynku stanowią Stany Zjednoczone, natomiast Europa w ok. 29% przyczynia się do wzrostu środków finansowych na systemy dostarczania leków. Szacuje się, że średnia roczna szybkość przyrostu środków finansowych na świecie na nośniki leków kształtuje się na poziomie 5%, aż do osiągnięcia wartości 175,6 miliardów dolarów w 2016r. [80].

Rysunek 2. Nakłady finansowe na zaawansowane systemy dostarczające leki w USA, Europie i reszcie świata, w latach 2009-2016 w milionach dolarów [80]

Współpraca biotechnologów, farmaceutów i lekarzy zaowocowała wprowadzeniem na rynek farmaceutyczny nowej generacji nośników leków. Ich stosowanie umożliwiło dostarczenie substancji aktywnej do niemalże każdej części ciała ludzkiego, tam gdzie konwencjonalną metodą nie udało się otrzymać pozytywnych rezultatów [81,82].

Celem wszystkich leków o modyfikowanym uwalnianiu substancji czynnej jest osiągnięcie pożądanego stężenia dawki terapeutycznej w miejscu docelowym w organizmie. Leki o modyfikowanym uwalnianiu często posiadają w swojej nazwie akronimy takie jak: SR (ang. slow release) powolne uwalnianie, XL (ang. extra long) bardzo powolne uwalnianie, MR (ang. modified release) modyfikowane uwalnianie, CR (ang. controlled release) kontrolowane uwalnianie. Korzyści płynące z przyjmowania leków o przedłużonym działaniu (SR, XL) to niewątpliwie możliwość zmniejszenia częstości podawania leku (np. zamiast trzech tabletek dziennie - jedną). Dodatkową zaletą jest ograniczenie działań niepożądanych, ze względu na równomierne dawki uwalnianego leku. W przypadku leków o kontrolowanym uwalnianiu, substancja aktywna uwalniana jest w określonym odcinku przewodu pokarmowego. Pozytywnym rozwiązaniem jest tutaj możliwość nie obciążania żołądka. Lek posiada specjalną otoczkę, która nie rozpuszcza się

0,000 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000

2009 2010 2011 2016

Miliardy $

USA Europa Reszta świata

23 po wpływem soków żołądkowych, chroniąc substancję aktywną przed zbyt szybkim uwalnianiem. Natomiast w lekach o zmodyfikowanym uwalnianiu, substancja aktywna uwalniana jest pod wpływam odpowiedniego pH, bądź temperatury. Dlatego tabletek tych nie można dzielić, powinny być popijane wodą, ponieważ inne płyny mogą np.

przyspieszyć uwalnianie substancji aktywnej powodując dawkę toksyczną [83,84].

Sposób dostarczenia leku do organizmu zależy od jego właściwości, efektywności w walce z daną chorobą, czy dostępności do miejsca rozwoju choroby. Najczęściej lek podawany jest drogą doustną i podjęzykową. W takim przypadku występuje zazwyczaj w formie: tabletek, tabletek musujących, powlekanych, drażowanych, kapsułek, granulatów, proszków do sporządzania zawiesiny doustnej, syropów, mikrokapsułek, tabletek/kapsułek dwufazowych zawierających w sobie część szybko uwalniającą i część wolno-uwalniającą substancję czynną, tabletek/kapsułek MR, tabletek/kapsułek SR, tabletek/kapsułek forte o zawartości większej ilości substancji czynnych [85,86]. Inną formą wprowadzenia leku jest iniekcja, która występuje w postaci domięśniowej, dożylnej i podskórnej, lub doodbytniczo w postaci czopków. Leki wziewne podawane w postaci aerozolu (najczęściej są to leki przeciwastmatyczne), wchłaniają się bardzo szybko i bezboleśnie. Rzadko występują skutki uboczne ze względu na niewielkie ilości podawanego leku. Możliwe jest również przezskórne podanie leku - maści, żele, kremy, pianki, systemy transdermalne (np. plastry ze środkiem przeciwbólowym), które dość szybko dostarczają substancję aktywną do organizmu [87-89].

Preparaty o przedłużonym działaniu mają za zadanie osiągnąć stężenie terapeutyczne substancji aktywnej po jednorazowym podaniu oraz utrzymać go przez dłuższy czas na stałym poziomie (Rysunek 3). Spowolnione działanie uzyskuje się na skutek wolnego wchłaniania i zahamowania wydalania. Efekty te uzyskuje się na skutek fizyczny - metodą powlekania lub inkorporacji w matrycy, bądź chemiczny - metodą kompleksowania lub wiązania na jonitach. Przykładem preparatów o przedłużonym uwalnianiu są tabletki matrycowe, zwane szkieletowymi. Składają się z nierozpuszczalnego szkieletu (nośnika) i rozpuszczalnej substancji aktywnej. Nośnikiem mogą być substancje organiczne, jak i nieorganiczne. W tego typu tabletkach, substancja czynna jest uwalniana poprzez dyfuzję, tabletka natomiast nie rozpada się w przewodzie pokarmowym [90].

24 Rysunek 3. Uwalnianie substancji leczniczej

Jednym z rodzajów kontrolowanego dostarczania leku jest technologia OROS czyli doustne systemy dostarczania substancji czynnej z osmotycznie kontrolowanym uwalnianiem. Szybkość uwalniania substancji jest zgodna z kinetyką zerowego rzędu.

Rysunek 4 przedstawia różnice między przedłużonym a kontrolowanym uwalnianiem substancji aktywnej.

Rysunek 4. Uwalnianie substancji leczniczej [90]

W technologii OROS można wyróżnić trzy systemy. System jednokomorowy (Rysunek 5) stworzony dla substancji aktywnych rozpuszczalnych w wodzie. W jego skład wchodzi komora otoczona membraną, przepuszczająca wodę do wnętrza systemu. Woda powoduje rozpuszczenie substancji aktywnej, w efekcie tworzy się wysokie ciśnienie osmotyczne, następnie woda wraz z substancją aktywną wydostaje się przez szczelinę dostarczającą do światła żołądka lub jelit.

25 Rysunek 5. System jednokomorowy [90]

System dwukomorowy (typu push-pull) (Rysunek 6) zaprojektowany jest dla substancji trudno rozpuszczalnych w wodzie. W dolnej komorze znajduje się pęczniejąca substancja, która pod wpływem ciśnienia osmotycznego działa na elastyczną błonę powodując wypychanie substancji znajdującej się w górnej komorze. Substancją pęczniejącą może być polimer, chlorek sodu lub hydrożel.

Rysunek 6. System dwukomorowy [90]

Istnieje również układ trójkomorowy (Rysunek 7), gdzie w dwóch komorach znajduje się substancja czynna o różnych stężeniach, natomiast trzecia wypełniona jest polimerem, który pęcznieje w środowisku wodnym. Wszystkie komory pokryte są półprzepuszczalną membraną. W momencie dotarcia do jelita cienkiego membrana ulega erozji, powodując wnikanie wody do wnętrza tabletki. Dochodzi do pęcznienia polimeru i wypychania z określoną prędkością substancji aktywnej przez szczelinę dostarczającą.

26 Rysunek 7. System trójkomorowy [90]

Innym przykładem kontrolowanego uwalniania jest doustny system o kontrolowanej absorpcji OCAS. Zapewnia on jednolite uwalnianie substancji aktywnej wzdłuż całego przewodu pokarmowego, utrzymując stałe stężenie przez 24 godziny.

Tabletki typu OCAS zawierają żelową matrycę, w skład której wchodzi glikol polietylenowy, zapewniający bardzo szybkie uwodnienie hydrofilowego żelu w górnej części przewodu pokarmowego. Mimo, iż środowisko jelita grubego jest ubogie w wodę, żel pozostaje uwodniony, a substancja aktywna uwalniana jest na stałym poziomie [91].

Jednym z bardziej nowatorskich systemów dostarczania leków jest system BIORID. Zapewnia umiejscowienie leku w określonym obszarze układu pokarmowego.

System posiada bioadhezyjną otoczkę, dzięki której ulega adsorpcji na powierzchni błony śluzowej układu pokarmowego, uwalniając w sposób kontrolowany zawartą wewnątrz substancję aktywną [90,91].

3. Modelowe substancje aktywne

Produkt leczniczy składa się z substancji aktywnej oraz substancji pomocniczych (zwanych ekscipientami, ang. excipients), które decydują o właściwościach aplikacyjnych leku. Medykamenty różnych producentów mogą mieć inny skład substancji pomocniczych, dlatego leki jednej firmy nie są identyczne z lekami drugiej firmy. Leki różnią się szybkością rozpuszczania i transportu do danego miejsca w organizmie, mogą mieć również odmienny charakter kwasowo-zasadowy czy lipofilowość. Czynniki te determinują udział badanych substancji do określonej grupy biofarmaceutycznej klasyfikacji substancji leczniczych BCS (ang. Biopharmaceutics Classification System).

System ten charakteryzuje leki pod kątem łatwości ich uwalniania (dostępność

27 farmaceutyczna) oraz wchłaniania (dostępność biologiczna). Głównymi czynnikami branymi pod uwagę są: rozpuszczalność w wodzie i przenikalność przez błony biologiczne. Jako substancję dobrze rozpuszczalną uznaje się substancję, której ilość - najwyższa stosowana leczniczo dawka - rozpuszcza się w 250 ml roztworu o pH pomiędzy 1-7.5, w temperaturze 37^oC. Natomiast za substancję bardzo dobrze przenikającą, rozumie się substancję, która jest wchłaniana w ilości co najmniej 90%

podanej dawki. Substancje dobrze przenikające wchłaniają sie w 50-89% podanej dawki, a słabo przenikające - poniżej 50% [92,93]. Według BCS substancje lecznicze dzieli się na cztery grupy, które zostały przedstawione na Rysunku 8 [92-95].

Rysunek 8. Biofarmaceutyczna klasyfikacja substancji leczniczych [94]

Grupa I zawiera substancje dobrze rozpuszczalne i dobrze przenikające; cechami charakterystycznymi tej grupy są wysoka dostępność farmaceutyczna i biologiczna leku oraz łatwe i szybkie wchłanianie. Szybkość ich wchłaniania jest zwykle większa niż szybkość uwalniania z postaci leku. Leki zakwalifikowane do tej grupy często nie muszą przechodzić badań biorównoważności (porównywania dostępności biologicznej) przed wprowadzeniem ich na rynek leków generycznych. Dostępność biologiczna jest w ty przypadku zbliżona do dostępności farmaceutycznej.

Grupa II zawiera substancje słabo rozpuszczalne lecz dobrze przenikające; dostępność biologiczna jest tutaj ograniczona, ze względu na słabe rozpuszczanie się. W związku z tym szybkość ich wchłaniania jest zbliżona do szybkości rozpuszczania się. W grupie tej występuje wysoki stopień korelacji między badaniami in vivo i in vitro. Mimo, iż można

28 przewidzieć jaka będzie dostępność biologiczna, znając dostępność farmaceutyczną, to przeprowadza się tu rutynowo badania biorównoważności.

Grupa III zawiera substancje dobrze rozpuszczalne, ale słabo przenikające; Po podaniu leku, substancja aktywna jest szybko uwalniana, jednak powoli się wchłania. Korzystne wydaje się tutaj projektowanie leków o przyśpieszonym uwalnianiu, tak aby wchłanianie zaczęło się stosunkowo szybko.

Grupa IV zawiera substancje słabo rozpuszczalne i słabo przenikające; z tego względu występuje dość niska dostępność biologiczna i farmaceutyczna. W wyniku dużych rozbieżności między badaniami in vivo i in vitro, leki te muszą być szczegółowo badane.

W celu oceny zdolności danego nośnika do uwalniania leków stosuje się najczęściej modelowe substancje aktywne, takie jak:

- ibuprofen - przedstawiciel niesteroidowych leków przeciwzapalnych, przeciwbólowych i przeciwgorączkowych,

- antypiryna - syntetyczny lek przeciwbólowy i przeciwzapalny, - gryzeofulwina - lek przeciwgrzybiczny,

- ranitydyna - lek stosowany w chorobie wrzodowej żołądka i dwunastnicy,

- furosemid - lek moczopędny, stosowany m.in. w leczeniu obrzęków oraz wspomagająco w leczeniu nadciśnienia tętniczego [96].

Najczęściej można spotkać się z informacjami na temat nośników ibuprofenu. Już na początku lat 60 XX wieku, ibuprofen został odkryty przez firmę Boots. Spostrzegli oni, że właściwości przeciwzapalne kwasu acetylosalicylowego były związane z obecnością grupy karboksylowej. Po zbadaniu 6 tysięcy innych kwasów karboksylowych, które miały pełnić podobne funkcje, opracowano związek pod nazwą Brufen. Synteza ibuprofenu składała się z sześciu etapów, gdzie związkiem wyjściowym był izobutylobenzen. Jego działanie przeciwzapalne było dwukrotnie silniejsze od kwasu acetylosalicylowego.

W 1974r. licencję na ibuprofen wykupiła firma Upjohn, gdzie wyprodukowała lek o nazwie Motrin. W 1985r. wygasła ochrona patentowa substancji, a na rynku pojawiły się leki generyczne [97].

W pozycji α reszty propionianowej ibuprofen posiada chiralny atom węgla.

Występują więc dwie formy enancjomeryczne, które różnią się właściwościami farmakokinetycznymi i metabolizmem. Z badań in vitro i in vivo wynikało, że (S)-(+)-ibuprofen (deksibuprofen) jest formą aktywną, dlatego taką formę powinno się stosować w lekach, zamiast mieszaniny racemicznej. Jednak dalsze badania wykazały, że

29 w organizmach ssaków istnieją izomerazy, które przekształcają (R)-ibuprofen w formę aktywną enancjomeru (S). W związku z tym większość preparatów handlowych zawiera mieszaninę racemiczną, ponieważ proces otrzymywania enancjomeru (S) jest kosztowny [98].

Działanie leku polega na hamowaniu cyklooksygenaz, powodujących stan zapalny.

Ibuprofen w przewodzie pokarmowym wchłania się bardzo szybko, częściowo w żołądku i większym stopniu w jelicie cienkim. Metabolizm zachodzi w wątrobie, okres biologicznego półtrwania wynosi ok. 2 h, jest więc dobrym kandydatem dla procesu kontrolowanego dostarczania leków.

W literaturze można spotkać się z pracami, w których opisano uwalnianie takich substancji aktywnych jak:

- gentamycyna - antybiotyk z grupy aminoglikozydów, stosowany w bakteryjnych infekcjach, nie jest wchłaniany z przewodu pokarmowego i dlatego podaje się go pozajelitowo [99],

- erytromycyna - antybiotyk z grupy makrolidów właściwych, działający silnie bakteriostatycznie, jest przydatny w leczeniu u osób wykazujących alergię na inne antybiotyki [100],

- sertralina - lek typu SSRI (nowej generacji), działa antydepresyjnie, lek zaczyna działać zwykle po około 2 tygodniach, nie powoduje on uzależnienia [101],

- kaptopryl - lek, który obniża ciśnienie tętnicze krwi, zalicza się do grupy leków blokujących enzym konwertazę angiotensyny II (ACE), jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, ale niestabilny ze względu na obecność grupy tiolowej (która ulega utlenieniu), wymaga długiego czasu aktywacji [102],

- wankomycyna - antybiotyk glikopeptydowy o działaniu bakteriobójczym, aplikuje się go w ciężkich przypadkach zakażeń bakteriami Gram-dodatnimi (opornymi na inne leki przeciwbakteryjne) oraz u chorych ze znaną nadwrażliwością na penicyliny i cefalosporyny [103];

- amfoterycyna B - lek przeciwgrzybiczny zaliczany do polienów, wywołuje działania niepożądane i toksyczne [104].

Ponadto prowadzone są również badania nad kumulacją i uwalnianiem witamin [105].

30

4. Nośniki substancji aktywnej

Skuteczna terapia wymaga dostarczenia odpowiedniej substancji aktywnej, do określonego miejsca w organizmie i uwalniania jej przez dany okres czasu. Do realizacji tego zadania niezbędne jest zastosowanie nośników substancji czynnych. Najważniejszym elementem jest użycie odpowiedniego materiału nośnika (substancji pomocniczych), które przede wszystkim nie mogą być toksyczne. Główne wymagania stawiane substancjom pomocniczym to:

 brak działania farmakologicznego oraz właściwości toksycznych,

 brak działania uczulającego i drażniącego w miejscu podania;

 powinny odpowiadać normom czystości jakie obowiązują substancje lecznicze,

 nie powinny stanowić pożywki dla drobnoustrojów,

 powinny odpowiadać wymaganiom dotyczących trwałości.

Pierwsze doniesienia dotyczące kumulacji i uwalniania leków pochodzą z 1960 roku [106].

Dotyczą zastosowania pęcherzyków tłuszczowych - liposomów, wypełnionych roztworem wodnym i otoczone podwójną warstwą lipidową. Takie nośniki zastosowano w terapii genowej, ze względu na to, że przenikają przez błony biologiczne. Badania te dały początek kolejnym pracom nad materiałami organicznymi i nieorganicznymi do kontrolowanego uwalniania leków.

4.1. Nieorganiczne nośniki substancji aktywnych

Substancje nieorganiczne to jedne z najbardziej popularnych form nośników substancji aktywnej. Wśród nich można wyróżnić: struktury krzemionkowe, zeolity, bentonit, kaoliny, materiały węglowe, dwutlenek tytanu czy materiały ceramiczne. Wysoka stabilność termiczna i chemiczna, duża powierzchnia właściwa czy kompatybilność z innymi materiałami to niewątpliwe zalety tej klasy materiałów. Dzięki obecności np.

struktury porowatej nieorganicznych nośników, cząsteczki substancji aktywnej mogą być łatwo umieszczone wewnątrz porów i uwalniane przez mechanizm kontrolowanej dyfuzji.

4.1.1. Materiały krzemionkowe

Nośniki substancji aktywnej w postaci materiałów krzemionkowych są szeroko stosowane głównie ze względu na nietoksyczność, biokompatybilność, i stabilność chemiczną. Dominujące formy występowania materiałów krzemionkowych to: kserożele, materiały mezoporowate (np. MCM-41 lub SBA-15) oraz mezoporowate sferyczne materiały krzemionkowe.

31 Kserożele są materiałami amorficznymi i porowatymi. Strukturę i porowatość kserożelu otrzymuje się poprzez metodę zol-żel. To właśnie struktura i energia oddziaływań pomiędzy siecią żelu, a osadzoną substancją aktywną wpływa na szybkość jej uwalniania. Materiał ten charakteryzuje się więc niejednorodnym rozmiarem i uporządkowaniem porów. Jako główne źródło krzemu - prekursor - zazwyczaj stosuje się tetraetoksysilan (TEOS) [107-109] lub tetrametoksysilan (TMOS) [110,111]. W rezultacie otrzymuje się materiał o powierzchni właściwej w zakresie 500-950 m²/g, objętości porów ok. 0,4 cm³/g i średniej średnicy porów ok. 2 nm [112] (przy czym największy udział stanowią mikropory). Nośnik o takich parametrach, uwalnia substancję aktywną w wyniku erozji czy degradacji matrycy oraz zjawiskom dyfuzji [113]. Na właściwości nośnika niewątpliwie wpływa modyfikacja parametrów syntezy. Jeśli np. na etapie syntezy nośnika, do zolu doda się środki penetrujące (sorbitol, glikol polietylenowy), to materiały te wykazywały wolniejsze uwalnianie substancji aktywnej. Widocznie dodanie glikolu spowodowało rozluźnienie struktury żelu podczas polikondensacji [113,114], co spowodowało powstanie większych porów i możliwe było wprowadzenie większej ilości substancji czynnej. W efekcie, przyczyniło się to do dłuższego uwalniania substancji bioaktywnej.

Innym przykładem modyfikacji wpływającej na przedłużone uwalnianie jest zastąpienie części TEOSu, organicznie modyfikowanymi alkoholanami [109,113].

Wpływa to na obniżony stopień usieciowania żelu, polarność oraz chemiczną reaktywność.

W wyniku syntezy z dodatkiem 10 lub 25% organicznie modyfikowanych alkoholanów takich jak: dimetylodietoksysilan, metylotrietoksysilan i etylotrietoksysilan, stwierdzono zmniejszoną szybkość uwalniania heparyny o 50-80% [115]. Wynika to z obecności stabilnych grup alkilowych, które nadają charakter hydrofobowy - bardziej niepolarny, limitując dyfuzję hydrofilowej heparyny i utrudniając penetrowanie cieczy wewnątrz matrycy.

Naukowcy odkryli, że wystarczy zmienić tylko stosunek molowy wody do prekursora krzemu, aby wpłynąć na uwalnianie substancji aktywnej z kserożelu. Przy większym stosunku wody do TMOSu, uzyskiwano materiał o większej powierzchni właściwej i objętości porów, tym samym zapewniając lepszą dyfuzję substancji aktywnej [111,112].

Mezoporowate struktury krzemionkowe charakteryzują się dużą powierzchnią właściwą, posiadają mezopory o małej dyspersji rozkładu oraz mają dobrze zdefiniowaną

32 strukturę. Te czynniki pozwalają impregnować zarówno małe jak i duże cząsteczki substancji aktywnej, przez co uwalnianie ich kontrolowane jest głównie przez dyfuzję [103]. Badania nad uporządkowanymi materiałami mezoporowatymi zaczęto w 1990 roku jednocześnie przez firmę Mobil Oil Corporation i Uniwersytet Wesada w Japoni [116,117]. Materiały te stały się przedmiotem zainteresowań wielu badaczy, ze względu na możliwość modyfikacji procesu syntezy, prowadzącej do pożądanych właściwości matrycy. Perspektywa zastosowania ich w reakcjach katalitycznych, adsorpcji, rozdziale i wymianie jonów, jak również w elektronice, sensoryce i wielu innych dziedzinach przemysłu, stała się możliwa dzięki kontrolowaniu wielkości powierzchni właściwej i wewnętrznej, charakterystyce rozmiaru i rozkładu wielkości porów oraz typu i morfologii struktury [118,119]. Bardzo wiele doniesień literaturowych można znaleźć na temat materiału MCM-41 jako nośnika [120-122]. Materiał ten posiada heksagonalne mezopory (2-50nm), o objętości powyżej 1 cm³/g i dużej powierzchni właściwej ponad 1000 m²/g. Właśnie te parametry oraz energia oddziaływań pomiędzy substancją aktywną, a matrycą wpływają na szybkość uwalniania leku. Liczne grupy silanolowe na powierzchni nośnika, mogą być modyfikowane przez organiczne grupy funkcyjne, przez co możliwe jest projektowanie nowych układów (np. materiałów hybrydowych). Rozmiary porów kształtują się już na etapie syntezy. Uwalnianie substancji czynnej z materiałów o mniejszych porach jest wolniejsze np. z mezoporowatego materiału MCM-41 o średnicy porów 2,5nm, pięć razy wolniej uwalniany jest ibuprofen, niż z tego samego materiału o porach 3,6 nm [71,123].

Innym przykładem jest uwalnianie kaptoprylu z nośników MCM-41 i SBA-15 o różnej wielkości porów. W tym przypadku również badania wykazały, iż uwalnianie substancji aktywnej zależy od wielkości porów i morfologii struktury, gdzie najszybciej desorpcja następowała z największych porów. Ponadto badania dowiodły, iż ważnym czynnikiem jest środowisko uwalniania - im niższe pH tym szybsza desorpcja [123].

Dla materiałów zawierających mezopory (MCM-41), sumaryczna objętość porów jest zazwyczaj równa całkowitej objętości mezoporów. Jednakże materiały w swojej strukturze mogą zawierać również mikropory (SBA-15), a nawet makropory, wtedy ich wkład w sumaryczną objętość porów wzrasta ze spadkiem rozmiaru ziaren materiału. W takim przypadku adsorpcja substancji aktywnej, zależy od średnicy cząsteczki matrycy lub dostępnej powierzchni wewnętrznej [124].

33 Tak jak w przypadku kserożeli, tak i dla mezoporowatych materiałów krzemionkowych ważna jest budowa i rodzaj grup funkcyjnych mieszczących się na powierzchni nośnika. Funkcjonalizacja powierzchni materiału krzemionkowego np. grupami aminopropylowymi wpłynęła na wzrost adsorpcji ibuprofenu [125]. Grupy funkcyjne obecne na powierzchni jak i wewnątrz porów MCM-41 mają tendencję do oddziaływania z grupami funkcyjnymi substancji aktywnej, co przekłada się na spowolnione uwalnianie z nośnika [126].

W wyniku obecności grup silanolowych na powierzchni mezoporowatych materiałów występują liczne defekty [127]. Modyfikując wewnętrzną powierzchnię (wprowadzenie w miejsce atomów wodoru różnych centrów chemicznych) otrzymuje się całą rodzinę materiałów hybrydowych. Zazwyczaj centrum chemicznym jest organiczna grupa funkcyjna, z reaktywnymi miejscami, które mogą ulec chemicznej modyfikacji.

Wprowadzenie takich grup następuje na drodze ko-kondensacji, zwanej syntezą "one-pot"

lub post-syntetycznej funkcjonalizacji - graftingu [40,124]. Pierwsza metoda charakteryzuje się tym, że grupy organiczne połączone są z grupami silanowymi zarówno w ściankach, jak i we wnętrzu kanałów. Modyfikacja post-syntetyczna wprowadza grupy na wewnętrzną powierzchnię porów [70,124], zwiększając tym samym stopień funkcjonalizacji.

Inną formą nośników substancji aktywnej są mezoporowate sferyczne materiały krzemionkowe - hydrożele, w której fazą rozproszoną jest woda. Natomiast jako fazę formującą stosuje się głównie polimery, lecz mogą to być również materiały nieorganiczne tj. krzemionka koloidalna, bentonit czy krzemian glinowo-magnezowy. Zachowanie substancji aktywnej wewnątrz utworzonych mezoporów, może również zależeć od długości kanałów, co jest związane z rozmiarem cząsteczki sferycznej oraz ze zmianą kształtu, od nieregularnej do sferycznej. Substancja czynna musi pokonać dłuższą drogę, zarówno przy wprowadzaniu, jak i uwalnianiu z matrycy krzemianowej, co skutkuje wydłużeniem czasu uwalniania [125,126,128]. Zaletą tych materiałów jest to, że są biodegradowalne. Ich strukturę można modyfikować różnymi grupami funkcyjnymi, a substancję aktywną można włączyć w trakcie procesu formowania żelu. Hydrożele szybko rozkładane są przez różne enzymy, są stabilne tylko w określonym środowisku, co stanowi ograniczenie dla czasu działania substancji aktywnej [129]. Duża pojemność adsorpcyjna hydrożeli jest bardzo korzystnym czynnikiem, dlatego najprawdopodobniej wzrośnie zainteresowanie tego typu materiałami [129,130].